SOSUS: Listening to the Ocean
A. The oceans of Earth cover more than 70 percent of the planet’s surface, yet, until quite recently, we knew less about their depths than we did about the surface of the Moon. Distant as it is, the Moon has been far more accessible to study because astronomers long have been able to look at its surface, first with the naked eye and then with the telescope—both instruments that focus light. And, with telescopes tuned to different wavelengths of light, modern astronomers can not only analyze Earth’s atmosphere, but also determine the temperature and composition of the Sun or other stars many hundreds of light-years away. Until the twentieth century, however, no analogous instruments were available for the study of Earth’s oceans: Light, which can travel trillions of miles through the vast vacuum of space, cannot penetrate very far in seawater.
Các đại dương của Trái Đất bao phủ hơn 70% bề mặt hành tinh, thế nhưng cho đến khá gần đây, chúng ta biết về độ sâu của chúng còn ít hơn về bề mặt Mặt Trăng. Dù ở rất xa, Mặt Trăng lại dễ tiếp cận để nghiên cứu hơn nhiều vì từ lâu các nhà thiên văn đã có thể quan sát bề mặt của nó, ban đầu bằng mắt thường rồi bằng kính thiên văn—đều là những dụng cụ tập trung ánh sáng. Và với các kính thiên văn điều chỉnh theo những bước sóng khác nhau của ánh sáng, các nhà thiên văn hiện đại không chỉ phân tích được khí quyển Trái Đất mà còn xác định nhiệt độ và thành phần của Mặt Trời hay các ngôi sao khác ở cách hàng trăm năm ánh sáng. Tuy nhiên, cho đến thế kỷ XX, không có một thiết bị tương tự nào dành cho việc nghiên cứu các đại dương của Trái Đất: ánh sáng, vốn có thể đi hàng nghìn tỷ dặm trong khoảng chân không mênh mông của vũ trụ, lại không thể xuyên sâu được trong nước biển.
B. Curious investigators long have been fascinated by sound and the way it travels in water. As early as 1490, Leonardo da Vinci observed: “If you cause your ship to stop and place the head of a long tube in the water and place the outer extremity to your ear, you will hear ships at a great distance from you.” In 1687, the first mathematical theory of sound propagation was published by Sir Isaac Newton in his Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Investigators were measuring the speed of sound in air beginning in the mid seventeenth century, but it was not until 1826 that Daniel Colladon, a Swiss physicist, and Charles Sturm, a French mathematician, accurately measured its speed in water. Using a long tube to listen underwater (as da Vinci had suggested), they recorded how fast the sound of a submerged bell traveled across Lake Geneva. Their result—1,435 meters (1,569 yards) per second in water of 1.8°C (35°F)—was only 3 meters per second off from the speed accepted today. What these investigators demonstrated was that water—whether fresh or salt—is an excellent medium for sound, transmitting it almost five times faster than its speed in air.
Từ lâu, các nhà nghiên cứu hiếu kỳ đã say mê âm thanh và cách nó truyền trong nước. Ngay từ năm 1490, Leonardo da Vinci đã ghi nhận: “Nếu bạn cho tàu dừng lại và đặt đầu một cái ống dài xuống nước rồi áp đầu kia vào tai, bạn sẽ nghe thấy những con tàu ở rất xa.” Năm 1687, lý thuyết toán học đầu tiên về sự truyền âm được Isaac Newton công bố trong Principia. Con người bắt đầu đo tốc độ âm trong không khí từ giữa thế kỷ XVII, nhưng mãi đến năm 1826, nhà vật lý Daniel Colladon (Thụy Sĩ) và nhà toán học Charles Sturm (Pháp) mới đo chính xác tốc độ của nó trong nước. Dùng một ống dài để nghe dưới nước (như gợi ý của da Vinci), họ ghi lại tốc độ truyền của tiếng chuông nhúng nước băng qua Hồ Geneva. Kết quả—1.435 mét/giây trong nước 1,8°C—chỉ chênh 3 m/s so với giá trị chấp nhận ngày nay. Điều họ chứng minh là: nước—dù ngọt hay mặn—là môi trường truyền âm tuyệt vời, truyền gần gấp năm lần so với trong không khí.
C. In 1877 and 1878, the British scientist John William Strutt, third Baron Rayleigh, published his two-volume seminal work, The Theory of Sound, often regarded as marking the beginning of the modern study of acoustics. The recipient of the Nobel Prize for Physics in 1904 for his successful isolation of the element argon, Lord Rayleigh made key discoveries in the fields of acoustics and optics that are critical to the theory of wave propagation in fluids. Among other things, Lord Rayleigh was the first to describe a sound wave as a mathematical equation (the basis of all theoretical work on acoustics) and the first to describe how small particles in the atmosphere scatter certain wavelengths of sunlight, a principle that also applies to the behavior of sound waves in water.
Trong các năm 1877–1878, nhà khoa học Anh John William Strutt, tức Nam tước Rayleigh đời thứ ba, xuất bản bộ hai tập The Theory of Sound, thường được coi là mốc mở đầu của ngành âm học hiện đại. Ông nhận Nobel Vật lý năm 1904 nhờ tách thành công nguyên tố argon. Rayleigh có nhiều khám phá then chốt trong âm học và quang học, nền tảng cho lý thuyết lan truyền sóng trong chất lỏng. Trong số đó, ông là người đầu tiên biểu diễn sóng âm bằng phương trình toán học (cơ sở cho mọi nghiên cứu lý thuyết về âm học) và người đầu tiên mô tả cách các hạt nhỏ trong khí quyển tán xạ những bước sóng nhất định của ánh sáng mặt trời—nguyên lý này cũng áp dụng cho hành vi của sóng âm trong nước.
D. A number of factors influence how far sound travels underwater and how long it lasts. For one, particles in seawater can reflect, scatter, and absorb certain frequencies of sound—just as certain wavelengths of light may be reflected, scattered, and absorbed by specific types of particles in the atmosphere. Seawater absorbs 30 times the amount of sound absorbed by distilled water, with specific chemicals (such as magnesium sulfate and boric acid) damping out certain frequencies of sound. Researchers also learned that low-frequency sounds, whose long wavelengths generally pass over tiny particles, tend to travel farther without loss through absorption or scattering. Further work on the effects of salinity, temperature, and pressure on the speed of sound has yielded fascinating insights into the structure of the ocean. Speaking generally, the ocean is divided into horizontal layers in which sound speed is influenced more greatly by temperature in the upper regions and by pressure in the lower depths. At the surface is a sun-warmed upper layer, the actual temperature and thickness of which varies with the season. At mid-latitudes, this layer tends to be isothermal, that is, the temperature tends to be uniform throughout the layer because the water is well mixed by the action of waves, winds, and convection currents; a sound signal moving down through this layer tends to travel at an almost constant speed. Next comes a transitional layer called the thermocline, in which temperature drops steadily with depth; as temperature falls, so does the speed of sound.
Nhiều yếu tố chi phối khoảng cách âm đi được dưới nước và thời gian nó còn tồn tại. Chẳng hạn, các hạt trong nước biển có thể phản xạ, tán xạ và hấp thụ những tần số âm nhất định—tương tự như một số bước sóng ánh sáng bị phản xạ, tán xạ và hấp thụ bởi các kiểu hạt khác nhau trong khí quyển. Nước biển hấp thụ âm nhiều gấp 30 lần nước cất; một số hoá chất (như magiê sunfat và axit boric) triệt tiêu một số tần số âm. Người ta cũng nhận ra rằng các âm tần số thấp—có bước sóng dài nên thường “vượt qua” các hạt li ti—có xu hướng truyền xa hơn mà ít bị mất mát do hấp thụ hay tán xạ. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của độ mặn, nhiệt độ và áp suất lên tốc độ âm mang lại những hiểu biết thú vị về cấu trúc đại dương. Nói chung, đại dương chia thành các lớp nằm ngang: ở vùng trên, tốc độ âm chịu ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ; còn ở độ sâu lớn, chịu ảnh hưởng bởi áp suất. Trên cùng là lớp nước mặt được Mặt Trời sưởi ấm, có nhiệt độ và bề dày thay đổi theo mùa. Ở vĩ độ trung bình, lớp này thường đẳng nhiệt (nhiệt độ đồng đều) do nước được trộn mạnh bởi sóng, gió và dòng đối lưu; tín hiệu âm đi xuống lớp này có xu hướng truyền với tốc độ gần như không đổi. Bên dưới là lớp chuyển tiếp gọi là thermocline, nơi nhiệt độ giảm dần theo độ sâu; nhiệt độ giảm thì tốc độ âm cũng giảm.
E. The U.S. Navy was quick to appreciate the usefulness of low-frequency sound and the deep sound channel in extending the range at which it could detect submarines. In great secrecy during the 1950s, the U.S. Navy launched a project that went by the code name Jezebel; it would later come to be known as the Sound Surveillance System (SOSUS). The system involved arrays of underwater microphones, called hydrophones, that were placed on the ocean bottom and connected by cables to onshore processing centers. With SOSUS deployed in both deep and shallow waters along both coasts of North America and the British West Indies, the U.S. Navy not only could detect submarines in much of the northern hemisphere, it also could distinguish how many propellers a submarine had, whether it was conventional or nuclear, and sometimes even the class of sub.
Hải quân Hoa Kỳ nhanh chóng nhận ra công dụng của âm tần thấp và kênh âm sâu trong việc mở rộng tầm phát hiện tàu ngầm. Vào thập niên 1950, trong điều kiện tuyệt mật, họ khởi động dự án mang mật danh Jezebel, sau này gọi là Sound Surveillance System (SOSUS). Hệ thống gồm các mảng micro dưới nước (hydrophone) đặt ở đáy biển và nối bằng cáp tới các trung tâm xử lý trên bờ. Với SOSUS triển khai ở cả vùng nước sâu và nông dọc hai bờ Bắc Mỹ và Tây Ấn, Hải quân Mỹ không chỉ phát hiện tàu ngầm ở phần lớn Bắc bán cầu mà còn phân biệt được số lượng chân vịt, loại năng lượng (thông thường hay hạt nhân), thậm chí đôi khi cả lớp tàu.
F. The realization that SOSUS could be used to listen to whales also was made by Christopher Clark, a biological acoustician at Cornell University, when he first visited a SOSUS station in 1992. When Clark looked at the graphic representations of sound, scrolling 24 hours a day, every day, he saw the voice patterns of blue, finback, minke, and humpback whales. He also could hear the sounds. Using a SOSUS receiver in the West Indies, he could hear whales that were 1,770 kilometers (1,100 miles) away. Whales are the biggest of Earth’s creatures. The blue whale, for example, can be 100 feet long and weigh as many tons. Yet these animals also are remarkably elusive. Scientists who wish to observe blue whales firsthand must wait in their ships for the whales to surface. A few whales have been tracked briefly in the wild this way but not for very great distances, and much about them remains unknown. Using the SOSUS stations, scientists can track the whales in real time and position them on a map. Moreover, they can track not just one whale at a time, but many creatures simultaneously throughout the North Atlantic and the eastern North Pacific. They also can learn to distinguish whale calls. For example, Fox and colleagues have detected changes in the calls of finback whales during different seasons and have found that blue whales in different regions of the Pacific Ocean have different calls.
Việc nhận ra SOSUS còn dùng để nghe cá voi là do Christopher Clark—nhà âm học sinh học ở Đại học Cornell—khi ông lần đầu tới một trạm SOSUS năm 1992. Khi nhìn vào các bản ghi đồ hoạ của âm thanh, cuộn 24 giờ mỗi ngày, ông thấy các mẫu “giọng” của cá voi xanh, cá voi vây, cá voi Minke và cá voi lưng gù; ông cũng có thể nghe được. Dùng một máy thu SOSUS ở Tây Ấn, ông nghe được cá voi cách tới 1.770 km. Cá voi là những sinh vật lớn nhất Trái Đất—cá voi xanh có thể dài 30 mét và nặng hàng chục tấn—nhưng lại rất khó tiếp cận. Muốn quan sát trực tiếp, nhà khoa học phải chờ chúng trồi lên. Cách này chỉ theo dõi được vài cá thể trong thời gian ngắn, quãng đường không xa, nên còn nhiều điều chưa biết. Nhờ các trạm SOSUS, nhà khoa học có thể theo dõi cá voi theo thời gian thực và định vị chúng trên bản đồ; hơn nữa, có thể theo dõi không chỉ một cá thể mà cùng lúc nhiều sinh vật khắp Bắc Đại Tây Dương và Đông Bắc Thái Bình Dương. Họ cũng học cách phân biệt tiếng kêu: chẳng hạn, Fox và cộng sự phát hiện tiếng kêu của cá voi vây thay đổi theo mùa, và cá voi xanh ở các vùng Thái Bình Dương khác nhau có tiếng kêu khác nhau.
G. SOSUS, with its vast reach, also has proved instrumental in obtaining information crucial to our understanding of Earth’s weather and climate. Specifically, the system has enabled researchers to begin making ocean temperature measurements on a global scale—measurements that are keys to puzzling out the workings of heat transfer between the ocean and the atmosphere. The ocean plays an enormous role in determining air temperature; the heat capacity in only the upper few meters of ocean is thought to be equal to all of the heat in the entire atmosphere. For sound waves traveling horizontally in the ocean, speed is largely a function of temperature. Thus, the travel time of a wave of sound between two points is a sensitive indicator of the average temperature along its path. Transmitting sound in numerous directions through the deep sound channel can give scientists measurements spanning vast areas of the globe. Thousands of sound paths in the ocean could be pieced together into a map of global ocean temperatures and, by repeating measurements along the same paths over time, scientists could track changes in temperature over months or years.
Với độ bao phủ rộng lớn, SOSUS còn tỏ ra then chốt trong việc thu thập thông tin nền tảng cho hiểu biết về thời tiết và khí hậu Trái Đất. Cụ thể, hệ thống cho phép bắt đầu đo nhiệt độ đại dương ở quy mô toàn cầu—những phép đo chìa khoá để giải mã cơ chế trao đổi nhiệt giữa đại dương và khí quyển. Đại dương đóng vai trò to lớn trong việc quyết định nhiệt độ không khí; chỉ vài mét nước mặt đã có nhiệt dung tương đương toàn bộ khí quyển. Đối với sóng âm truyền theo phương ngang trong đại dương, tốc độ chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ; vì thế, thời gian truyền của một xung âm giữa hai điểm là chỉ thị nhạy cho nhiệt độ trung bình trên đường đi. Phát âm theo nhiều hướng qua kênh âm sâu có thể cung cấp các phép đo bao phủ các vùng rất rộng của địa cầu. Hàng nghìn đường truyền âm có thể ghép lại thành bản đồ nhiệt độ đại dương toàn cầu, và bằng cách lặp lại phép đo dọc các lộ trình giống nhau theo thời gian, các nhà khoa học có thể theo dõi sự thay đổi nhiệt độ theo tháng hoặc năm.
H. Researchers also are using other acoustic techniques to monitor climate. Oceanographer Jeff Nystuen at the University of Washington, for example, has explored the use of sound to measure rainfall over the ocean. Monitoring changing global rainfall patterns undoubtedly will contribute to understanding major climate change as well as the weather phenomenon known as El Niño. Since 1985, Nystuen has used hydrophones to listen to rain over the ocean, acoustically measuring not only the rainfall rate but also the rainfall type, from drizzle to thunderstorms. By using the sound of rain underwater as a “natural” rain gauge, the measurement of rainfall over the oceans will become available to climatologists.
Các nhà nghiên cứu cũng đang dùng những kỹ thuật âm học khác để giám sát khí hậu. Chẳng hạn, nhà hải dương học Jeff Nystuen (Đại học Washington) đã khảo sát việc dùng âm thanh để đo mưa trên đại dương. Việc theo dõi những biến đổi trong mô hình mưa toàn cầu chắc chắn sẽ góp phần hiểu biến đổi khí hậu lớn cũng như hiện tượng thời tiết El Niño. Từ năm 1985, Nystuen dùng hydrophone để “nghe” mưa trên biển, đo bằng âm học không chỉ cường độ mà cả loại mưa—từ mưa phùn tới giông bão. Bằng việc dùng âm của mưa dưới nước như một “đồng hồ mưa tự nhiên”, các phép đo lượng mưa trên đại dương sẽ sẵn có cho các nhà khí hậu học.