Kênh SOFAR (viết tắt của sound fixed andrange channel), hay kênh âm thanh sâu DSC (deep sound channel), là một lớp nước nằm ngang trong đại dương ở độ sâu mà tốc độ âm thanh ở mức tối thiểu. Kênh SOFAR hoạt động như một ống dẫn sóng cho âm thanh và sóng âm thanh tần số thấp trong kênh có thể truyền đi hàng nghìn dặm trước khi tiêu tan. Một ví dụ là việc tiếp nhận các tín hiệu được mã hóa do tàu giám sát đại dương thuê của Hải quân Cory Chouest ngoài khơi đảo Heard, nằm ở phía nam Ấn Độ Dương (giữa Châu Phi, Úc và Nam Cực), bằng ống nghe dưới nước ở các phần của tất cả năm lưu vực đại dương chính và xa xôi như Bắc Đại Tây Dương và Bắc Thái Bình Dương.
Tốc độ âm thanh dưới nước như một chức năng của độ sâu. Dữ liệu thu được từ các bài đọc được thực hiện ở phía bắc Hawaii ở Thái Bình Dương và được lấy từ Bản đồ Đại dương Thế giới, ấn bản năm 2005. Lưu ý trục kênh SOFAR tại ca. Độ sâu 750 m, nơi tốc độ âm thanh được hiển thị ở mức thấp nhất.
Hiện tượng này là một yếu tố quan trọng trong giám sát đại dương. Kênh âm sâu được Maurice Ewing và J. Lamar Worzel tại Đại học Columbia và Leonid Brekhovskikh tại Viện Vật lý Lebedev phát hiện và mô tả độc lập vào những năm 1940. Khi thử nghiệm khái niệm này vào năm 1944, Ewing và Worzel đã treo một chiếc ống nghe dưới nước từ Saluda, một chiếc thuyền buồm được giao cho Phòng thí nghiệm âm thanh dưới nước, với con tàu thứ hai kích hoạt các vụ nổ cách xa tới 900 hl (1.700 km).
Nguyên tắc
Các xung âm truyền đi rất xa trong đại dương vì chúng bị giữ lại trong một hướng dẫn sóng âm. Điều này có nghĩa là khi các xung âm thanh tiếp cận bề mặt, chúng bị quay trở lại đáy và khi chúng đến gần đáy đại dương, chúng bị quay ngược lại bề mặt. Đại dương dẫn âm rất hiệu quả, đặc biệt là âm ở tần số thấp, tức là dưới vài trăm Hz.
Nhiệt độ là yếu tố chi phối quyết định tốc độ âm thanh trong đại dương. Ở những vùng có nhiệt độ cao hơn (ví dụ gần bề mặt đại dương), tốc độ âm thanh cao hơn. Nhiệt độ giảm theo độ sâu, với tốc độ âm thanh giảm tương ứng cho đến khi nhiệt độ trở nên ổn định và áp suất trở thành yếu tố chi phối. Trục của kênh SOFAR nằm ở điểm có tốc độ âm thanh tối thiểu ở độ sâu nơi áp suất bắt đầu chi phối nhiệt độ và tốc độ âm thanh tăng lên. Điểm này nằm ở dưới cùng của đường đẳng nhiệt và trên cùng của lớp đẳng nhiệt sâu và do đó có một số phương sai theo mùa. Các ống dẫn âm khác tồn tại, đặc biệt là ở lớp hỗn hợp phía trên, nhưng các đường tia sẽ mất năng lượng do phản xạ bề mặt hoặc đáy. Đặc biệt, trong kênh SOFAR, các tần số thấp được khúc xạ trở lại ống dẫn sao cho tổn thất năng lượng nhỏ và âm thanh truyền đi hàng nghìn dặm. Phân tích dữ liệu Kiểm tra tính khả thi của đảo Heard nhận được bởi các ống nghe dưới nước của Hệ thống Định vị Tác động Tên lửa Đảo Ascension ở phạm vi trung bình 9.200 km (5.000 hl) từ nguồn cho thấy tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao đáng ngạc nhiên, nằm trong khoảng từ 19 đến 30 dB, với độ ổn định pha và độ biến thiên biên độ ngoài dự kiến sau thời gian di chuyển khoảng 1 giờ 44 phút 17 giây.
Trong ống dẫn, các sóng âm thanh vạch ra một đường dao động trên trục kênh SOFAR sao cho một tín hiệu đơn lẻ sẽ có nhiều thời điểm đến với dấu hiệu của nhiều xung đạt cực đại ở một đầu được xác định rõ ràng. Phần cuối được xác định rõ ràng đó đại diện cho một đường đến gần trục đôi khi được gọi là phần cuối của SOFAR và những phần trước đó là bản giao hưởng SOFAR. Những hiệu ứng đó là do kênh âm thanh lớn hơn trong đó các đường tia được chứa giữa bề mặt và độ sâu tới hạn. Độ sâu tới hạn là điểm bên dưới trục tối thiểu của tốc độ âm thanh tại đó tốc độ âm thanh tăng lên bằng với tốc độ tối đa phía trên trục. Khi đáy nằm trên độ sâu tới hạn, âm thanh bị suy giảm, cũng như bất kỳ đường tia nào giao nhau với bề mặt hoặc đáy.
Trục kênh thay đổi nhiều nhất với vị trí của nó chạm tới bề mặt và biến mất ở vĩ độ cao (trên khoảng 60°N hoặc dưới 60°S) nhưng với âm thanh sau đó truyền trong ống dẫn bề mặt. Một báo cáo năm 1980 của Trung tâm Hệ thống Đại dương Hải quân đưa ra các ví dụ trong một nghiên cứu về đường truyền âm vòng tròn lớn giữa Perth, Úc và Bermuda với dữ liệu tại tám địa điểm dọc theo đường truyền. Ở cả Perth và Bermuda, trục kênh âm thanh xảy ra ở độ sâu khoảng 1.200 m. Nơi con đường gặp hội tụ Nam Cực ở 52° về phía nam, không có kênh âm thanh sâu nào ngoài ống dẫn bề mặt sâu 30 m và kênh âm thanh nông ở 200 m. Khi con đường rẽ về phía bắc, một trạm ở 43° nam, 16° đông hiển thị mặt cắt quay lại loại SOFAR ở độ sâu 800 m.
Các ứng dụng
Ứng dụng thực tế đầu tiên bắt đầu được phát triển trong Thế chiến II khi Hải quân Hoa Kỳ bắt đầu thử nghiệm và triển khai khả năng xác định vị trí vụ nổ của một quả bom SOFAR được sử dụng làm tín hiệu cấp cứu cho các phi công bị bắn rơi. Sự khác biệt về thời gian đến của nguồn tại một vị trí không xác định tại các vị trí đã biết cho phép tính toán vị trí chung của nguồn. Thời gian đến tạo thành các đường hypebol có vị trí tương tự như LORAN. Ngược lại, phát hiện các tín hiệu định thời từ các vị trí trên bờ đã biết tại một điểm chưa biết, cho phép tính toán vị trí tại điểm đó. Kỹ thuật đó được đặt tên ngược là SOFAR: RAFOS. RAFOS được định nghĩa trong ấn bản năm 1962 của Bộ điều hướng thực tế của Mỹ trong số các hệ thống điều hướng hyperbol.
Các ứng dụng ban đầu dựa trên các trạm bờ cố định, thường được gọi là các trạm SOFAR. Một số đã trở thành cơ sở nghiên cứu âm thanh cũng như Trạm SOFAR Bermuda đã tham gia vào thí nghiệm từ Perth đến Bermuda. Hồ sơ của trạm Bermuda được duy trì bởi Viện Hải dương học Woods Hole (WHOI). Trước đây, các nguồn SOFAR đã được triển khai cho các mục đích đặc biệt trong ứng dụng RAFOS. Một hệ thống như vậy đã triển khai các nguồn neo đậu dưới đáy ngoài khơi Cape Hatteras, ngoài khơi Bermuda và một nguồn trên đường nối để gửi ba tín hiệu được định thời gian chính xác mỗi ngày nhằm cung cấp độ chính xác khoảng 5 km (2,7 hl).
Ứng dụng đầu tiên nhanh chóng được Hải quân quan tâm vì những lý do khác ngoài việc xác định vị trí của các phi hành đoàn bị bắn rơi. Một quyết định của Hải quân vào năm 1949 đã dẫn đến các nghiên cứu vào năm 1950 khuyến nghị khai thác tiềm năng sonar thụ động của kênh SOFAR cho nỗ lực tác chiến chống ngầm (ASW) của Hải quân. Khuyến nghị bao gồm một khuyến nghị rằng 10 triệu USD một năm được chi cho nghiên cứu và phát triển hệ thống. Đến năm 1951, một loạt thử nghiệm đã chứng minh khái niệm này và đến năm 1952, các trạm bổ sung đã được đặt hàng cho Đại Tây Dương. Khai thác chính đầu tiên của kênh SOFAR là giám sát đại dương trong một chương trình được phân loại dẫn đến Hệ thống giám sát âm thanh (SOSUS). Hệ thống đó vẫn được phân loại từ khi thành lập cho đến khi các hệ thống cố định được tăng cường bởi các mảng di động để trở thành Hệ thống giám sát dưới biển tích hợp với nhiệm vụ và bản chất của hệ thống được giải mật vào năm 1991.
Giám sát động đất thông qua việc sử dụng SOSUS sau khi quyền truy cập dân sự hạn chế được cấp cho Phòng thí nghiệm môi trường biển Thái Bình Dương (PMEL) của Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia vào năm 1991 cho thấy số lượng các trận động đất ngoài khơi với khả năng định vị tốt hơn gấp 10 lần so với các cảm biến trên đất liền. Phát hiện SOSUS có thể cảm nhận được các trận động đất ở khoảng cấp hai thay vì cấp bốn. Hệ thống đã phát hiện sự lan rộng đáy biển và các sự kiện magma ở Dãy núi Juan de Fuca để kịp thời cho các tàu nghiên cứu điều tra. Kết quả của thành công đó, PMEL đã phát triển điện thoại dưới nước của riêng mình để triển khai trên toàn thế giới được treo trong kênh SOFAR bằng hệ thống phao và neo.
Các ứng dụng khác
– Tổ chức Hiệp ước Cấm thử Hạt nhân Toàn diện (CTBTO) – Hệ thống Giám sát Quốc tế (IMS).
– Hệ thống Định vị Tác động Tên lửa (MILS): Hệ thống định vị tác động và vị trí của nón mũi tên lửa thử nghiệm.
– Chụp cắt lớp âm thanh đại dương: Một kỹ thuật đo nhiệt độ và dòng hải lưu bằng độ trễ thời gian của âm thanh giữa hai thiết bị ở xa.
– Dự án Mogul, dựa trên sự tồn tại phỏng đoán của một kênh tương tự trong bầu khí quyển phía trên.
– Tìm kiếm Chuyến bay 370 của Malaysia Airlines: Âm thanh do kênh SOFAR mang theo đã được phân tích để xác định xem họ có phát hiện ra tác động có thể có của đại dương đối với một máy bay chở khách đã biến mất ở Nam Ấn Độ Dương hay không.
Bản chất
Âm thanh tần số thấp bí ẩn do cá voi vây (Balaenoptera physalus) gây ra là hiện tượng phổ biến trong kênh. Các nhà khoa học tin rằng cá voi vây có thể lặn xuống kênh này và hát để giao tiếp với những con cá voi vây khác cách đó nhiều km.
Văn hóa thịnh hành
Cuốn tiểu thuyết The Hunt for Red October mô tả việc sử dụng kênh SOFAR trong việc phát hiện tàu ngầm./.
