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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: Acessar o ambiente de aprendizagem da UnB www.aprender.unb.br Disciplina: Princípios de Geofísica 1: Módulo aquática Nome breve: PG1 Aquática Senha: PG1Aquatica2012-2 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 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 SeaWifs: Cor do oceano SeaWifs: Cor do oceano Propagação da luz na água do mar 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 longa distancia para estimar a estrutura termo-salina interna dos oceanos e monitoramento do aquecimento global. Sistemas de localizaçãode 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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