BAB5

(Cahaya dan bunyi dalam air laut)

Transmisi Cahaya Dalam Air Laut (underwater light):

q Cahaya adalah bahagian radiasi EM boleh lihat (visible light) (rujuk spektrum EM). Komposisi cahaya boleh lihat: merah, jingga (orange), kuning, biru dan lembayung (violet). Jarak gelombang terpanjang (utk. bahagian boleh lihat) adalah merah & terpendek adalah lembayung.

q Cahaya bergerak pada kelajuan ~ 3 x 10⁸ ms^-1 dalam vakum (vacuum) dan menjadi perlahan di dalam air iaitu dgn. kelajuan ~2.2 x 10⁸ ms^-1.

q Cahaya yang merambat dalam air laut mengalami kesusutan keamatan (intensity) secara eksponensial (attenuation). Ini disebabkan oleh 2 factor: Penyerapan dan Penyerakan.

q 60% diserap pada kedalaman 1 meter pertama, selepas 10 m 80% akan diserap. 1% akan sampai ke kedalaman 150m (kurang jika air keruh). 0% akan sampai pada kedalaman 1000m.

q Kadar pencerapan bergantung kpd. panjang gelombang. Cahaya pada spektrum hujung warna merah (panjang) diserap dengan cepat di antara kedalaman 10m. Cahaya gelombang pendek (sebelah biru-lembayung) boleh mencapai kedalaman yang tinggi.

q Jika air laut kelihatan biru, maka air jernih & tiada kehidupan (lifeless). Jika hijau maka banyak alga/rumpair/pitoplankton (produktiviti tinggi). Jika kuning banyak bahan organik terlarut & mendepan.

q Air di persisiran pantai mungkin kelihatan hijau, kuning, merah, atau keperangan. Lautan terbuka (jauh dari pantai) kelihatan biru.

Penyerapan (Absorption)

q Proses penyerapan berlaku di mana tenaga EM ditukar kepada lain-lain bentuk tenaga spt. haba atau tenaga kimia (spt. fotosentisis)

q Penyerap cahaya dalam air laut:

•Air sendiri

•Molekul garam

•Rumpair/Alga (photosynthetic plankton)

•zarah organik dan bukan organik (Inorganic and organic particulate matter - excl. algae)

•bahan-bahan organik yang terlarut (Dissolved organic matter)

Penyerakan (Scattering):

q Berlaku akibat penukaran arah kerana pembalikan berganda (multiple reflections) oleh zarah terampai.

q Lebih halus zarah terampai maka lebih besar sudut penyerakan.

q Di kawasan persisiran pantai jumlah zarah terampai tinggi yg dibawa oleh sungai dan kekal terampai akibat tindakan ombak dan pasang-surut. Keadaan air yg keruh meningkatkan penyerapan dan penyerakan cahaya.

Pengukuran Cahaya Dalam Air laut:

4 kaedah:

1. “Beam Transmissometers” – mengukur kesusutan keamatan pancaran cahaya selari dari sumber cahaya dgn intensiti dan jarak diketahui.

2. “Irradiance meter” – menerima cahaya dari semua arah. Boleh mengukur pengurangan keamatan cahaya “downwelling irridiance” secara eksponensial & menentukan zon photik (photic).

(zon photik adalah zon di mana keamatan cahaya cukup untuk tumbesaran pitoplankton, boleh mencapai 200m di kawasan jernih.

Antara zon photik dan dasar lautan adalah zon aphotik iaitu zon di mana keamatan cahaya tidak mencukupi untuk kehidupan)

3. Nephelometer (atau Meter Turbiditi) – mengukur penyerakan cahaya dalam air laut secara terus & dgn itu turbiditi air laut. Maklumat mengenai taburan dan halaju arus di dasar boleh diperolehi berdasarkan pengukuran ini.

4. “Sechhi Disk” – piring berwarna putih, garispusat 20-30sm. Diturunkan ke dalam air laut sehingga tidak kelihatan & kedalaman dipanggil Kedalaman Sechhi, Z_s.

Transmisi Bunyi dalam air laut:

q Walaupun bunyi dan cahaya merambat sebagai gelombang, tetapi kedua-duanya berbeza. Cahaya adalah EM & paling efisien dalam vakum & menurun apabila ketumpatan media meningkat.

q Bunyi atau tenaga akustik melibatkan getaran (vibration) media & dengan itu efisien dlm pepejal dan cecair dan kurang dalam udara & tidak boleh dalam vakum.

q Kelajuan bunyi, c, adalah 1450 m/s di dalam air laut berbanding 334 m/s di atmosfera. Kelajuan bunyi c bertambah dgn. ketumpatan air laut yg dipengaruhi oleh suhu, tekanan & saliniti.

q Formula empirik c pada julat suhu ~ 6 – 17^oC adalah:

di mana T, suhu, S, Saliniti, d kedalaman dan P µ d.

q Walaupun dipengaruhi oleh T, P dan S, profil c mengikut suhu adalah berbeza. Di lapisan bercampur, T & S agak seragam & c lebih dipengaruhi oleh P iaitu berlaku peningkatan c (Zon1). Di kawasan termoklin (haloklin), c dikawal oleh perubahan mendadak T & S dan berlaku penurunan c (Zon 2). Zon selepas termoklin, S dan T hampir seragam, peningkatan c didominasikan P.

q Bunyi terbias ke zon yang mempunyai nilai c yang rendah. Ini menwujudkan saluran bunyi (Sound Channel) yg bertindak sebagai ‘wave guide’ untuk gelombang bunyi merambat dalam lautan.

Penggunaan Tenaga Akustik Dalam Lautan:

q Kekurangan utama penggunaan gelombang bunyi berbanding cahaya di dalam lautan adalah panjang gelombang yang panjang (dan frekuensi rendah). Ini bermakna resolusi rendah & hanya boleh mengesan objek bersaiz besar.

q Terdapat 4 aplikasi utama gelombang bunyi dalam lautan:

1. Sistem akustik pasif.

Melibatkan penggunaan alat – hydrophone – utk mendengar bunyi-bunyian dlm lautan (ikan paus, lumba-lumba, kapal selam dsb). Analisis spektrum boleh mengenal pasti bunyi-bunyi tersebut.

Penggunaan 2 – 4 adalah bersifat aktif.

2. Sonar (Sound Navigation And Ranging)

Isyarat akustik ditujukan dan pembalikan dari objek dalam air (ikan atau kapal selam) atau dasar lautan.

“Eco-sounding” menggunakan prinsip yang sama (semak Bab1).

Kapal selam dan ikan mamalia (ikan paus & ikan lumba-lumba) menggunakan sonar.

3. Telemetri & Penjejakan

Kedudukan objek dalam air mungkin boleh ditentukan dan dengan itu boleh dipantau (dijejaki) jika ia dilengkapi dengan alat yang memancarkan isyarat akustik.

Asas kpd teknologi SOFAR (Sound and Fixing And Ranging): Teknologi digunakan dlm ketenteraan, penentuan kedudukan kapal selam, kapal karam, kapal terbang terhempas dan tenggelam dalam air.

Penggunaan saintifik: Pelampung SOFAR boleh digunakan untuk memantau pergerakan arus.

Ketepatan penjejakan SOFAR bergantung kepada pengetahuan halaju bunyi dalam air. Rajah ini menunjukkan halaju bunyi di Lautan Atlantik sekitar ~30.5^oW.

5. Pengukuran Arus

Selain dari pelampung SOFAR, bunyi juga boleh digunakan dalam pengukuran halaju dan arah arus menerusi Doppler Shift iaitu frekuensi bunyi dipengaruhi oleh pergerakan relatif air pada titik pengukuran dan sumber bunyi.

Peralatan yang menggunakan prinsip ini dipanggil ADCP (1 & 2) (Acoustic Doppler Current Profiler), iaitu boleh mengukur halaju dan arah arus di beberapa kedalaman.

Oseanografi Akustik:

q Satu cabang osenografi fizis dgn aplikasi teknologi berasaskan akustik.

q Acoustic Tomography (2)– penyeldikan mengenai “fronts” dan menjejaki pusar-pusar berskala besar (mesoscale eddies).

q Acoustic Tomography (1) – berpotensi digunakan untuk kajian berkaitan pemanasan global. Perlu gunakan frekuensi tinggi (60-90 Hz) utk mengurangkan kesusutan. Kontroversi: mungkin membahayakan ikan mamalia (paus, lumba-lumba dsb)