شبیه‌سازی انتشار صوت در محیط ساختار انگشت نمک در شرق تنگه هرمز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه علوم غیر زیستی جو و اقیانوس، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه علوم غیر زیستی جو و اقیانوس، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران

3 استاد، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

4 استاد، گروه فیزیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

محیط‌های آبی هدایت کننده مناسبی برای انتشار امواج صوتی هستند و تغییر در پارامترهای فیزیکی آب بر سرعت و انتشار صوت مؤثر است. یکی از تغییرات قائم در ستون آب، ساختار انگشت نمک (Salt-fingering) است که به دلیل گرادیان‌های قائم دما و شوری با ضرایب پخش متفاوت، با لایه‌بندی آب گرم و شور بر روی آب سرد وکم شور رخ می‌دهد و مناطقی مانند تنگه هرمز با تبادل ترموهالینی میان حوضه شور (خلیج فارس) و آب‌های آزاد کم شور (دریای عمان و اقیانوس هند)، مستعد شکل‌گیری انگشتان نمک هستند. با افزایش جریان گرم ورودی از دریای عمان به خلیج فارس و افزایش تبخیر در اواخر بهار، شکل‌گیری انگشتان نمک در تنگه هرمز تقویت می‌شود. بررسی گرادیان‌های قائم دما و شوری در بخش شرقی تنگه هرمز نشان می‌دهد که یک لایه سطحی گرم و شور (C° 34 و   psu39) بر روی یک لایه سرد و کم شور (C° 29و   psu37.5) قرار دارد که منجر به ریزش انگشتان نمک از سطح تا عمق   m 40-70 و آمیختگی در ستون آب می‌شود. به طوری که سرعت صوت در طول کانال یکنواخت نبوده و از سطح تا عمق ریزش انگشتان نمک به بیشترین مقدار (m/s 1557) خود می‌رسد. نتایج این بررسی نشان می‌دهد که پرتوهای صوتی با زاویه انتشار کمتر، با عبور از محل انگشتان نمک در سطح پراکنده می‌شوند و با افزایش عمق فرستنده صوتی، اثر اتلافی ساختار نمکی در انرژی و انتقال سیگنال صوتی کاهش می‌یابد اما انحراف از محل ساختارهای نمکی قوی (با ریزش قوی و غلظت بیشتر) مشاهده می‌شود. انتشار سیگنال صوتی با تابعیت از مرزبندی ساختار نمکی همراه بوده و پرتوهای صوتی با انحراف قابل توجه و dB  85 – 80 اتلاف در انتشار، (dB 15 – 10 افزایش در اتلاف) منتقل می‌شوند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of sound propagation in the environment of the salt-fingering structure in the east of the Strait of Hormuz

نویسندگان [English]

  • Mostafa Solgi 1
  • Mahdi Mohammad-Mahdizadeh 2
  • Abbas_Ali Aliakbari Bidokhti 3
  • Smaeyl Hassanzadeh 4
1 Ph.D. student, Assistant Professor, Department of Non-biological Atmospheric and Ocean Sciences, Faculty of Marine Science and Technologies, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Non-Biological Atmospheric and Ocean Sciences, Faculty of Marine Science and Technologies, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran
3 Professor, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran
4 rofessor, Department of Physics, University of Isfahan, Iran
چکیده [English]

The water environment is considered as a suitable conductor for sound waves propagation and the changes in the horizontal and vertical structures of physical parameters are effective on the speed and propagation of sound. One of the effective vertical processes in the water column is the double diffusion process with two structures of salt-fingering and diffusive convection, which are created due to the vertical gradient of temperature and salinity with different diffusion coefficients. Salt-fingering occurs when a layer of warm and salty water is located above cold and fresh water. In areas such as the Strait of Hormuz, with thermohaline exchange between the salty basin (Persian Gulf) and the open sea (Oman Sea), the conditions for the formation of salt fingers and their growth are significant. To determine double diffusion structures, the Turner angle (Tu) method is used in terms of density ratio (Rρ). Turner angle values (in degree) for the formation of double diffusion structures are defined in the range of -90 < Tu < 90. So that the diffusive convection structure is formed for the values of -90 < Tu < -45 and the salt finger structure is formed for the values of 45 < Tu < 90. With the increase of the warm water inflow entering from the Oman Sea into the Persian Gulf, in spring and summer and the increase of evaporation in late spring, the conditions for the formation of salt fingers are strengthened and salt fall occurs in all the eastern and middle stations of the Strait Hormuz. Also, in the southern stations, salt fingers extend from the surface to a depth of 65 m. The vertical gradients of temperature and salinity in the eastern cross-section of the Strait of Hormuz form a warm and salty surface layer (34 °C and 39 psu) over a cold and fresh water layer (29 °C and 37.5 psu) so that the warm and Salty water mass spreads on the surface and falls from the surface to a depth of 40-70 m as salt fingers. The fall of salt fingers causes the speed of sound waves to be not uniform along the channel so from the surface to the depth of salt finger fall, it has the highest value (1557 m/s). In this study, sound signal propagation at frequencies above 500 Hz (600 Hz and 60 kHz) is simulated using Ray theory and the Bellhop model. The results show that sound rays with a small propagation angle are scattered on the surface after passing through the salt fingers. But by increasing the depth of the sound source, the dissipative effect of the salt structure decreases while the deviation from the location of the strong structure is observed. In general, the propagation and transmission of the sound signal along the channel depend on the stratification leading to the salt finger structure, and the sound rays are propagated with significant deviation and 80-85 dB loss in transmission (10-15 dB increase in loss), while these salt fingers exist in water.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Double-diffusion
  • salt-fingering
  • srait of Hormuz
  • Persian gulf
  • sound signal
  • transmission loss
انصاری، ن.، حسن زاده، ا.، رضایی لطیفی، ع.، و نوحه گر، ا.،1390، بررسی همرفت پخش دوگانه در تمگه هرمز با استفاده از مدل سه بعدی کوهرنس، سیزدهمین همایش صنایع دریایی، جزیره کیش.
ارشادی، م.، و حسن زاده، ا.،1392، توزیع قائم سرعت صوت و تأثیر دما و شوری بر روی آن در فصول مختلف در خلیج فارس و تنگه هرمز، پانزدهمین همایش صنایع دریایی، جزیره کیش.
اکبری نسب، م.، صدری نسب، م.، علی اکبری بیدختی، ع.، چگینی، و.، 1393، مطالعه ساختار لایه ای خلیج فارس به خلیج عمان و تأثیر آن بر روی انتشار صوت با چشمه های آکوستیکی نزدیک جریان نفوذی در فصل بهار. مجله علوم و فنون دریا.110-120: (4)12.
علی اکبری بیدختی، ع.، 1398، مبانی دینامیک شاره ها (سیالات)، چاپ دوم، انتشارات دانشگاه تهران.
ناظمیه، ن.، محسنی آراسته، ا.، سهیلی فر، م.، 1397، مدل عددی دو بعدی انتشار امواج صوتی در آب های تنگه هرمز به روش تفاضل محدود. پژوهش های علوم و فنون دریای. 39-51 : (2)13.
Al-Hajri, K., 1990, The Circulation of the Arabian (Persian) Gulf: A Model Study of its Dynamics. The Catholic University of America, Washington, DC. Ph.D. Dissertation (also available through UMI Dissertation Information Service, Order Number 9106378).
Azizpour, J., Chegini, V., Siadatmousavi, S. M., 2017, Seasonal variation of the double diffusion processes at the Strait of Hormuz. Acta Oceanologica Sinica, 36(1): 26–34, doi: 10.1007/s13131-017-0990-6.
Bidokhti, A. A. and Ezam, M., 2009, The structure of the Persian Gulf outflow subjected to density variations, Ocean Sci., 5, 1–12, https://doi.org/10.5194/os.
Boyd, J. D., and Perkins, H., 1987, Characteristics of thermohaline steps off the northwest coast of South America. Deep-Sea Res., 34, 337-364.
 
Caplan, S., 2008, Microstructure signatures of equilibrium double-diffusive convection. Thesis. Naval Postgraduate School, Monterey, California.
Carriere, O., Hermand, J., Le Gac, J., and M. Rixen., 2009, Full-field tomography and Kalman tracking of the range-dependent sound speed field in a coastal water environment. J. Mar. Syst., 78: S382-S392.
Elliott, A.J., Howe, M.R., and Tait, R.I., 1974, The lateral coherence of a system of thermohaline layers in the deep ocean. Deep-Sea Res., 21, 95-107.
Etter, P.C., 2012, Advanced applications for underwater acoustic modeling, Advances in Acoustics and Vibration, vol. 2012. 
Foster, T. D., and Carmack, E. C., 1976, Frontal zone mixing and Antarctic Bottom Water formation in the southern Weddell Sea, Deep Sea Res. Oceanogr. Abstr., 23, 301–317.
Hosseinibalam, F., Hassanzadeh, S., and Rezaei Latifi, A., 2011, Three-dimensional numerical modeling of thermohaline and wind-driven cir- culations in the Persian Gulf, Appl. Math. Model., 35(12), 5884–5902, doi: 10.1016/j.apm.2011.05.040.
Howe, M.R., and Tait, R.I., 1970, Further observations of thermohaline stratification in the deep ocean. Deep-Sea Res., 17, 963-972.
Johannessen, O.M., and O.S. Lee., 1974, A deep stepped thermohaline structure in the Mediterranean. Deep-Sea Res., 21, 629-639.
Lavery, A., and Ross, T., 2007, Acoustic scattering from double-diffusive microstructure, J. Acoust. Soc. Am. 122, 1449–1462.
Lee, C., Chang, K. I., Lee, J. H., and Richards, K. J., 2014, Vertical mixing due to double diffusion in the tropical western Pacific, Geophys. Res. Lett., 41, 7964–7970, doi:10.1002/ 2014GL061698.
Lu L.G., Chen H.X., Yuan Y.L., 2004, Spatial and Temporal Variations of Sound Speed at the PN Section, Journal of Oceanography, 60: 673-679.
Lu L.G., Chen H.X., Yuan Y.L., 2004, Spatial and Temporal Variations of Sound Speed at the PN Section, Journal of Oceanography, 60: 673-679.
Mackenzie, K.V., 1981, Nine-term equation for sound speed in the oceans, J Acous Soc Am,70 (807-808). 281. 2685–2697.
Magnell, B., 1976, Salt fingers observed in the Mediterranean outflow region (34°N, 11°W) using a towed sensor. J. Phys. Oceanogr., 6, 511-523.
Mazeika, P.A., 1974, Subsurface mixed layers in the northwestern tropical Atlantic. J. Phys. Oceanogr., 4, 446-453.
Medwin. H., 1975, Speed of sound in water: A simple equation for realistic parameters.  Acoustical Society of America. 6. 58. doi: 10.1121/1.380790.
Onken, R., Brambilla, E., 2003, Double diffusion in the Mediterranean Sea: observation and parameterization of salt finger convection. J. Geophys. Res. 108(C9), 8124–8136. doi: 10.1029/2002JC001349.
Pous S P., Carton X., Lazure, P., 2004. Hydrology and circulation in the Strait of Hormuz and the Gulf of Oman results from the GOGP99 experiment: 1. Strait of Hormuz. J Geophys Res Oceans, 109(C12): C12038.
Radhakrishman, K.G., 1995, Thermocline variability in the Arabian Sea and its effect on the Acoustic propagation. Ph.D. Dissertation. Cochin University of science and technology. India.
Radko, T., 2013, Double-Diffusive Convection. Cambridge University Press, 342 pp.
Reynolds. R. M, 1993. Physical oceanography of the Gulf, Strait of Hurmoz, and the Gulf of Oman, results from the Mt.Mitchell expedition” Mar. Pollut. Bull, Vol. 27, pp. 35-59.
Robertson, R., Padman, L., and Levine, M. D., 1995, Fine structure, microstructure, and vertical mixing processes in the upper ocean in the western Weddell Sea. J. Geophys. Res., 100, 18517–18535.
Ruddick, B., 1983, A practical indicator of the stability of the water column to double-diffusive activity. Deep Sea Res A Oceanogr Res Pap, 30(10): 1105–1107. doi:10.1016/0198–0149(83)90063–8.
Schmitt, R. W., 1981, Form of the temperature-salinity relationship in the Central Water: evidence for double-diffusive mixing. J. Phys. Oceanogr., 11, 1015–1026.
Shi, J., Wei. H., 2007, Evidence of double diffusion in the East China Sea [J]. Journal of Marine Systems. 67(3-4): 272-281
Stern, M. E., 1960, The “salt-fountain” and thermohaline convection. Tellus, 12,172–175.
Thoppil, P. G., Hogan, P. J., 2009, On the mechanisms of episodic salinity outflow events in the Strait of Hormuz. J Phys Oceangr, 39(6): 1340–1360.
Turner, J. S., 1965, The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface. Int. J. Heat Mass Transfer, 8, 759–767, doi:10.1016/0017-9310(65)90022-0.
Urick, R. J., 1983, Principles of Underwater sound, McGraw-Hill, USA.
Williams, A. J., 1974, Salt Fingers observed in Mediterranean outflow. Science, 185, 941 943.
Wilson, W.D., 1960. Equation for the speed of sound in seawater, The Journal of the Acoustical Society of American, V 32, N 10: 876-892.
You, Y., 2002, A global ocean climatological atlas of the Turner angle: Implications for double-diffusion and water mass structure. Deep-Sea Res., 49, 2075-2093.
Yusop, S.M., Abu Bakar, N., Abdullah, K., 2011, Kuala Besar, Kelantan: A sound speed analysis, IEEE colloquium on humanities, Science and Engineering Research, Dec 5-6: 610-663.