Las ondas de gravedad acústica son ondas sonoras muy largas que atraviesan las profundidades del océano a la velocidad del sonido. Estas corrientes rápidas como un rayo pueden arrastrar agua, nutrientes, sales y cualquier otra partícula a su paso, a cualquier profundidad del agua.Por lo general, se desencadenan por eventos violentos en el océano, incluidos terremotos submarinos, explosiones, deslizamientos de tierra e incluso meteoritos, y transportan información sobre estos eventos en todo el mundo en cuestión de minutos.
Los investigadores del MIT ahora han identificado una fuente menos dramática, aunque mucho más generalizada, de ondas de gravedad acústica: ondas oceánicas superficiales, como las que se pueden ver desde una playa o la cubierta de un barco. Estas ondas, conocidas como superficie-ondas de gravedad, no viajan casi tan rápido, tan lejos o tan profundo como las ondas de gravedad acústica, sin embargo, en las condiciones adecuadas, pueden generar ondas de sonido potentes, de movimiento rápido y de baja frecuencia.
Los investigadores han desarrollado una teoría general que conecta las ondas de gravedad y las ondas acústicas. Descubrieron que cuando dos ondas de gravedad de superficie, que se dirigen una hacia la otra, oscilan a una frecuencia similar pero no idéntica, su interacción puede liberar hasta un 95 por cientode su energía inicial en forma de onda acústica, que a su vez transporta esta energía y viaja mucho más rápido y más profundo.
Esta interacción puede ocurrir en cualquier parte del océano, en particular en regiones donde las ondas de gravedad de superficie interactúan cuando se reflejan en las rupturas de la plataforma continental, donde el mar profundo de repente se enfrenta a una costa mucho menos profunda.
Usama Kadri, profesora asistente visitante y filial de investigación en el Departamento de Matemáticas del MIT, dice que los resultados del equipo establecen una relación concreta y detallada entre las ondas de gravedad superficial y las ondas de gravedad acústica, que, hasta ahora, los científicos sospechaban que noexiste. La comprensión de esta relación, dice, permite a los investigadores describir cómo se intercambia la energía entre la gravedad y las ondas acústicas. Él dice que esta energía podría ser vital para muchas formas de vida marina, y podría desempeñar un papel en el transporte de agua y la redistribución de carbonodióxido y calor a aguas más profundas, manteniendo así un ambiente marino saludable.
Kadri y su colega, Triantaphyllos Akylas, profesor de ingeniería mecánica en el MIT, han publicado sus resultados en el Revista de mecánica de fluidos .
Ajuste para el mundo real
En su mayor parte, las ondas de gravedad y las ondas acústicas se han considerado como entidades completamente separadas, una sin ningún efecto sobre la otra. Eso se debe a que sus propiedades son muy diferentes, tanto en longitud como en escalas temporales. Mientras que la gravedad es la fuerza principal que actúa pararestaurar y estabilizar las ondas de gravedad de superficie de ahí el nombre, su efecto sobre las ondas de sonido es insignificante. Por otro lado, el hecho de que el agua es ligeramente compresible es lo que permite que las ondas de presión, como el sonido, atraviesen, aunque esta propiedadcasi no tiene efecto en las ondas superficiales.
Kadri dice que las ecuaciones de ondas de agua típicas utilizadas para caracterizar las interacciones de las olas oceánicas no se aplican a las ondas de gravedad acústica, ya que no tienen en cuenta la compresibilidad y los efectos de la gravedad.
"Sin compresibilidad y gravedad, no podemos describir correctamente las ondas sonoras de baja frecuencia", dice Kadri. "Esta es una de las razones por las cuales los investigadores han pasado por alto las ondas de gravedad acústica".
Kadri obtuvo una ecuación de onda que incluye compresibilidad y gravedad, así como términos no lineales de orden superior.
"En teoría lineal, dos ondas de gravedad superficial que viajan una hacia la otra no se sienten; se acercan, se cruzan y luego se alejan sin intercambiar ninguna forma de energía, como si nunca se hubieran encontrado", Kadriexplica. "Sin embargo, en realidad la imagen es más complicada, y los efectos no lineales pueden entrar en juego, resultando en el intercambio de energía e incluso la generación de nuevas ondas, a veces. Aquí, en rangos de frecuencia específicos, las ondas de gravedad pueden producir una onda acústica quetiene propiedades completamente diferentes, y eso es increíble ".
rodando en lo profundo
La ecuación de onda recién obtenida permitió a Kadri estudiar el comportamiento de las ondas acústicas y de gravedad. Analizó las interacciones teóricas dentro de una tríada de ondas que consta de dos ondas de gravedad de superficie y una onda de gravedad acústica. En 2013, demostró numéricamente queesta configuración de ondas debería resonar o intercambiar energía, lo que significa que cuando dos de las tres ondas oscilan, deberían impulsar la tercera onda para que oscile en respuesta. Ahora, utilizando la ecuación de onda modificada, junto con el análisis de escalas múltiples, dedujo lo que sondenominadas "ecuaciones de evolución" para describir cómo cambian las amplitudes de las tres ondas a medida que intercambian energía.
Sorprendentemente, calculó que si dos ondas superficiales fluyen entre sí a aproximadamente la misma frecuencia y amplitud, cuando se encuentran y se cruzan entre sí, la mayoría de su energía, hasta el 95 por ciento, puede convertirse en un sonidoonda, u onda de gravedad acústica. Esta energía puede fluctuar, dependiendo de las amplitudes y frecuencias iniciales de las ondas de gravedad de superficie. Incluso cuando las ondas de gravedad de superficie viajan en forma de ráfagas cortas, aún pueden transferir más del 20 por ciento desu energía a las ondas de gravedad acústica, una cantidad que no se puede descuidar.
"Esto es increíble, solo por pensar que estas olas son tan diferentes", dice Kadri. "Tenerlas compartiendo energía es realmente emocionante; esto explica cómo parte de la energía que proviene de la atmósfera, del sol y del viento,a la parte superior del océano, en realidad se puede conducir a rodar en el océano profundo a través de ondas de gravedad acústica ".
Kadri dice que los resultados pueden ayudar a los científicos a conectar las interacciones no solo entre las aguas oceánicas superficiales y profundas, sino también con las fuerzas atmosféricas que afectan las olas superficiales.
Ahora Kadri está impartiendo esta nueva comprensión de las interacciones de las olas a una aplicación crítica: detección de tsunamis. Está trabajando con la Institución Oceanográfica Woods Hole para diseñar un sistema para detectar ondas de gravedad acústica que preceden a un tsunami, viajando más de 10 veces comorápido como la ola más destructiva.
"Los estados marinos severos, como los tsunamis, las olas rebeldes, las tormentas, los deslizamientos de tierra e incluso la caída de meteoritos, pueden generar ondas de gravedad acústica", dice Kadri. "Esperamos poder utilizar estas ondas para establecer una alarma temprana para casos severosestados del mar en general y tsunamis en particular, y potencialmente salvar vidas "
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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