1826 unternahmen Jean-Daniel Colladon, Physiker, und Charles-Francois Sturm, Mathematiker, den ersten aufgezeichneten Versuch, die Schallgeschwindigkeit im Wasser zu bestimmen. In ihrem Experiment wurde die Unterwasserglocke gleichzeitig mit der Zündung von Schießpulver auf dem ersten Boot getroffen. Das Geräusch der Glocke und das Blinken des Schießpulvers wurden auf dem zweiten Boot 10 Meilen entfernt beobachtet., Die Zeit zwischen dem Schießpulverblitz und dem Geräusch, das das zweite Boot erreichte, wurde verwendet, um die Schallgeschwindigkeit im Wasser zu berechnen. Colladon und Sturm konnten mit dieser Methode die Schallgeschwindigkeit im Wasser ziemlich genau bestimmen. J. D. Colladon, Souvenirs et Memoires, Albert-Schuchardt, Genf, 1893.
Wir wissen, dass der Ton wandert. Wie schnell fährt es? Der Schall bewegt sich im Meerwasser etwa 1500 Meter pro Sekunde. Das sind ungefähr 15 Fußballfelder in einer Sekunde. Der Schall bewegt sich viel langsamer in der Luft, mit etwa 340 Metern pro Sekunde, nur 3 Fußballfeldern pro Sekunde.,
Leider ist die Antwort nicht ganz so einfach. Die Schallgeschwindigkeit im Meerwasser ist kein konstanter Wert. Es variiert um eine kleine Menge (ein paar Prozent) von Ort zu Ort, Saison zu Saison, morgens bis abends und mit Wassertiefe. Obwohl die Schwankungen in der Schallgeschwindigkeit nicht groß sind, haben sie wichtige Auswirkungen darauf, wie sich Schall im Ozean bewegt.
Was ändert die Schallgeschwindigkeit? Es wird durch die ozeanographischen Variablen Temperatur, Salzgehalt und Druck beeinflusst., Wir können den Effekt jeder dieser Variablen auf die Schallgeschwindigkeit betrachten, indem wir uns auf einen Punkt im Ozean konzentrieren. Wenn Ozeanographen die Veränderung einer ozeanographischen Variablen mit Wassertiefe betrachten, nennen sie es ein Profil. Hier untersuchen wir das Temperaturprofil, das Salzgehaltsprofil und das Druckprofil. Ähnlich dem Profil Ihres Gesichts, das eine Seitenansicht Ihres Gesichts bietet, bietet Ihnen ein ozeanographisches Profil eine Seitenansicht des Ozeans an dieser Stelle von oben nach unten., Es sieht aus, wie sich diese Eigenschaft des Ozeans ändert, wenn Sie von der Meeresoberfläche direkt zum Meeresboden gehen. Der Ort, den wir erkunden werden, liegt mitten im tiefen Ozean.
Hier sind grundlegende Profile für einen Standort im tiefen, offenen Ozean etwa auf halbem Weg zwischen dem Äquator und dem Nord-oder Südpol. In diesen Profilen nimmt die Temperatur ab, wenn das Wasser tiefer wird, während Salzgehalt und Druck mit der Wassertiefe zunehmen., Hier beziehen wir uns auf den Meeresdruck aufgrund des Gewichts des darüber liegenden Wassers (Gleichgewichtsdruck), nicht auf den mit einer Schallwelle verbundenen Druck, der viel, viel kleiner ist. Im Allgemeinen nimmt die Temperatur normalerweise mit der Tiefe ab, der Salzgehalt kann entweder mit der Tiefe zunehmen oder abnehmen, und der Druck nimmt immer mit der Tiefe zu.
Tiefe profile aus dem offenen Ozean von Temperatur, Salzgehalt und Dichte. Copyright Universität von Rhode Island.,
Aus diesen Profilen ist ersichtlich, dass sich die Temperatur stark ändert und von 20 Grad Celsius (°C) in der Nähe der Oberfläche in mittleren Breiten auf 2 Grad Celsius (°C) in der Nähe des Meeresbodens abnimmt. Andererseits ändert sich der Salzgehalt nur geringfügig von 34 auf 35 praktische Salzgehaltseinheiten (PSU), ungefähr 34 auf 35 Teile pro Tausend (ppt). Schließlich steigt der Druck um einen großen Betrag an, von 0 an der Oberfläche auf 500 Atmosphären (atm) am Boden.,
Die Schallgeschwindigkeit im Wasser steigt mit steigender Wassertemperatur, steigendem Salzgehalt und steigendem Druck (Tiefe). Die ungefähre Änderung der Schallgeschwindigkeit mit einer Änderung jeder Eigenschaft ist:
Temperatur 1°C = 4,0 m/s
Salzgehalt 1PSU = 1,4 m/s
Tiefe (Druck) 1km = 17 m/s
Hier ist ein typisches Schallgeschwindigkeitsprofil für den tiefen, offenen Ozean in mittleren Breiten.
Profil der Schallgeschwindigkeit im Wasser. Beachten Sie die Schallgeschwindigkeit mindestens bei 1000 Metern. Copyright Universität von Rhode Island.,
Die Abnahme der Schallgeschwindigkeit in der Nähe der Oberfläche ist auf abnehmende Temperatur zurückzuführen. Die Schallgeschwindigkeit an der Oberfläche ist schnell, da die Temperatur von der Sonne hoch ist und die oberen Schichten des Ozeans erwärmt. Mit zunehmender Tiefe wird die Temperatur immer kälter, bis sie einen nahezu konstanten Wert erreicht. Da die Temperatur jetzt konstant ist, hat der Druck des Wassers den größten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Da der Druck mit der Tiefe zunimmt, steigt die Schallgeschwindigkeit mit der Tiefe., Der Salzgehalt hat an den meisten Stellen im Ozean einen viel geringeren Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit als die Temperatur oder der Druck. Dies liegt daran, dass die Wirkung des Salzgehalts auf die Schallgeschwindigkeit gering ist und Salzgehaltsänderungen im offenen Ozean gering sind. In Ufernähe und in Flussmündungen, wo der Salzgehalt stark variiert, kann der Salzgehalt einen wichtigeren Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit im Wasser haben.
Es ist wichtig zu verstehen, dass die Art und Weise, wie sich Schall bewegt, sehr stark von den Bedingungen des Ozeans abhängt., Das Schallgeschwindigkeitsminimum bei etwa 1000 Metern Tiefe in mittleren Breiten schafft einen Schallkanal, der Schall lange Strecken im Ozean zurücklegen lässt. Der Abschnitt SOFAR-Kanal enthält weitere Informationen darüber, wie das Schallgeschwindigkeitsminimum Schallwellen in den Kanal fokussiert.
Zusätzliche Links zu DOSITS
- Wie fährt Sound lange Strecken? Der SOFAR-Kanal