PG1-Aquatica-2013_0-Introducao

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Universidade de Brasília
Instituto de Geociências
Laboratório de Geofísica Aplicada
Cursos de Graduação em Geofísica
Disciplina: 205214 – Princípios de Geofísica 1
Módulo: Geofísica Aquática
Professor: Marco Ianniruberto
Universidade de Brasília
Universidade de Brasília
Material didático:
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www.aprender.unb.br
Disciplina: Princípios de Geofísica 1: Módulo aquática
Nome breve: PG1 Aquática
Senha: PG1Aqua2013-1
Universidade de Brasília
Parte I: Teoria da acústica aquática
1. Propagação da luz na água
2. Propagação do som na água do mar
3. Princípios de propagação das ondas acústicas
4. Propriedades físico-químicas da água do mar
5. Física do som na água
6. Equação do sonar e seus parâmetros
7. Transdutores e suas propriedades
8. Refração do som na água (Lei de Snell)
9. Espalhamento do som na água
10. Interação do som com o fundo
TEMAS
Interação com a radiação 
solar
Espectro da radiação eletromagnética
Propagação da radiação visível
Propagação da luz na água do mar
Energia eletromagnética de onda curta (0.4 – 0.8 µm, violeta até vermelho do 
espectro visível) é absorvida em distancias menores no mar que na 
atmosfera. 
Ao atravessar a interface atmosfera-oceano, as ondas são difusas e 
absorvidas, constituindo a principal fonte de calor dos oceanos.
A atenuação de energia é progressiva, e diferente por diversos comprimentos 
de onda, como ilustrado pela lei de Beer-Lambert:
- I0 é a energia que penetra a superfície (cota z=0) 
- Iz é a radiação resídua a profundidade z
- k é o coeficiente vertical de atenuação da água (depende do comprimento 
de onda).
O coeficiente k depende principalmente da absorção da luz na água e, de 
forma menor, da difusão. 
)exp(0 kzII z −=
Propagação da luz na água do mar
)exp(0 kzII z −=
Porcentagem de luz transmitida em função da distancia z para k=1
z, metros
Propagação da luz na água 
do mar
No caso do mar aberto 
(clearest ocean):
-quase toda a energia de 
comprimento de onda menor 
que o visível (microondas e 
ultravioleto) é absorvida no 
primeiro metro de 
profundidade
- a energia de comprimento 
maior de 1.5µm 
(infravermelho) é absorvida 
nos primeiros centímetros.
Propagação da luz na água do mar
As primeiras três colunas ilustram a influencia do coeficiente k e da 
profundidade para a componente mais penetrante (azul) em diferentes 
condições de turbidez. A coluna de k=0.02 refere-se á transmissão da 
componente azul em águas claras, as colunas de k=0.2 e k=2 referem-se a 
transmissão em águas de menos claras a túrbidas. As ultimas duas colunas 
mostram a propagação em duas típicas condições oceânicas.
Propagação da luz na água do mar
O coeficiente k varia bastante com o comprimento de onda, com um mínimo 
em 0.45 µm, correspondente a luz azul. Por comprimentos de ondas menores 
(ultravioleta) e maiores (vermelho e infra-vermelho) a atenuação é maior. 
Propagação da luz na água do mar
Quase toda a energia de comprimento de onda menor que o visível é
absorvida no primeiro metro de profundidade, a energia de comprimento maior 
de 1.5µm é absorvida nos primeiros centímetros.
Penetração máxima no verde – amarelo
Penetração máxima no azul
Propagação da luz na água do mar
SeaWifs: Cor do oceano
SeaWifs: Cor do oceano
SeaWifs: pluma de 
sedimentos Rio Grande
SeaWifs: pluma de sedimentos Rio de la Plata
Propagação da luz na água do mar
Propagação do som na água do mar:
breve história do sonar
Entre todas as formas de radiação, o som é a que se transmite melhor no mar. As ondas 
eletromagnéticas são fortemente atenuadas nas águas salinas e túrbidas do mar, de forma 
muito maior que as ondas mecânicas. Graças a esta característica, o som vem sendo utilizado 
por muitas aplicações na exploração do mar e estas aplicações estão fundadas na engenharia 
do sonar, definido como o sistema que usa energia acústica para efetuar medições em 
ambiente aquático.
A palavra “sonar” é o acrônimo do termo “SOund Navigation And Ranging”, que foi assim 
chamado em analogia com o sistema terrestre “radar”, “RAdio Detection And Ranging”.
Algumas aplicações típicas dos sonar incluem: detecção de cardumes, medição batimétrica, 
estratigrafia e sonar de varredura lateral. Os sonar podem ser ativos ou passivos. Os ativos 
utilizam uma fonte acústica própria e os passivos escutam o sinal gerado pelo alvo/objeto de 
interesse.
A equação do sonar foi desenvolvida durante a Segunda Guerra Mundial para ajudar no 
calculo da máxima distancias de operação de um sonar. Desde então, a equação do sonar vem 
sendo utilizada por uma ampla gama de equipamentos subaquáticos. 
A equação do sonar trata todos os aspectos envolvidos com a geração, a propagação e a 
atenuação do som no meio aquático; por este motivo constitui um ótimo objeto de estudo no 
campo da acústica submarinha e a base de desenho de equipamentos para aplicações 
geofísicas e oceanográficas. 
Breve historia do sonar
A historia conta que foi o cientista e artista italiano Leonardo Da Vinci que em 1490 declarou a 
possibilidade de ouvir navios se aproximando usando um simples tubo colocado na água. 
Depois de quase três séculos, em 1826 Daniel Colladon, um físico suíço, e Charles Sturm, um 
matemático francês, mediram de forma precisa a velocidade do som na água. Com a ajuda de um tubo 
cumprido para escutar abaixo da água (como tinha sugerido Da Vinci), conseguiram registrar a 
velocidade do som de um sino submergido ao longo do Lago Lemán. 
No século XIX, outros cientistas descobriram e estudaram os fenômenos da transdução piezelétrica 
(Jacques e Pierre Curie, 1880) e magnetostrição (James Joule, 1840). 
O resultado foi 1.435 metros por segundo em água a 
8 graus centígrados, só 3 metros por segundo menos 
da velocidade aceita hoje em dia. Esta medição 
demonstra que a água, doce o salgada, é um meio 
excelente para a propagação do som, que se transmite 
quase cinco vezes mais rápido que no ar.
Uso do sonar
Medições batimétricas:
Batimetria convencional
Batimetria multifeixe
Estratigrafia:
Perfilador de sub-fundo
Sparker
Air-gun / Water-gun
Geomorfologia:
Sonar de varredura lateral
Recursos pelágicos e demersos:
Fish finder
Avaliação de biomassa
Ecobatímetros medem o tempo de viagem de pulsos 
acústicos e seus ecos para detectar o fundo do mar. O 
ecobatímetro simples usa um feixe único e fornece uma 
profundidade por cada pulso, enquanto o ecobatímetro 
multifeixe fornece varias medições em uma seção 
transversal do fundo. A intensidade do eco pode ser 
utilizada para estimar a natureza do fundo.
Sistemas de prospecção sísmica usam pulsos 
acústicos de freqüência menor, em relação aos 
ecobatímetros, para aproveitar as características de 
penetração no fundo e medir a estratigrafia. Dentro 
desta categoria se encontram sistemas de sísmica 
rasa (perfilador de subfundo e sparker) e profunda 
(Air-gun).
Sistemas de medição da litologia superficial do 
fundo usam o principio interferométrico para varrer 
seções do fundo e registrar a intensidade do eco. 
São usado também para detectar objetos no fundo 
(naufrágios, estruturas, etc...).
Ecobatímetros de alta freqüência com função de 
detectar cardumes, acompanhados por software de 
calculo para estimar a biomassa.
Uso do sonar
Oceanografia:
Medição de correnteza (Doppler)
Tomografia acústica
Posicionamento subaquático:
Long Base Line (LBL)
Short Base Line (SBL)
Ultra Short Base Line ( USBL)
Comunicação e telemetria:
Modem acústico
Outros: 
Monitoramento dos cetáceos
Navegação subaquática
Sonar ativos usam o efeito Doppler para medir 
correnteza.
Sistemas de transmissão e recepção de pulsos 
acústicos à longadistancia para estimar a estrutura 
termo-salina interna dos oceanos e monitoramento do 
aquecimento global.
Sistemas de localização de sinal enviado por beacon ou 
transponder, amplamente utilizados nas construções 
subaquáticas (instalação de plataformas, cabos e dutos 
submarinhos) e no posicionamento de veículos ROV.
Sistemas de comunicação para transmissão de dados 
e informações entre estações submarinhas. O meio 
aquático funciona como o fio condutor nas 
comunicações tradicionais.
Sonar passivos para traçar rotas migratórias dos 
grandes cetáceos e estudos de bioacústica.
Pressão 
ambiente
1 m2
z10
1 m2
ρágua=1024 kg/m3
∆z=10 m
z0
profundidade
z11km
∆z=11000 m
ρar=1.03 kg/m3
1 m2
//
p10= p0 + p∆z = p0 + ρágua x volume x 
gravidade =
1x105 Pa + 1024 kg/m3 x 10m3 x 
9.8m/s2
≈ 1x105 Pa + 1x105 Pa = 2x105 Pa
p0= ρar x volume x gravidade
= 1.03 kg/m3 x 11000m3 x 9.8 m/s2
≈ 1 x 105 Pa
pressão
Definição: pressão atmosférica é
a força por unidade de área 
exercida pelo peso da coluna 
atmosférica acima da superfície
p0= 1 x 105 Pa ou 
1 x 105 N/m2 ou
1.01325 bar//
Física do som na Água
O som é um movimento regular de moléculas de uma substancia elástica que provoca uma 
perturbação na pressão ambiente.
O som é gerado por um projetor que transfere o movimento para as moléculas em contato com a 
própria superfície, e de aí para as moléculas adjacentes. Em um fluido (ex: ar, água, etc...), o 
movimento das moléculas é paralelo à direção de propagação (onda longitudinal, ou compressiva) e 
gera perturbação da pressão ambiente que pode ser detectada por um hidrofone.
Física do som na Água
Ondas
Exemplo de ondas:
- ondas na água
- ondas numa corda
- ondas em molas.
Ondas
Exemplo de ondas:
- ondas numa corda
- ondas em molas.
As ondas viajam mas as espiras 
da mola ficam oscilando arredor 
da posição de descanso.
Ondas
Parâmetros das ondas:
- comprimento d’onda λ
- amplitude α
- freqüência angular ω
- freqüência f= ω/2π
λ×= fv
velocidade da onda
Ondas
http://www.physicsclassroom.com/Class/waves/
Pulsos
Definição: 
pulso = uma breve seqüência de ondas
Ondas e interfaces
Interface fixa
Interface livre
Pulsos
Geração de um pulso sísmico: 
- exemplos de fontes sísmicas 
Parâmetros das ondas típicas na Geofísica Aquática: 
- velocidade de cerca de 1500 m/s na água
- freqüência de algumas dezenas de kHertz
- comprimento d’onda de centenas de metros
Exemplo:
Uma onda com velocidade de 1500 m/s e freqüência de 100 kHz, 
terá um comprimento d’onda de 0,015 m.
λ×= fv
Raios e frentes de onda
t0 t1 t2
Raios e frentes de onda
Ondas longitudinais (P) e transversais (S)
Propagação das ondas compressivas (ondas P) 
Propagação das ondas cisalhantes (ondas S) 
Estresse e deformação
Estresse (stress): força por unidade de área (unidades: Newton / m2) 
Estresse compressivo
Estresse tensional 
Estresse normal 
Estresse tangencial 
Conseqüência do estresse (stress)Î deformação (strain)
Exemplo: se um bloco de 10cm de lado é deformado assim que ele se 
torna de 9cm de comprimento, a deformação é (10-9)/10 ou 0.1 (as vezes 
estimado em porcentagem, neste caso sendo 10%.) 
O estresse é adimensional! 
Curvas estresse vs. deformação
Na região elástica, vale a lei de Hooke: Stress/Strain = constante de elasticidade
Ondas longitudinais (P) e transversais (S)
Propagação das ondas compressivas (ondas P) 
Propagação das ondas cisalhantes (ondas S) 
Velocidade das ondas longitudinais (P) e transversais (S)
Ondas P e S deformam as rochas de maneira diferente, por isso as forças que agem para re-
equilibrar (forças de restauração) são diferentes e a velocidade de propagação das ondas 
também é diferente. (Estresse = força / unidade de área )
No caso de ondas sísmica P e S propagando-se na mesma rocha, a densidade ρ do material é
igual, mas as forças de restauração são diferentes pois as ondas P induzem uma compressão 
(diminuição do volume) e as ondas S uma deformação (sem alteração do volume).
material do densidade
material do elásticos módulos ondas das velocidade =
Compressibilidade e rigidez
O modulo de compressão k
(bulk modulus) define quanta força 
é necessária para alterar o volume 
do material sem variação de forma
O modulo de cisalhamento µ
(shear modulus) define quanta força 
é necessária para alterar a forma do 
material sem variação de volume
Velocidade das ondas longitudinais (P) e transversais (S)
O parâmetro que define a resistência a deformação é chamada de 
modulo de cisalhamento (µ)
O parâmetro que define a resistência a compressão é chamada de 
modulo de compressão (k), e a sua contribuição na determinação 
velocidade das ondas P é
ρ
µ
3
4+
=
k
vP
ρ
µ=Sv
SP vv >
Velocidade das ondas sísmicas em alguns materiais
Velocidade das ondas sísmicas: 
fatores de influencia
A velocidade das ondas compressivas é função de 
vários fatores, entre eles:
• idade geológica
• compressão (profundidade)
• porosidade
• fração de xisto (argila metamorfizada)
Exemplos:
1) Rocha com fração de porosidade η:
com Vf e Vm velocidade das ondas no fluido e na 
matriz, respectivamente
2) VP em função da porosidade e da fração de xisto 
para consolidação normal (A) e alta (B). (Erickson
and Jarrard, 1998).
mf VVV
ηη −+= 11
Trajetórias dos raios em meios de velocidade diferente
Que acontece quando um raio atinge uma interface entre rochas com velocidade 
sísmica diferente? Î reflexão + refração
No caso de uma seqüência de 
camadas paralelas e uniformes:
constante... sin sin
2
2
1
1 ===
v
i
v
i
OBS: i1 = i’1 etc...
Trajetórias dos raios em meios de velocidade diferente: 
Lei de Snell
http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/Physics/refractionsnells.htm
http://stwww.weizmann.ac.il/lasers/laserweb/java/twoangles2.htm
Snell’s law demonstrators
Ondas longitudinais (P) e transversais (S)
OBS 1: Onda P com incidência obliqua gera ondas P e S refletidas e refratadas!
OBS 2: A Lei de Snell continua valendo para as ondas refletidas e refratadas.
S
S
P
P
v
isin
v
isin
1
1
1
1 =reflexão
S
S
P
P
v
isin
v
isin
2
2
1
1 =refração
S
?
?
?
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