Op 10 oktober 2023 stond er op nu.nl een artikel over de invloed van klimaatverandering op hoe hard geluid klinkt onder water. In het artikel wordt geschreven dat het geluid van schepen voor dieren onder water over honderd jaar vijf keer zo hard zal klinken als nu. Oceanograaf Luca Possenti, onderzoeker verbonden aan Wageningen Marine Research, zegt: "Zelfs bij een gematigd klimaatscenario neemt het geluid in sommige delen van de oceaan al toe met 7 decibel."
a) Laat met een berekening zien dat een toename van 7 decibel overeenkomt met geluid met een vijf keer zo grote intensiteit. Zoek hiervoor in tabel 35 van Binas de formule voor de geluidssterkte (geluidsintensiteitsniveau) in dB op.
We beginnen bij een geluidssterkte L1 en een bijhorende intensiteit I1. In Binas vind je:
$L_1=10\cdot\log\left(\frac{I_1}{I_0}\right)$
Hierin is I0 een drempelwaarde.
Vervolgens laten we de geluidssterkte toenemen met 7 dB. Dit noemen we L2. Er geldt L2 = L1 + 7, maar ook:
$L_2=10\cdot\log\left(\frac{I_2}{I_0}\right)$
Combineren geeft:
$10\cdot\log\left(\frac{I_2}{I_0}\right)=10\cdot\log\left(\frac{I_1}{I_0}\right)+7$
$10\cdot\log\left(\frac{I_2}{I_0}\right)-10\cdot\log\left(\frac{I_1}{I_0}\right)=7$
Voor logaritmes geldt: log(a)-log(b)=log(a/b). En dus:
$10\cdot\log\left(\frac{I_2}{I_1}\right)=7\rightarrow 0,7=\log\left(\frac{I_2}{I_1}\right)$
Hieruit volgt:
$\frac{I_2}{I_1}=10^{0,7}=5$
Het klopt dus.
In het onderzoek wordt gebruikt gemaakt van een oceaanmodel dat de relevante eigenschappen van het zeewater, zoals bijvoorbeeld temperatuur en het zoutgehalte, berekent voor de periode van 2022 tot en met 2099. Vervolgens wordt de voortplanting van het geluid van een vrachtschip gemodelleerd. Hieruit volgt dat de voortplanting van het geluid aan het einde van de eeuw significant anders is, waardoor de geluidssterkte op sommige delen van de oceaan toeneemt met 7 decibel.
Uit de studie blijkt dat deze toename grotendeels aan twee gevolgen van klimaatverandering toegeschreven kan worden, namelijk de verandering van de temperatuur van water en van de zuurgraad van het water.
Geluidssnelheid in zeewater
Als de temperatuur van het water verandert, verandert de geluidssnelheid.
b) Zoek in Binas op of de geluidssnelheid groter of kleiner wordt als de temperatuur van water toeneemt.
In BiNaS 15A vind je dat de geluidssnelheid voor hogere temperaturen groter is.
Het onderzoek van Possenti laat zien dat de geluidssnelheid bijna overal in de oceaan zal toenemen. Op een paar plekken zal de geluidssnelheid juist afnemen. Bijvoorbeeld in de bovenste 0,1 km zeewater in de Noord-Atlantische Oceaan en de Noorse Zee. In onderstaande figuur staat een schematische afbeelding van een schip in de toekomstige situatie dat de geluidssnelheid in de bovenste 0,1 km (laag 1) lager is dan in laag 2. Met een pijl is een geluidsgolf aangegeven die vanaf het schip het water in gaat. Net als bij licht vindt bij geluid breking plaats op het grensvlak van twee lagen met verschillende geluidsnelheid.
c) Voer de volgende opdrachten uit:
- Teken in een print van de figuur bij de overgang tussen de twee lagen zeewater de normaal.
- Bepaal en meet met behulp van de figuur de hoek van inval .
Zie onderstaande figuur:
De invalshoek kan vervolgens opgemeten worden en is gelijk aan 84°.
Bij breking is er een brekingsindex $n_{1\rightarrow 2}$ . Daarvoor geldt:
$n_{1\rightarrow 2}=\frac{v_1}{v_2}$
Hierin is v1 de geluidssnelheid in de eerste laag en v2 de geluidssnelheid in de tweede laag. Als de brekingsindex $n_{1\rightarrow 2}$ groter is dan 1 vindt er voor elke hoek van inval breking plaats. Als de brekingsindex $n_{1\rightarrow 2}$ kleiner is dan 1 vindt er voor grote hoeken van inval juist totale reflectie plaats.
d) Schets voor het laatste geval in jouw print van bovenstaande figuur het verdere verloop van de geluidsgolf.
In dit geval geldt v1 < v2, dus $n_{1\rightarrow 2}<1$ . Er kan voor grote hoeken van inval dus totale reflectie optreden. De hoek van inval is erg groot. Dat geeft:
e) Leg uit hoe het ontstaan van twee lagen zeewater met verschillende temperaturen ertoe bijdraagt dat geluidsgolven grotere afstanden in de oceaan kunnen afleggen.
Als de bovenste laag water een lagere temperatuur heeft dan de laag eronder gedraagt deze laag zich voor geluid net zoals een glasvezelkabel voor licht. Het geluid gaat in deze laag op en neer. Het reflecteert aan de onderkant tegen de warmere laag en dan weer aan de bovenkant aan het wateroppervlak. Hierdoor zal het geluid grotere afstanden afleggen.
Zuurgraad
Het tweede effect is de toename van de zuurgraad van de oceaan. Ongeveer 25% van de CO2 die sinds de industriële revolutie in de atmosfeer terecht is gekomen, is opgenomen door de oceaan. Volgens Wikipedia was de gemiddelde pH-waarde voor de industrialisatie ongeveer 8,2 terwijl hij nu gedaald is tot onder de 8,1.
Tijd voor een klein scheikundig uitstapje.
f) Bereken de gemiddelde toename van de concentratie H3O+-ionen in zeewater die uit deze gegevens volgt. Geef je antwoord in mol/liter.
Voor de pH-waarde geldt:
$\mathrm{pH}=-\log\left(\left[\mathrm{H}_3\mathrm{O}^{+}\right]\right)$
Hieruit volgt:
$\left[\mathrm{H}_3\mathrm{O}^{+}\right]=10^{-\mathrm{pH}}$
Dit geeft voor de concentratie bij een pH-waarde van 8,2 en 8,1:
$8,2:\left[\mathrm{H}_3\mathrm{O}^{+}\right]=10^{-8,2}=6,3\cdot 10^{-9}~\mathrm{mol}/\mathrm{liter}$
$8,1:\left[\mathrm{H}_3\mathrm{O}^{+}\right]=10^{-8,1}=7,9\cdot 10^{-9}~\mathrm{mol}/\mathrm{liter}$
De toename is dan 1,6 . 10-9 mol/liter.
De wetenschappers verwachten dat de pH-waarde van de oceaan in de komende eeuw verder zal dalen. Uit onderzoek blijkt dat de absorptie van geluid met frequenties onder de 10 kHz afneemt wanneer de zuurgraad van het water afneemt.
g) Leg uit dat het geluid van boten grotere afstanden kan afleggen als de pH-waarde van de oceaan daalt.
Als de zuurgraad afneemt, neemt de absorptie van geluid met frequenties onder de 10 kHz af. Een boot produceert veel lagere geluiden, en de absorptie van dit geluid door het zeewater zal dus afnemen. Het geluid zal dan grotere afstanden afleggen.
Conclusie
Door klimaatverandering daalt de pH en neemt de geluidssnelheid op sommige plekken af. Een zo’n plek is de Noorse Zee.
h) Leg uit dat de geluidssterkte in de bovenste laag van de Noorse Zee door deze twee effecten groter wordt.
Door pH-daling vindt minder absorptie plaats. Het geluid van een boot zal hierdoor grotere afstanden afleggen. De geluidssterkte wordt hierdoor dus groter.
Door de tunnel die voor geluid ontstaat in de bovenste laag verspreidt het geluid zich veel minder in de diepte van de oceaan. Het geluid verspreidt zich alleen in de bovenste laag. Hier zal de geluidssterkte dus ook groter worden.
Luca Possenti benadrukt dat dit hardere menselijke lawaai effect zal hebben op veel van het dieren die leven in deze bovenste laag: “Bij gebrek aan goed zicht onder water, communiceren vissen en ook zeezoogdieren voor een belangrijk deel met geluid. Als vissen hun belagers niet meer kunnen horen of als walvissen moeilijker met elkaar kunnen communiceren, zal dit gevolgen hebben voor het hele ecosysteem.”
