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3.2: Océanos ruidosos - Biología

3.2: Océanos ruidosos - Biología


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El ruido humano en el océano se está convirtiendo en una gran preocupación. Este ruido está relacionado con la alteración de los patrones de llamada, búsqueda de alimento y migración de muchas especies. En situaciones extremas, los científicos también creen que es una de las razones por las que ha habido tantas ballenas varadas.

Aquí hay un video que muestra cómo suenan algunos ruidos diferentes en los océanos y qué tan fuertes son en realidad.

"Submarino clase Virginia" por Owly K bajo el gobierno federal de EE. UU.

EFECTOS DEL SONIDO EN LAS BALLENAS

Parece que las ballenas y los delfines son los animales marinos más afectados por los ruidosos océanos. Aunque el ruido natural en el océano por el viento, las olas u otros animales marinos es algo común, no son tan intensos como el ruido de los humanos. Este ruido más intenso y frecuente puede estar causando estrés a las ballenas y contribuyendo a que se encallen. Un científico ha dicho que ha visto a las ballenas abandonar un lugar debido al ruido. Estos lugares a veces contienen una fuente de alimento necesaria para la supervivencia de las ballenas.

Las ondas sonoras de los sistemas de sonar de submarinos militares pueden llegar a alcanzar los 235 decibeles. Pueden viajar cientos de millas y pueden mantener la intensidad de 140 decibeles hasta 300 millas de la fuente.

Los buques de carga crean lo que se conoce como ruido ambiental. Esto es particularmente preocupante para las grandes ballenas de baja frecuencia. Las ballenas francas están en peligro de extinción y se ha demostrado que el ruido de los buques de carga que cruzan constantemente el océano les está causando estrés.

"Buque de carga" de Peter Griffin bajo dominio público

Aquí hay un video sobre el proceso de aparejo petrolero en aguas profundas. Sería difícil de creer que estos equipos no hagan mucho ruido. Es comprensible que escuchar el ruido de estas plataformas constantemente pueda causar estrés a una ballena o confundirla, considerando que dependen en gran medida de la acústica para sobrevivir.

HISTORIAS RECIENTES DE BALLENAS PLAYAS

El 10 de febrero de 2017, Nueva Zelanda recibió más de 600 ballenas piloto en tierra. Los voluntarios pudieron salvar a unas 80 de las ballenas, que se unieron a una manada cercana. Después de que fueron salvados, más tarde esa noche, el grupo al que se unieron quedó varado en Farewell Spit. Aunque se desconoce la causa de estas ballenas varadas y varadas, una teoría es el ruido submarino. Las fuertes ondas de sonido que crean los humanos pueden hacer que las ballenas salgan a la superficie demasiado rápido o naden en aguas poco profundas.

"Ballenas en la playa, despedida de Split, Isla Sur de Nueva Zelanda" por Chagai Under Public Domain

En mayo de 2016, más de 20 ballenas se vararon cerca de San Felipe, México. Según una declaración, no se observaron signos de heridas en las ballenas, pero parecían desorientadas. Dado que las ballenas no tenían signos de lesiones, es muy razonable creer que el sonar y el fuerte ruido del océano las sacaron de las aguas profundas hacia la playa.

Menos de un año después de que 330 ballenas llegaran a la costa en la ensenada patagónica, se encontraron 70 ballenas en una playa en el sur de Chile. Aunque no son de la misma especie, esta es una tendencia terrible que está sucediendo. Las ballenas eran más pequeñas esta vez y habían estado muertas durante aproximadamente 2 meses antes de ser encontradas.

La información de este capítulo es gracias a las contribuciones de Alana Olendorf


Oceano

los Oceano (también el mar o la océano mundial) es el cuerpo de agua salada que cubre aproximadamente el 71% de la superficie de la Tierra. [1] También es "cualquiera de los grandes cuerpos de agua en los que se divide el gran océano". [1] Una definición común enumera cinco océanos, en orden descendente por área, los océanos Pacífico, Atlántico, Índico, Sur (Antártico) y Ártico. [2] [3]

El agua de mar cubre aproximadamente 361.000.000 km 2 (139.000.000 millas cuadradas) y habitualmente se divide en varios océanos principales y mares más pequeños, y el océano en su conjunto cubre aproximadamente el 71% de la superficie de la Tierra y el 90% de la biosfera de la Tierra. [4] El océano mundial contiene el 97% del agua de la Tierra, y los oceanógrafos han declarado que se ha cartografiado menos del 20% de los océanos. [4] El volumen total es de aproximadamente 1,35 mil millones de kilómetros cúbicos (320 millones de millas cúbicas) con una profundidad promedio de casi 3,700 metros (12,100 pies). [5] [6] [7]

Dado que el océano del mundo es el componente principal de la hidrosfera de la Tierra, es parte integral de la vida, forma parte del ciclo del carbono e influye en los patrones climáticos y meteorológicos. El océano es el hábitat de 230.000 especies conocidas, pero debido a que gran parte de él está inexplorado, el número de especies en el océano es mucho mayor, posiblemente más de dos millones. [8] Se desconoce el origen de los océanos de la Tierra. Una cantidad considerable de agua habría estado en el material que formó la Tierra. [9] Las moléculas de agua habrían escapado de la gravedad de la Tierra más fácilmente cuando era menos masiva durante su formación debido al escape atmosférico. Se cree que los océanos se formaron en el eón Hadeano y pueden haber sido la causa del surgimiento de la vida.

Existen numerosos problemas ambientales para los océanos que incluyen, por ejemplo, la contaminación marina, la sobrepesca, la acidificación de los océanos y otros efectos del cambio climático en los océanos.


1 respuesta 1

Respuesta corta

No creo que CO2 estará menos disponible para el fitoplancton a escala mundial en el futuro previsible. En cambio, creo que tarifas de concentraciones crecientes de CO2 (y los productos químicos resultantes) no se mantendrán sostenidos en sus niveles actuales.

Se están produciendo dos fenómenos de cambio global que son relevantes:

Como CO2 La concentración aumenta en la atmósfera, la difusión conducirá a concentraciones más altas también en las aguas del océano. La tasa de difusión está relacionada con las concentraciones relativas de CO2 tanto en aire como en agua.

El aumento de las temperaturas también puede afectar esta tasa de difusión de dos maneras:

El aumento de las temperaturas atmosféricas resulta en temperaturas más altas del agua superficial, lo que conduce a una menor mezcla de agua (es decir, estratificación del océano). Esto reduce funcionalmente el volumen en el que CO2 puede difundir y, por lo tanto, ralentizará la velocidad de difusión. (pero no disminución la cantidad de CO disuelto2).

El aumento de temperatura a menudo disminuye la solubilidad de los gases en el agua, y esta disminución de la solubilidad puede resultar en la liberación de gases de CO2. Sin embargo, la disminución de la mezcla de los estratos puede resultar en menos surgencia y por lo tanto menos emisión de gases.

Siempre que las temperaturas globales del océano no sean demasiado cálidas y el CO atmosférico2 no es demasiado bajo, parece que lo anterior dará como resultado una desaceleración global neta del CO2 absorción en los océanos pero no una reversión (es decir, pérdida de CO2). En otras palabras, no creo que el CO absoluto2 la disponibilidad de fitoplancton disminuirá, pero que sólo el índice de mayor disponibilidad disminuirá.

Respuesta larga

No tengo claro de inmediato a qué te refieres. Intentaré reaccionar con algunas cosas que se me ocurran. Mi respuesta es principalmente de naturaleza biogeoquímica, por lo que invito a otros a abordar esto fisiológicamente si es apropiado.

¿Estás seguro de que no malinterpretaste algo y es realmente el CO en declive?3 2- ¿sobre qué leíste? (mira aquí). Asumiendo que ese no es el caso, sigue leyendo.

Aumento de temperaturas mayo disminuir la absorción índice de CO2

Alternativamente, tal vez lea que a medida que los océanos se calientan, el agua puede absorber menos CO2 (como en el la tasa de absorción disminuirá).

Esto se debe a que el agua tibia no se mezcla tan bien con el agua inferior más fría, por lo que terminas sin mezclar las capas (lo que se denomina estratificación). Finalmente, la capa superficial se satura con CO2 y no puedo absorber más de la atmósfera. No es que esta capa superior de agua tenga menos CO2, sino que se satura tanto que no puede absorber más (lo que hace que tasa de absorción desistir).

  • En condiciones menos cálidas, las "capas" de agua no son tan diferentes en temperatura, por lo que pueden producirse más mezclas de capas. Como resultado, todo ese CO2 que se absorbe a nivel de la superficie se puede cambiar a capas inferiores de agua donde se almacenará por más tiempo. En otras palabras, con temperaturas superficiales más frías (y por lo tanto una mayor mezcla de capas), el volumen de agua que puede contener CO2 ya no es solo la superficie, sino una capa de agua mucho más gruesa. Resultado: más CO2 absorbido.

Entonces. el aumento de las temperaturas puede causar una menor mezcla de agua debido a una mayor estratificación (estratificación), lo que resulta en menos agua en el océano disponible para absorber y retener el CO2. Esto significa que como CO atmosférico2 continúa aumentando, la capa superficial de agua del océano que no se mezcla (que se saturará con CO2 en algún momento) no podrá mantenerse al día con más y más CO2 en el aire. Como resultado, el océano disminuirá (y eventualmente fallará potencialmente) en su capacidad de `` amortiguar '' el CO cada vez mayor.2 en el aire. Esto significaría que la tasa de CO2 en el aire comenzará a aumentar más rápidamente (ya que los océanos absorben cada vez menos).

En cuanto al fitoplancton (que se encuentra en esta capa superior de agua), esta estratificación no resultará directamente en menos CO2 disponibilidad para ellos. Como CO atmosférico2 aumenta, también lo hará la cantidad en esta capa superior de agua. La tasa de aumento de CO2 la concentración simplemente disminuirá hasta que se alcance un punto de saturación, pero los niveles absolutos no disminuirán.

  • Sin embargo, tenga en cuenta, sin embargo, que el fitoplancton tiende a prosperar en áreas de altos nutrientes (es decir, zonas de afloramiento). Una menor mezcla de aguas disminuirá la afluencia de aguas subterráneas más frías y ricas en nutrientes. Por lo tanto, una menor mezcla (es decir, más estratificación) probablemente conduciría a una disminución en la abundancia de fitoplancton debido a la menor disponibilidad de nutrientes. (Mira aquí). ¿Quizás esta menor disponibilidad de nutrientes (que incluiría la pérdida de fuentes de carbono) está relacionada con lo que se refiere?

Aumento de temperaturas mayo disminuir CO2 solubilidad

Sin embargo, dado todo esto, la solubilidad de CO2 en agua lo hace disminuyen con el aumento de la temperatura (consulte aquí los datos sin procesar). Esto sugiere que un cierto aumento en las temperaturas globales puede afectar el CO2 concentración en aguas oceánicas.

La causa de esta disminución de la solubilidad con el aumento de temperatura se debe al desequilibrio de un estado de equilibrio de energía libre requerido para disolver / liberar gases dentro / fuera del agua. Desde la disolución del CO2 en el agua es una reacción exotérmica (es decir, una que libera calor), cualquier adición de calor conducirá a un mayor favorecimiento de la opuesto reacción endotérmica (liberación de gases disueltos en este caso). En términos más químicos, el calor agregado a la solución proporciona energía para superar las fuerzas de atracción entre el CO2 y las moléculas de disolvente (es decir, agua). El resultado es una menor solubilidad. Consulte aquí y aquí para obtener más explicaciones. (La presión parcial de los gases también se ve afectada por el aumento de las temperaturas, por lo que investigar la Ley de Henry también podría ser pertinente para su investigación (este enlace que encontré explica rápidamente un poco de la física / química)).

  • Sin embargo, para complicar aún más todo esto, no todo el CO2 absorbido por el agua del océano permanece como dióxido de carbono. Gran parte de él sufre reacciones para convertirse en ácido carbónico, carbonato, etc. (ver aquí). Esto significa que el estado de equilibrio es más complejo de modelar o comprender que simplemente examinar estos efectos sobre el CO2 en agua en un entorno de laboratorio controlado.

Este hecho de solubilidad, en combinación con la mezcla de capas de arriba, es la razón por la que las aguas polares tienden a absorber más CO2 y las aguas ecuatoriales tienden a emitir más CO2

En los océanos del mundo, el Atlántico norte y los océanos del sur actúan como principales sumideros de CO2 porque son mas frios. Además, el agua fría es más densa que el agua tibia, lo que hace que se hunda. El dióxido de carbono absorbido en la superficie se puede transportar de manera efectiva a aguas más profundas por convección, por lo tanto, el CO2 se almacena en las capas inferiores del océano.

Por otro lado, las aguas cálidas ecuatoriales tienden a liberar CO2 en la atmósfera. En estas regiones surgencia de CO2-Ocurre aguas profundas ricas. Cuando el agua llega a la superficie, se calienta y disminuye la solubilidad del gas, lo que lleva a la desgasificación del CO.2 .

Sin embargo, tenga en cuenta que si hay una mayor estratificación del agua (es decir, menos mezcla) como se describió anteriormente, tal afloramiento podría en realidad disminución. Esto resultaría en atrapar más CO2 en aguas más frías en lugar de calentar esas aguas a medida que suben a la superficie y liberar ese CO2 de vuelta a la atmósfera. (Ni siquiera comenzaremos a discutir cómo las corrientes oceánicas en general se verán afectadas por los cambios de temperatura).

Para agregar aún más complicación, a medida que las aguas se calientan, el hielo se derretirá y provocará (al menos temporalmente) aumentado mezcla de aguas oceánicas !! (mira aquí). Si la disminución de la temperatura debido al derretimiento del hielo es lo suficientemente grande como para combatir el aumento de la temperatura de la superficie, entonces quizás durante algún período se produzca una mayor mezcla y liberación de gases.

Resultados finales

¿Qué significa todo esto para el cambio climático? Bueno, como CO atmosférico2 aumenta, hará que los océanos sean más ácidos (debido al ácido carbónico). En otras palabras, si mantenemos la temperatura constante, más CO atmosférico2 significa más CO en el océano2. (Puede ver eso en mis dos enlaces anteriores, nuevamente, aquí (que muestra la concentración de CO2 en el océano en el eje Y) y aquí).

Sin embargo, a medida que la tierra se calienta, las temperaturas del agua se calentarán. Esto significa menos mezcla y por lo tanto menos CO neto2 absorción. También significa que las aguas superficiales más cálidas no retendrán tanto CO2 debido a su reducida solubilidad, lo que resultará en una mayor `` liberación de gases '' de algo de CO2. La combinación de estas dos cosas significa esencialmente que la tasa de CO2 Es probable que el aumento de la atmósfera se acelere.

Pero, ¿cuál es el impacto neto en los océanos? (y por lo tanto en plancton)

Bueno, en lo que respecta a los océanos en sí, es probable que exista algún punto de inflexión calculable en el que la mayor concentración de CO2 en la atmósfera (y por lo tanto, una mayor presión de difusión) no supera la reducida solubilidad del CO2 (debido a temperaturas más altas y menos mezcla). A cualquier temperatura que ocurra ese punto de inflexión, supongo que el CO2 en los océanos puede / disminuirá en lugar de aumentar. Sin embargo, en realidad, los gases se mueven constantemente de un lado a otro entre la atmósfera y el océano, por lo que es poco probable que el agua del océano se caliente tanto que haya un movimiento neto fuera del agua, pero probablemente solo una disminución en la tasa de absorción adicional.

A un nivel más local, si el fitoplancton vive en una región del océano especialmente cálida, es posible que la emisión de CO2 aumenta en esas regiones debido a la disminución de la solubilidad como se describió anteriormente. Sin embargo, nuevamente, si la concentración de CO2 en la atmósfera y la temperatura de la atmósfera siguen aumentando, entonces estos efectos anularían (al menos parcialmente) el aumento de la emisión de gases debido a la reducción de CO2 solubilidad. Nuevamente, modelar cuándo ocurriría esto es demasiado complicado para mí para resolverlo en esta publicación, pero estoy seguro de que tenemos expertos trabajando en el cálculo de este & punto de cita & quot mientras hablamos.

  • Una vez más, el problema más importante para el fitoplancton es probablemente la menor afluencia de agua rica en nutrientes debido a una mayor estratificación mediada por el clima de la columna oceánica.

Pensamientos finales

Dado todos De esta explicación, la investigación de núcleos de hielo de Pedro, Rasmussen y van Ommen (2012) (resumida aquí) sugiere que después de solo unos pocos cientos de años de calentamiento, el CO2 las concentraciones parecen disminuir en los núcleos de hielo. Esto puede sugerir que tal vez una liberación neta de CO2 es posible dentro de unos cien años. Nuevamente, este & quot; punto de inflexión & quot es probablemente calculable, pero es demasiado complicado para mí averiguarlo para una publicación de stackexchange p.


Temperatura

Con la excepción de los respiraderos hidrotermales (manantiales naturales que liberan agua tibia o caliente en el fondo marino) en las profundidades del océano, el rango de temperaturas en el océano es mucho más estrecho que el que se encuentra en la tierra. Las temperaturas de la tierra varían desde más de 120 ° F (49 ° C) hasta muy por debajo del punto de congelación. El agua del océano rara vez está por encima de los 80 ° F (27 ° C) en aguas tropicales y nunca por debajo de los 30 ° F (–1,9 ° C), ya que el agua del océano se congela a esa temperatura. Las temperaturas comunes del agua en aguas templadas (aguas que no están expuestas a climas extremadamente fríos o calientes) rondan los 60 ° F (16 ° C).

La mayoría de los animales, incluida la mayoría de los peces, que viven en el océano son ectotérmicos, lo que significa que su temperatura corporal es cercana a la del agua en la que viven. La palabra raíz ecto significa "afuera" y la palabra raíz termia significa "temperatura". Para estos animales, su tasa metabólica (la velocidad a la que ocurren los procesos bioquímicos en un organismo) está relacionada con la temperatura del agua en la que vive el animal. Por ejemplo, si dos peces de exactamente la misma especie y tamaño se colocan en dos acuarios, pero uno está tres grados más caliente que el otro, los peces en el acuario más cálido comerán más, tendrán una frecuencia cardíaca más rápida y nadarán más rápido.


Contenido

Es probable que los animales marinos hayan utilizado el sonido submarino durante millones de años. La ciencia de la acústica subacuática comenzó en 1490, cuando Leonardo da Vinci escribió lo siguiente: [1]

"Si hace que su barco se detenga y coloque la cabeza de un tubo largo en el agua y coloque el extremo exterior en su oído, oirá los barcos a gran distancia de usted".

En 1687 Isaac Newton escribió su Principios matemáticos de la filosofía natural que incluyó el primer tratamiento matemático del sonido. El siguiente gran paso en el desarrollo de la acústica subacuática fue realizado por Daniel Colladon, un físico suizo, y Charles Sturm, un matemático francés. En 1826, en el lago de Ginebra, midieron el tiempo transcurrido entre un destello de luz y el sonido de la campana de un barco sumergido que se escuchó con una bocina de escucha submarina. [2] Midieron una velocidad del sonido de 1435 metros por segundo en una distancia de 17 kilómetros (Km), proporcionando la primera medición cuantitativa de la velocidad del sonido en el agua. [3] El resultado que obtuvieron estuvo dentro de aproximadamente el 2% de los valores aceptados actualmente. En 1877 Lord Rayleigh escribió el Teoría del sonido y estableció la teoría acústica moderna.

El hundimiento de Titánico en 1912 y el comienzo de la Primera Guerra Mundial proporcionaron el ímpetu para la próxima ola de progreso en acústica subacuática. Se desarrollaron sistemas para detectar icebergs y submarinos. Entre 1912 y 1914, se concedieron varias patentes de ecolocalización en Europa y Estados Unidos, que culminaron con el eco-guardabosques de Reginald A. Fessenden en 1914. Durante este tiempo, Paul Langevin llevó a cabo un trabajo pionero en Francia y AB Wood y en Gran Bretaña. asociados. [4] El desarrollo tanto del ASDIC activo como del sonar pasivo (SOund Navigation And Ranging) avanzó rápidamente durante la guerra, impulsado por los primeros despliegues a gran escala de submarinos. Otros avances en acústica subacuática incluyeron el desarrollo de minas acústicas.

En 1919, se publicó el primer artículo científico sobre acústica subacuática [5], que describe teóricamente la refracción de las ondas sonoras producidas por los gradientes de temperatura y salinidad en el océano. Las predicciones de rango del documento se validaron experimentalmente mediante mediciones de pérdida de propagación.

Las siguientes dos décadas vieron el desarrollo de varias aplicaciones de la acústica subacuática. El sonómetro, o sonda de profundidad, se desarrolló comercialmente durante la década de 1920. Originalmente, se utilizaron materiales naturales para los transductores, pero en la década de 1930, los sistemas de sonar que incorporaban transductores piezoeléctricos hechos de materiales sintéticos se usaban para sistemas de escucha pasivos y para sistemas de alcance de eco activo. Estos sistemas se utilizaron con buenos resultados durante la Segunda Guerra Mundial tanto por submarinos como por buques antisubmarinos. Se realizaron muchos avances en acústica subacuática que se resumieron más adelante en la serie. Física del sonido en el mar, publicado en 1946.

Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de los sistemas de sonar fue impulsado en gran parte por la Guerra Fría, lo que resultó en avances en la comprensión teórica y práctica de la acústica submarina, con la ayuda de técnicas basadas en computadora.

Ondas sonoras en el agua, fondo del mar Editar

Una onda de sonido que se propaga bajo el agua consiste en alternar compresiones y rarefacciones del agua. Estas compresiones y rarefacciones son detectadas por un receptor, como el oído humano o un hidrófono, como cambios de presión. Estas ondas pueden ser creadas por el hombre o generadas naturalmente.

Velocidad del sonido, densidad e impedancia Editar

El producto de c < displaystyle c> y ρ < displaystyle rho ,> de la fórmula anterior se conoce como impedancia acústica característica. La potencia acústica (energía por segundo) que cruza el área de la unidad se conoce como la intensidad de la onda y para una onda plana, la intensidad promedio viene dada por I = q 2 / (ρ c) < displaystyle I = q ^ <2> / ( rho c) ,>, donde q < displaystyle q ,> es la raíz cuadrada media de la presión acústica.

A 1 kHz, la longitud de onda en el agua es de aproximadamente 1,5 m. A veces se utiliza el término "velocidad del sonido", pero es incorrecto ya que la cantidad es un escalar.

El gran contraste de impedancia entre el aire y el agua (la relación es de aproximadamente 3600) y la escala de rugosidad de la superficie significa que la superficie del mar se comporta como un reflector de sonido casi perfecto a frecuencias por debajo de 1 kHz. La velocidad del sonido en el agua supera a la del aire en un factor de 4,4 y la relación de densidad es de aproximadamente 820.

Absorción de sonido Editar

La absorción del sonido de baja frecuencia es débil. [6] (ver Guías técnicas - Cálculo de la absorción de sonido en agua de mar para una calculadora en línea). La principal causa de atenuación del sonido en agua dulce y a alta frecuencia en agua de mar (por encima de 100 kHz) es la viscosidad. Contribuciones adicionales importantes a una frecuencia más baja en el agua de mar están asociadas con la relajación iónica del ácido bórico (hasta c. 10 kHz) [6] y el sulfato de magnesio (c. 10 kHz-100 kHz). [7]

El sonido puede ser absorbido por pérdidas en los límites de los fluidos. Cerca de la superficie del mar se pueden producir pérdidas en una capa de burbujas o en hielo, mientras que en el fondo el sonido puede penetrar en el sedimento y ser absorbido.

Reflexión y dispersión del sonido Editar

Interacciones de límites Editar

Tanto la superficie del agua como el fondo son límites reflectantes y de dispersión.

Edición de superficie

Para muchos propósitos, la superficie del aire y el mar puede considerarse un reflector perfecto. El contraste de impedancia es tan grande que poca energía puede cruzar este límite. Las ondas de presión acústica reflejadas desde la superficie del mar experimentan una inversión de fase, a menudo indicada como un "cambio de fase pi" o un "cambio de fase de 180 grados". Esto se representa matemáticamente asignando un coeficiente de reflexión de menos 1 en lugar de más uno a la superficie del mar. [8]

A alta frecuencia (por encima de aproximadamente 1 kHz) o cuando el mar está agitado, parte del sonido incidente se dispersa, y esto se tiene en cuenta asignando un coeficiente de reflexión cuya magnitud es menor que uno. Por ejemplo, cerca de la incidencia normal, el coeficiente de reflexión se convierte en R = - e - 2 k 2 h 2 sin 2 A < displaystyle R = -e ^ <- 2k ^ <2> h ^ <2> sin ^ <2> A >>, donde h es la altura de onda rms. [9]

Otra complicación es la presencia de burbujas o peces generados por el viento cerca de la superficie del mar. [10] Las burbujas también pueden formar columnas que absorben parte del incidente y el sonido disperso, y dispersan parte del sonido por sí mismas. [11]

Fondo marino Editar

El desajuste de impedancia acústica entre el agua y el fondo es generalmente mucho menor que en la superficie y es más complejo. Depende de los tipos de material del fondo y la profundidad de las capas. Se han desarrollado teorías para predecir la propagación del sonido en el fondo en este caso, por ejemplo, por Biot [12] y por Buckingham. [13]

En el objetivo Editar

El reflejo del sonido en un objetivo cuyas dimensiones son grandes en comparación con la longitud de onda acústica depende de su tamaño y forma, así como de la impedancia del objetivo en relación con la del agua. Se han desarrollado fórmulas para la fuerza del objetivo de varias formas simples en función del ángulo de incidencia del sonido. Se pueden aproximar formas más complejas combinando estas formas simples. [1]

Propagación de sonido Editar

La propagación acústica submarina depende de muchos factores. La dirección de propagación del sonido está determinada por los gradientes de velocidad del sonido en el agua. Estos gradientes de velocidad transforman la onda de sonido mediante refracción, reflexión y dispersión. En el mar, los gradientes verticales son generalmente mucho mayores que los horizontales. La combinación de esto con una tendencia a aumentar la velocidad del sonido a mayor profundidad, debido al aumento de la presión en las profundidades del mar, provoca una inversión del gradiente de velocidad del sonido en la termoclina, creando una guía de ondas eficiente en la profundidad, correspondiente a la velocidad mínima del sonido. El perfil de velocidad del sonido puede causar regiones de baja intensidad de sonido denominadas "zonas de sombra" y regiones de alta intensidad denominadas "cáusticas". Estos se pueden encontrar mediante métodos de trazado de rayos.

En el ecuador y las latitudes templadas del océano, la temperatura de la superficie es lo suficientemente alta como para revertir el efecto de la presión, de modo que se produce una velocidad mínima del sonido a una profundidad de unos pocos cientos de metros. La presencia de este mínimo crea un canal especial conocido como Canal de Sonido Profundo, anteriormente conocido como canal SOFAR (fijación y rango de sonido), que permite la propagación guiada del sonido submarino durante miles de kilómetros sin interacción con la superficie del mar o el lecho marino. Otro fenómeno en las profundidades marinas es la formación de áreas de enfoque de sonido, conocidas como Zonas de Convergencia. En este caso, el sonido se refracta hacia abajo desde una fuente cercana a la superficie y luego vuelve a subir. La distancia horizontal desde la fuente a la que esto ocurre depende de los gradientes de velocidad del sonido positivos y negativos. Un conducto de superficie también puede ocurrir en aguas profundas y moderadamente poco profundas cuando hay refracción ascendente, por ejemplo, debido a temperaturas superficiales frías. La propagación se produce mediante repetidos sonidos que rebotan en la superficie.

En general, a medida que el sonido se propaga bajo el agua, se produce una reducción de la intensidad del sonido en rangos crecientes, aunque en algunas circunstancias se puede obtener una ganancia debido al enfoque. Pérdida de propagación (a veces denominado pérdida de transmisión) es una medida cuantitativa de la reducción de la intensidad del sonido entre dos puntos, normalmente la fuente de sonido y un receptor distante. Si yo s < Displaystyle I_> es la intensidad del campo lejano de la fuente referida a un punto a 1 m de su centro acústico y I r < displaystyle I_> es la intensidad en el receptor, entonces la pérdida de propagación viene dada por [1] P L = 10 log ⁡ (I s / I r) < displaystyle PL = 10 log (I_/I_)>. En esta ecuación yo r < displaystyle I_> no es la verdadera intensidad acústica en el receptor, que es una cantidad vectorial, sino un escalar igual a la intensidad de onda plana equivalente (EPWI) del campo de sonido. El EPWI se define como la magnitud de la intensidad de una onda plana de la misma presión RMS que el campo acústico verdadero. A corto alcance, la pérdida de propagación está dominada por la dispersión, mientras que a largo alcance está dominada por las pérdidas por absorción y / o dispersión.

Estas dos definiciones no son exactamente equivalentes porque la impedancia característica en el receptor puede ser diferente a la de la fuente. Debido a esto, el uso de la definición de intensidad conduce a una ecuación de sonda diferente a la definición basada en una relación de presión. [15] Si la fuente y el receptor están ambos en el agua, la diferencia es pequeña.

Modelado de propagación Editar

La propagación del sonido a través del agua se describe mediante la ecuación de onda, con las condiciones de contorno adecuadas. Se han desarrollado varios modelos para simplificar los cálculos de propagación. Estos modelos incluyen teoría de rayos, soluciones en modo normal y simplificaciones de ecuaciones parabólicas de la ecuación de onda. [16] Cada conjunto de soluciones es generalmente válido y computacionalmente eficiente en un régimen de frecuencia y rango limitado, y también puede involucrar otros límites. La teoría de rayos es más apropiada a corto alcance y alta frecuencia, mientras que las otras soluciones funcionan mejor a largo alcance y baja frecuencia. [17] [18] [19] Varias fórmulas empíricas y analíticas también se han derivado de mediciones que son aproximaciones útiles. [20]

Reverberación editar

Los sonidos transitorios dan como resultado un fondo en decadencia que puede tener una duración mucho mayor que la señal transitoria original. La causa de este fondo, conocido como reverberación, se debe en parte a la dispersión de los límites aproximados y en parte a la dispersión de los peces y otra biota. Para que una señal acústica se detecte fácilmente, debe superar el nivel de reverberación y el nivel de ruido de fondo.

Desplazamiento Doppler Editar

Si un objeto subacuático se mueve en relación con un receptor subacuático, la frecuencia del sonido recibido es diferente de la del sonido irradiado (o reflejado) por el objeto. Este cambio de frecuencia se conoce como desplazamiento Doppler. El cambio se puede observar fácilmente en los sistemas de sonar activos, particularmente en los de banda estrecha, porque se conoce la frecuencia del transmisor y se puede calcular el movimiento relativo entre el sonar y el objeto. A veces, también se puede conocer la frecuencia del ruido radiado (un tonal), en cuyo caso se puede realizar el mismo cálculo para el sonar pasivo. Para los sistemas activos, el cambio de frecuencia es de 0,69 Hz por nudo por kHz y la mitad para los sistemas pasivos, ya que la propagación es solo en un sentido. El cambio corresponde a un aumento de frecuencia para un objetivo que se aproxima.

Fluctuaciones de intensidad Editar

Aunque el modelado de propagación acústica generalmente predice un nivel de sonido recibido constante, en la práctica existen fluctuaciones tanto temporales como espaciales. Estos pueden deberse a fenómenos ambientales tanto a pequeña como a gran escala. Estos pueden incluir la estructura fina del perfil de velocidad del sonido y las zonas frontales, así como las ondas internas. Debido a que, en general, existen múltiples rutas de propagación entre una fuente y un receptor, pequeños cambios de fase en el patrón de interferencia entre estas rutas pueden provocar grandes fluctuaciones en la intensidad del sonido.

No linealidad Editar

En el agua, especialmente con burbujas de aire, el cambio de densidad debido a un cambio de presión no es exactamente linealmente proporcional. Como consecuencia de una entrada de onda sinusoidal, se generan frecuencias armónicas y subarmónicas adicionales. Cuando se introducen dos ondas sinusoidales, se generan frecuencias de suma y diferencia. El proceso de conversión es mayor en niveles de fuente altos que en niveles pequeños. Debido a la no linealidad, la velocidad del sonido depende de la amplitud de la presión, de modo que los cambios grandes viajan más rápido que los pequeños. Por lo tanto, una forma de onda sinusoidal se convierte gradualmente en una forma de diente de sierra con una subida pronunciada y una cola gradual. Se hace uso de este fenómeno en el sonar paramétrico y se han desarrollado teorías para dar cuenta de esto, p. por Westerfield.

El sonido en el agua se mide con un hidrófono, que es el equivalente submarino de un micrófono. Un hidrófono mide las fluctuaciones de presión, y estas generalmente se convierten en nivel de presión sonora (SPL), que es una medida logarítmica de la presión acústica cuadrática media.

Las mediciones generalmente se informan en una de tres formas: -

    presión acústica en micropascales (o dB re 1 μPa)
  • Presión acústica RMS en un ancho de banda especificado, generalmente octavas o tercios de octava (dB re 1 μPa) (presión cuadrática media por unidad de ancho de banda) en micropascales al cuadrado por Hertz (dB ​​re 1 μPa 2 / Hz)

La escala de presión acústica en el agua difiere de la utilizada para el sonido en el aire. En el aire, la presión de referencia es de 20 μPa en lugar de 1 μPa. Para el mismo valor numérico de SPL, la intensidad de una onda plana (potencia por unidad de área, proporcional al cuadrado medio de la presión sonora dividida por la impedancia acústica) en el aire es aproximadamente 20 2 × 3600 = 1440 000 veces mayor que en el agua. Similarly, the intensity is about the same if the SPL is 61.6 dB higher in the water.

Sound speed Edit

Approximate values for fresh water and seawater, respectively, at atmospheric pressure are 1450 and 1500 m/s for the sound speed, and 1000 and 1030 kg/m 3 for the density. [21] The speed of sound in water increases with increasing pressure, temperature and salinity. [22] [23] The maximum speed in pure water under atmospheric pressure is attained at about 74 °C sound travels slower in hotter water after that point the maximum increases with pressure. [24] On-line calculators can be found at Technical Guides – Speed of Sound in Sea-Water and Technical Guides – Speed of Sound in Pure Water.

Absorption Edit

Many measurements have been made of sound absorption in lakes and the ocean [6] [7] (see Technical Guides – Calculation of absorption of sound in seawater for an on-line calculator).

Ambient noise Edit

Measurement of acoustic signals are possible if their amplitude exceeds a minimum threshold, determined partly by the signal processing used and partly by the level of background noise. Ambient noise is that part of the received noise that is independent of the source, receiver and platform characteristics. Thus it excludes reverberation and towing noise for example.

The background noise present in the ocean, or ambient noise, has many different sources and varies with location and frequency. [25] At the lowest frequencies, from about 0.1 Hz to 10 Hz, ocean turbulence and microseisms are the primary contributors to the noise background. [26] Typical noise spectrum levels decrease with increasing frequency from about 140 dB re 1 μPa 2 /Hz at 1 Hz to about 30 dB re 1 μPa 2 /Hz at 100 kHz. Distant ship traffic is one of the dominant noise sources [27] in most areas for frequencies of around 100 Hz, while wind-induced surface noise is the main source between 1 kHz and 30 kHz. At very high frequencies, above 100 kHz, thermal noise of water molecules begins to dominate. The thermal noise spectral level at 100 kHz is 25 dB re 1 μPa 2 /Hz. The spectral density of thermal noise increases by 20 dB per decade (approximately 6 dB per octave). [28]

Transient sound sources also contribute to ambient noise. These can include intermittent geological activity, such as earthquakes and underwater volcanoes, [29] rainfall on the surface, and biological activity. Biological sources include cetaceans (especially blue, fin and sperm whales), [30] [31] certain types of fish, and snapping shrimp.

Rain can produce high levels of ambient noise. However the numerical relationship between rain rate and ambient noise level is difficult to determine because measurement of rain rate is problematic at sea.

Reverberation Edit

Many measurements have been made of sea surface, bottom and volume reverberation. Empirical models have sometimes been derived from these. A commonly used expression for the band 0.4 to 6.4 kHz is that by Chapman and Harris. [32] It is found that a sinusoidal waveform is spread in frequency due to the surface motion. For bottom reverberation a Lambert's Law is found often to apply approximately, for example see Mackenzie. [33] Volume reverberation is usually found to occur mainly in layers, which change depth with the time of day, e.g., see Marshall and Chapman. [34] The under-surface of ice can produce strong reverberation when it is rough, see for example Milne. [35]

Bottom loss Edit

Bottom loss has been measured as a function of grazing angle for many frequencies in various locations, for example those by the US Marine Geophysical Survey. [36] The loss depends on the sound speed in the bottom (which is affected by gradients and layering) and by roughness. Graphs have been produced for the loss to be expected in particular circumstances. In shallow water bottom loss often has the dominant impact on long range propagation. At low frequencies sound can propagate through the sediment then back into the water.

Comparison with airborne sound levels Edit

As with airborne sound, sound pressure level underwater is usually reported in units of decibels, but there are some important differences that make it difficult (and often inappropriate) to compare SPL in water with SPL in air. These differences include: [37]

  • difference in reference pressure: 1 μPa (one micropascal, or one millionth of a pascal) instead of 20 μPa. [14]
  • difference in interpretation: there are two schools of thought, one maintaining that pressures should be compared directly, and the other that one should first convert to the intensity of an equivalent plane wave.
  • difference in hearing sensitivity: any comparison with (A-weighted) sound in air needs to take into account the differences in hearing sensitivity, either of a human diver or other animal. [38]

Human hearing Edit

Hearing sensitivity Edit

The lowest audible SPL for a human diver with normal hearing is about 67 dB re 1 μPa, with greatest sensitivity occurring at frequencies around 1 kHz. [39] This corresponds to a sound intensity 5.4 dB, or 3.5 times, higher than the threshold in air (see Measurements above).

Safety thresholds Edit

High levels of underwater sound create a potential hazard to human divers. [40] Guidelines for exposure of human divers to underwater sound are reported by the SOLMAR project of the NATO Undersea Research Centre. [41] Human divers exposed to SPL above 154 dB re 1 μPa in the frequency range 0.6 to 2.5 kHz are reported to experience changes in their heart rate or breathing frequency. Diver aversion to low frequency sound is dependent upon sound pressure level and center frequency. [42]

Other species Edit

Aquatic mammals Edit

Dolphins and other toothed whales are known for their acute hearing sensitivity, especially in the frequency range 5 to 50 kHz. [38] [43] Several species have hearing thresholds between 30 and 50 dB re 1 μPa in this frequency range. For example, the hearing threshold of the killer whale occurs at an RMS acoustic pressure of 0.02 mPa (and frequency 15 kHz), corresponding to an SPL threshold of 26 dB re 1 μPa. [44]

High levels of underwater sound create a potential hazard to marine and amphibious animals. [38] The effects of exposure to underwater noise are reviewed by Southall et al. [45]

Pescado Editar

The hearing sensitivity of fish is reviewed by Ladich and Fay. [46] The hearing threshold of the soldier fish, is 0.32 mPa (50 dB re 1 μPa) at 1.3 kHz, whereas the lobster has a hearing threshold of 1.3 Pa at 70 Hz (122 dB re 1 μPa). [44] The effects of exposure to underwater noise are reviewed by Popper et al. [47]

Sonar Edit

Sonar is the name given to the acoustic equivalent of radar. Pulses of sound are used to probe the sea, and the echoes are then processed to extract information about the sea, its boundaries and submerged objects. An alternative use, known as passive sonar, attempts to do the same by listening to the sounds radiated by underwater objects.

Underwater communication Edit

The need for underwater acoustic telemetry exists in applications such as data harvesting for environmental monitoring, communication with and between manned and unmanned underwater vehicles, transmission of diver speech, etc. A related application is underwater remote control, in which acoustic telemetry is used to remotely actuate a switch or trigger an event. A prominent example of underwater remote control are acoustic releases, devices that are used to return sea floor deployed instrument packages or other payloads to the surface per remote command at the end of a deployment. Acoustic communications form an active field of research [48] [49] with significant challenges to overcome, especially in horizontal, shallow-water channels. Compared with radio telecommunications, the available bandwidth is reduced by several orders of magnitude. Moreover, the low speed of sound causes multipath propagation to stretch over time delay intervals of tens or hundreds of milliseconds, as well as significant Doppler shifts and spreading. Often acoustic communication systems are not limited by noise, but by reverberation and time variability beyond the capability of receiver algorithms. The fidelity of underwater communication links can be greatly improved by the use of hydrophone arrays, which allow processing techniques such as adaptive beamforming and diversity combining.

Underwater navigation and tracking Edit

Underwater navigation and tracking is a common requirement for exploration and work by divers, ROV, autonomous underwater vehicles (AUV), manned submersibles and submarines alike. Unlike most radio signals which are quickly absorbed, sound propagates far underwater and at a rate that can be precisely measured or estimated. [50] It can thus be used to measure distances between a tracked target and one or multiple reference of baseline stations precisely, and triangulate the position of the target, sometimes with centimeter accuracy. Starting in the 1960s, this has given rise to underwater acoustic positioning systems which are now widely used.

Seismic exploration Edit

Seismic exploration involves the use of low frequency sound (< 100 Hz) to probe deep into the seabed. Despite the relatively poor resolution due to their long wavelength, low frequency sounds are preferred because high frequencies are heavily attenuated when they travel through the seabed. Sound sources used include airguns, vibroseis and explosives.

Weather and climate observation Edit

Acoustic sensors can be used to monitor the sound made by wind and precipitation. For example, an acoustic rain gauge is described by Nystuen. [51] Lightning strikes can also be detected. [52] Acoustic thermometry of ocean climate (ATOC) uses low frequency sound to measure the global ocean temperature.

Oceanography Edit

Large scale ocean features can be detected by acoustic tomography. Bottom characteristics can be measured by side-scan sonar and sub-bottom profiling.

Marine biology Edit

Due to its excellent propagation properties, underwater sound is used as a tool to aid the study of marine life, from microplankton to the blue whale. Echo sounders are often used to provide data on marine life abundance, distribution, and behavior information. Echo sounders, also referred to as hydroacoustics is also used for fish location, quantity, size, and biomass.

Acoustic telemetry is also used for monitoring fish and marine wildlife. An acoustic transmitter is attached to the fish (sometimes internally) while an array of receivers listen to the information conveyed by the sound wave. This enables the researchers to track the movements of individuals in a small-medium scale. [53]

Pistol shrimp create sonoluminescent cavitation bubbles that reach up to 5,000 K (4,700 °C) [54]

Particle physics Edit

A neutrino is a fundamental particle that interacts very weakly with other matter. For this reason, it requires detection apparatus on a very large scale, and the ocean is sometimes used for this purpose. In particular, it is thought that ultra-high energy neutrinos in seawater can be detected acoustically. [55]


3.2. Standing Waves and Musical Instruments *

Musical tones are produced by musical instruments, or by the voice, which, from a physics perspective, is a very complex wind instrument. So the physics of music is the physics of the kinds of sounds these instruments can make. What kinds of sounds are these? They are tones caused by standing waves produced in or on the instrument. So the properties of these standing waves, which are always produced in very specific groups, or series, have far-reaching effects on music theory.

Most sound waves, including the musical sounds that actually reach our ears, are not standing waves. Normally, when something makes a wave, the wave travels outward, gradually spreading out and losing strength, like the waves moving away from a pebble dropped into a pond.

But when the wave encounters something, it can bounce (reflection) or be bent (refraction). In fact, you can "trap" waves by making them bounce back and forth between two or more surfaces. Musical instruments take advantage of this they produce pitches by trapping sound waves.

Why are trapped waves useful for music? Any bunch of sound waves will produce some sort of noise. But to be a tono - a sound with a particular pitch - a group of sound waves has to be very regular, all exactly the same distance apart. That's why we can talk about the frequency and wavelength of tones.

So how can you produce a tone? Let's say you have a sound wave trap (for now, don't worry about what it looks like), and you keep sending more sound waves into it. Picture a lot of pebbles being dropped into a very small pool. As the waves start reflecting off the edges of the pond, they interfere with the new waves, making a jumble of waves that partly cancel each other out and mostly just roils the pond - noise.

But what if you could arrange the waves so that reflecting waves, instead of cancelling out the new waves, would reinforce them? The high parts of the reflected waves would meet the high parts of the oncoming waves and make them even higher. The low parts of the reflected waves would meet the low parts of the oncoming waves and make them even lower. Instead of a roiled mess of waves cancelling each other out, you would have a pond of perfectly ordered waves, with high points and low points appearing regularly at the same spots again and again. To help you imagine this, here are animations of a single wave reflecting back and forth and standing waves.

This sort of orderliness is actually hard to get from water waves, but relatively easy to get in sound waves, so that several completely different types of sound wave "containers" have been developed into musical instruments. The two most common - strings and hollow tubes - will be discussed below, but first let's finish discussing what makes a good standing wave container, and how this affects music theory.

In order to get the necessary constant reinforcement, the container has to be the perfect size (length) for a certain wavelength, so that waves bouncing back or being produced at each end reinforce each other, instead of interfering with each other and cancelling each other out. And it really helps to keep the container very narrow, so that you don't have to worry about waves bouncing off the sides and complicating things. So you have a bunch of regularly-spaced waves that are trapped, bouncing back and forth in a container that fits their wavelength perfectly. If you could watch these waves, it would not even look as if they are traveling back and forth. Instead, waves would seem to be appearing and disappearing regularly at exactly the same spots, so these trapped waves are called standing waves.

Although standing waves are harder to get in water, the phenomenon does apparently happen very rarely in lakes, resulting in freak disasters. You can sometimes get the same effect by pushing a tub of water back and forth, but this is a messy experiment you'll know you are getting a standing wave when the water suddenly starts sloshing much higher - right out of the tub!

For any narrow "container" of a particular length, there are plenty of possible standing waves that don't fit. But there are also many standing waves that do fit. The longest wave that fits it is called the fundamental. También se le llama first harmonic. The next longest wave that fits is the second harmonic, o la first overtone. The next longest wave is the third harmonic, o second overtone, etcétera.

Figura 3.7. Standing Wave Harmonics

Notice that it doesn't matter what the length of the fundamental is the waves in the second harmonic must be half the length of the first harmonic that's the only way they'll both "fit". The waves of the third harmonic must be a third the length of the first harmonic, and so on. This has a direct effect on the frequency and pitch of harmonics, and so it affects the basics of music tremendously. To find out more about these subjects, please see Frequency, Wavelength, and Pitch, Harmonic Series, or Musical Intervals, Frequency, and Ratio.

Standing Waves on Strings

You may have noticed an interesting thing in the animation of standing waves: there are spots where the "water" goes up and down a great deal, and other spots where the "water level" doesn't seem to move at all. All standing waves have places, called nodos, where there is no wave motion, and antinodes, where the wave is largest. It is the placement of the nodes that determines which wavelengths "fit" into a musical instrument "container".

Figura 3.8. Nodes and Antinodes

One "container" that works very well to produce standing waves is a thin, very taut string that is held tightly in place at both ends. (There were some nice animations of waves on strings available as of this writing at Musemath.) Since the string is taut, it vibrates quickly, producing sound waves, if you pluck it, or rub it with a bow. Since it is held tightly at both ends, that means there has to be a node at each end of the string. Instruments that produce sound using strings are called chordophones, or simply strings.

Figura 3.9. Standing Waves on a String

The fundamental wave is the one that gives a string its pitch. But the string is making all those other possible vibrations, too, all at the same time, so that the actual vibration of the string is pretty complex. The other vibrations (the ones that basically divide the string into halves, thirds and so on) produce a whole series of harmonics. We don't hear the harmonics as separate notes, but we do hear them. They are what gives the string its rich, musical, string-like sound - its timbre. (The sound of a single frequency alone is a much more mechanical, uninteresting, and unmusical sound.) To find out more about harmonics and how they affect a musical sound, see Harmonic Series.

When the string player puts a finger down tightly on the string,


5. Ocean Dead Zones Are Everywhere, and Growing

Dead zones are swaths of ocean that don't support life due to hypoxia, or a lack of oxygen. Global warming is a prime suspect for what's behind the shifts in ocean behavior that cause dead zones. The number of dead zones is growing at an alarming rate, with over 500 known to exist, and the number is expected to grow.

Dead zone research underscores the interconnectedness of our planet. It appears that crop biodiversity on land could help prevent dead zones in the ocean by reducing or eliminating the use of fertilizers and pesticides that run off into the open ocean and are part of the cause of dead zones.   Knowing what we dump into the oceans is important in being aware of our role in creating areas of lifelessness in an ecosystem upon which we depend.


Towards an ‘Oceans Systems Biology'

The twentieth century has largely been a ‘reductionist century' in biological sciences. With the successes of physics and chemistry, molecular biology was dominated by the idea that Nature could be understood by reducing its complexity to that of molecular interactions, if not to the fundamental principles of quantum mechanics. However, complex systems, and living organisms in particular, emerge from dynamical processes occurring simultaneously at various spatio-temporal scales. This requires a conceptual framework capable of bridging scales to explain the emergence of complexity. Although the analysis of individual interactions between a small number of molecules is useful to explain simple causal relationships, understanding what is life requires a more holistic approach. This has been progressing slowly over the past 20 years with the rise of systems biology. Operationally, systems biology is by essence interdisciplinary and aims to understand how interactions between populations of molecules, cells and organisms give rise to complex biological processes such as cell division, developmental, behavioral and ecological patterns.

To apply such approaches to the study of biological systems, a series of conceptual and technological ‘toolboxes' has been developed (Box 1). Fascinatingly, these various approaches can be applied at any organization level of living organisms, from molecular interactions to the patterning of ecosystems and evolution.

Technological and conceptual tools in systems biology

Systems biology requires methods for the acquisition and organization of complex quantitative data sets. Such data are then used to build integrative models explaining how complex behaviors emerge from interactions between large sets of components. The Systems Biology toolbox includes the following four broad categories of approaches:

High-throughput quantitative methods: imaging, ‘omics', phenotyping, associated with high information content data processing and storage.

Biochemical and physical data acquisition methods to determine quantitative parameters associated with molecules, cells, groups of cells, organisms and populations.

Network theory and bioinformatics to analyze large-scale computational representations of complex systems.

Physics models involving a combination of statistical and soft matter physics.

Before metazoans appeared, life evolved in the oceans for more than 2.5 billion years as a world of unicellular organisms composed of viruses, bacteria and protists. The massive number of these microorganisms still represents today more than 98% of life in the oceans. These organisms are a key actor of our planet's ecology. Not only do we originate from them through cellular and developmental evolution, but we also owe our existence to their impact on the chemistry of our atmosphere. Without them, there would be no O2, no oil and no twenty first century scientists to think about it. Yet we know virtually nothing of these microscopic ecosystems. Quantitative data on the relative composition in viruses, bacteria, protists and metazoans of the oceanic drifting organisms collectively named ‘plankton' are missing. It remains largely unknown how the various species in these kingdoms are distributed and interact as a function of environmental parameters. Such biogeographical data have been difficult to obtain because of technical limitations associated with oceanic sampling and because the required high-throughput methods were lacking. Until 5 years ago, sequencing methods were too expensive, too slow and not sensitive enough. Quantitative, automated imaging methods to identify protists and metazoans were still in their infancy. Data storage, informatics and bioinformatics were limiting and tools borrowed from physics for the analysis of complex dynamical systems were just being applied to the fields of cell and developmental biology. Since a couple of years these approaches have considerably matured and can now be applied to ocean biology.

One of the great challenges in ocean biology is to understand how populations of organisms are structured by their interaction with the environment and how such complex systems have evolved. Oceans are not homogeneous they are structured by rotating currents or gyres, generated by temperature gradients, the rotation of the earth and the position of the continents. There are great variations, both in time and in space, of temperature, oxygen content, pH, nutrients, light and so on. The degree of mixing between surface layers and the deep ocean also varies dramatically. This great diversity of environments and, at the same time, the transport of species from one environment to the next is reminiscent of the great changes that occurred during evolutionary times. This is a typical systems biology problem that requires the integration of quantitative systematic data obtained from imaging and large-scale metagenomics and metatranscriptomics efforts with high-content environmental data.


Contaminación marítima

Marine pollution is a combination of chemicals and trash, most of which comes from land sources and is washed or blown into the ocean. This pollution results in damage to the environment, to the health of all organisms, and to economic structures worldwide.

Biología, Ecología, Ciencias de la Tierra, Oceanografía

Water Pollution

Pollutants are dumped into the ocean. This waste affects the daily life of fish and other marine creatures.

Aquí se enumeran los logotipos de los programas o socios de NG Education que han proporcionado o contribuido con el contenido de esta página. Energizado por

Marine pollution is a growing problem in today&rsquos world. Our ocean is being flooded with two main types of pollution: chemicals and trash.

Chemical contamination, or nutrient pollution, is concerning for health, environmental, and economic reasons. This type of pollution occurs when human activities, notably the use of fertilizer on farms, lead to the runoff of chemicals into waterways that ultimately flow into the ocean. The increased concentration of chemicals, such as nitrogen and phosphorus, in the coastal ocean promotes the growth of algal blooms, which can be toxic to wildlife and harmful to humans. The negative effects on health and the environment caused by algal blooms hurt local fishing and tourism industries.

Marine trash encompasses all manufactured products&mdashmost of them plastic&mdashthat end up in the ocean. Littering, storm winds, and poor waste management all contribute to the accumulation of this debris, 80 percent of which comes from sources on land. Common types of marine debris include various plastic items like shopping bags and beverage bottles, along with cigarette butts, bottle caps, food wrappers, and fishing gear. Plastic waste is particularly problematic as a pollutant because it is so long-lasting. Plastic items can take hundreds of years to decompose.

This trash poses dangers to both humans and animals. Fish become tangled and injured in the debris, and some animals mistake items like plastic bags for food and eat them. Small organisms feed on tiny bits of broken-down plastic, called microplastic, and absorb the chemicals from the plastic into their tissues. Microplastics are less than five millimeters (0.2 inches) in diameter and have been detected in a range of marine species, including plankton and whales. When small organisms that consume microplastics are eaten by larger animals, the toxic chemicals then become part of their tissues. In this way, the microplastic pollution migrates up the food chain, eventually becoming part of the food that humans eat.

Solutions for marine pollution include prevention and cleanup. Disposable and single-use plastic is abundantly used in today&rsquos society, from shopping bags to shipping packaging to plastic bottles. Changing society&rsquos approach to plastic use will be a long and economically challenging process. Cleanup, in contrast, may be impossible for some items. Many types of debris (including some plastics) do not float, so they are lost deep in the ocean. Plastics that do float tend to collect in large &ldquopatches&rdquo in ocean gyres. The Pacific Garbage Patch is one example of such a collection, with plastics and microplastics floating on and below the surface of swirling ocean currents between California and Hawaii in an area of about 1.6 million square kilometers (617,763 square miles), although its size is not fixed. These patches are less like islands of trash and, as the National Oceanic and Atmospheric Administration says, more like flecks of microplastic pepper swirling around an ocean soup. Even some promising solutions are inadequate for combating marine pollution. So-called &ldquobiodegradable&rdquo plastics often break down only at temperatures higher than will ever be reached in the ocean.

Nonetheless, many countries are taking action. According to a 2018 report from the United Nations, more than sixty countries have enacted regulations to limit or ban the use of disposable plastic items.

Pollutants are dumped into the ocean. This waste affects the daily life of fish and other marine creatures.


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