Hałas w głębinach morskich

Janusz Piechowicz

Wprowadzenie

Jesteśmy na wakacjach, siedzimy na piaszczystej plaży lub stoimy na molo, wsłuchujemy się w szum morza, świst wiatru i pokrzykiwania mew. Patrząc na wodę, czasami zastanawiamy się, co możemy usłyszeć w głębinach morskich. Dla człowieka odczuwalnym problemem jest cywilizacyjny hałas doświadczany na lądzie. Toń wodna kojarzy się nam z ciszą. Nurkując w basenie, odcinamy się od hałaśliwej obecności pozostałych użytkowników. Schodząc pod wodę, zagłębiamy się w inności i w ciszy. Ciszy? Czy aby na pewno jest to cisza? Czy może tylko my, istoty żyjące poza wodą, niewiele słyszymy? W podwodnym świecie człowiek nie może porozumiewać się za pomocą dźwięku, ale to nie znaczy, że pod wodą dźwięku nie ma. Czy taka jest podwodna rzeczywistość?

Od zarania dziejów oceany są pełne różnego rodzaju odgłosów. Są to przede wszystkim dźwięki naturalne, w tym dźwięki geogeniczne (dźwięki przyrody nieożywionej) i biogeniczne (dźwięki natury żywej). W wodach oceanów rozchodzą się fale akustyczne wywołane różnymi procesami geologicznymi, związanymi z trzęsieniami ziemi, podwodnymi wybuchami wulkanów, tsunami, burzowymi wyładowaniami elektrycznymi, falowaniem wody itp. Do tego dochodzą głosy zwierząt takich jak m.in. wieloryby, delfiny, morsy i inne. Dźwięki te słychać w oceanach od wielu milionów lat. Ale w ostatnich kilkudziesięciu latach w wodach mórz i oceanów powstał prawdziwy chaos akustyczny, ponieważ do tych wszystkich wymienionych zdarzeń naturalnych wkład wniósł swoją działalnością człowiek. Szacuje się, że hałas w wodach oceanów między rokiem 1950 a 1975 wzrósł o około dziesięć decybeli i o kolejne 10 dB do czasów obecnych.

Dźwięk podróżuje w wodzie

Na początek kilka słów o istotnych różnicach między propagacją dźwięku w wodzie i w powietrzu, wynikających z fizycznych właściwości obu środowisk. Dźwięk w postaci fali akustycznej rozchodzi się w ośrodku sprężystym. Takimi ośrodkami są m.in. powietrze i woda; w próżni dźwięków nie usłyszymy. Ponieważ wspomniane ośrodki mają różną gęstość, to prędkość dźwięku w każdym z nich jest różna. W powietrzu rozchodzi się on z prędkością c = 344 m/s (w temperaturze +20^OC), natomiast w wodzie – z prędkością około 1500 m/s, czyli 4,3 razy szybciej. Długość fali akustycznej λ jest odwrotnie proporcjonalna do jej częstotliwości f (zależność λ=c / f), więc przy prędkości 4,3-krotnie większej długości fal w wodzie są odpowiednio większe, np. jeżeli dla częstotliwości 100 Hz długość fali akustycznej w powietrzu wynosi 3,4 m, to długość tej fali w wodzie wyniesie ok. 14,6 m. Również tłumienie dźwięku w wodzie jest znacznie mniejsze niż w powietrzu. Do nasłuchiwania dźwięków w wodzie służą mikrofony o specjalnej konstrukcji odpornej na korozję i zasolenie, czyli hydrofony. Hydrofony rozmieszczone są w oceanach na całej kuli ziemskiej, od Antarktydy po Arktykę.

Badania nad rozchodzeniem się dźwięku mają długą tradycję. Człowiek od wielu lat studiował zagadnienia akustyki, w tym zjawiska akustyczne w wodzie. Arystoteles (384–322 p.n.e.) był jednym z pierwszych, który zauważył, że dźwięk słychać w wodzie, podobnie jak w powietrzu. Prawie 1800 lat później Leonardo da Vinci (1452–1519) zaobserwował, że odgłosy zanurzanych wioseł statków można było usłyszeć pod wodą ze znacznych odległości. Po upływie kolejnych 100 lat francuski mnich Marin Mersenne (1588–1648) po raz pierwszy zmierzył prędkość dźwięku, niestety niezbyt dokładnie. Sir Isaac Newton w 1687 roku w swoim wielkim dziele Philosophiae Naturalis Principia Mathematica opublikował jako pierwszy matematyczne podstawy teorii propagacji dźwięku. Chociaż Newton skupił się na dźwięku w powietrzu, to te same podstawy matematycznej teorii odnoszą się również do jego rozchodzenia się w wodzie. Precyzyjnego pomiaru prędkości dźwięku dokonali Szwajcar Daniel Colladon i Francuz Charles Sturm w 1826 roku nad jeziorem Genewskim (Rys.1). Pomiary wykonali na dystansie 15 km z użyciem dzwonu i zanurzonej w wodzie tuby, a zmierzona przez nich prędkość dźwięku w jeziornej wodzie wynosiła 1435 m/s (z dokładnością 0.2%).

Rys.1. Daniel Colladon i Charles Sturm – pomiar prędkości dźwięku
Źródło: http://stream1.cmatc.cn/pub/comet/MarineMeteorologyOceans/Introductionto
OceanAcoustics/comet/oceans/acoustics/print.htm#page_2.0.0

Wartości poziomów dźwięków podwodnych podaje się w tzw. „underwater decibel”. Ponieważ decybele w powietrzu wyznaczane są dla poziomu dźwięku odniesienia równego 2*10^-5 [Pa] (próg słyszenia człowieka), a w wodzie dla wartości 10^-6 [Pa], a to znaczy, że poziomy dźwięku w wodzie są wyższe od poziomów dźwięku w powietrzu o 26 dB.

Wody oceanu to szczególne środowisko propagacji dźwięku. Jego prędkość w wodzie morskiej jest funkcją jej temperatury, stopnia zasolenia i ciśnienia hydrostatycznego. Złożenie tych funkcji z uwzględnieniem znaczenia poszczególnych czynników na prędkość dźwięku w morskiej wodzie prowadzi do szczególnej zależności. Formułuje się przestrzeń do propagacji dźwięku nazywana SOFAR Channel (Sound Fixing and Ranging), w której fala akustyczna, szczególnie w niższych częstotliwościach, może przemieszczać się na bardzo duże odległości (Rys.2).

Rys.2. Prędkość dźwięku w w wodzie morskiej i kanał SOFAR. Źródło: https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/sound01/background/acoustics/media/sofar%20_557.jpg

Przykład bardzo długiej podróży fali akustycznej w wodzie oceanu podaje Alton EverestEverest[1].Odgłosy eksplozji ładunków wybuchowych zdetonowanych niedaleko Perth w Australii zostały zarejestrowane przez hydrofony zanurzone u wybrzeży Bermudów. Pokonanie odległości ponad 19 000 km zajęło fali akustycznej w wodzie 13 364 sekund.

Dźwięki natury w ocenie

Naturalne źródła dźwięku mają potężną moc akustyczną. Najpotężniejsze źródła hałasu w oceanach występują w tzw. Pacyficznym Pierścieniu Ognia (Ring of Fire) – strefie częstych i silnych trzęsień ziemi oraz erupcji wulkanicznych – otaczającym Ocean Spokojny (Rys.3). Obejmuje on rozległy pas rowów oceanicznych oraz wulkanicznych łańcuchów górskich na długości 40 000 km. Obszar ten nazywany jest również Okołopacyficznym Pasem Sejsmicznym. Szacuje się, że ma tutaj miejsce około 80% trzęsień ziemi i znajduje się tu 90% wszystkich czynnych wulkanów. Jak podano w tabeli są to największe ilości energii akustycznych w naszym świecie (startująca rakieta kosmiczna to poziom hałasu około 180 dB). Do głośnych dźwięków niskoczęstotliwościowych należą odgłosy cielących się lodowców, zderzających się bądź trących o dno morskie gór lodowych.

Rys.3. Pacyficzny Pierścień Ognia. Źródło: https://pubs.usgs.gov/gip/dynamic/fire.html

W wodach oceanów od czasu do czasu rozlegają się dziwne dźwięki o dużej głośności. Nieznane jest ich pochodzenie, tylko przypuszczenia o potężnej mocy akustycznej ich źródeł. Jednym z takich dźwięków, zarejestrowanym w 1997 roku w Oceanie Spokojnym u wybrzeży Ameryki Południowej, był dźwięk nazwany Bloop[2]. Jego źródło znajdowało się w okolicach współrzędnych 50^oS, 100^oW, czyli w miejscu najbardziej oddalonym od większości mas lądowych znajdujących się na tym obszarze. Moc akustyczna źródła była na tyle duża (dźwięk zarejestrowany został przez hydrofony rozmieszczone na odległościach do 5 000 km), że trudno przypuszczać by pochodziły od największych znanych mieszkańców oceanów; stąd postawiono hipotezę, że w głębiach oceanów mogą żyć jeszcze znacznie większe zwierzęta. Innymi zarejestrowanymi dźwiękami o zagadkowym pochodzeniu były dźwięki nazwane: Upsweep (1991), Slow Down (1997), Train (1997), Whistle (1997) (spektrogramy zarejestrowanych dźwięków i pliki wave można znaleźć na stronie www.pmel.noaa.gov/acoustics/specs_all.html)[3].

Oprócz dźwięków nieożywionej natury w oceanie od wieków rozbrzmiewają też dźwięki natury żywej. Wiele zwierząt morskich (m.in. wieloryby, delfiny, morświny, foki) używa komunikacji dźwiękowej. Dźwięk pozwala im na gromadzenie i rozumienie informacji o środowisku, w którym żyją. Służy on do słuchania i porozumiewania się między sobą, lokalizowania partnerów i potomstwa, unikania drapieżników, orientacji w położeniu i omijaniu przeszkód, nawigacji, lokalizowania pożywienia i ostrzegania się przed niebezpieczeństwem. Dla wielu z nich dźwięki, głównie ultradźwięki, są sposobem na tworzenie sobie przestrzennej wizualizacji otoczenia. Wysyłając fale dźwiękowe i odbierając echo, ich mózg generuje obraz przestrzeni.

Badania biologiczne pokazują, że fiszbinowce (humbaki, długopłetwce, płetwal błękitny i inne) emitują dwa rodzaje dźwięków: dźwięki służące echolokacji oraz dźwięki służące komunikacji. Dialogi długopłetwców porównywane są do śpiewu, ponieważ można wyróżnić w nich regularną sekwencję, która powtarza się rytmicznie. Humbaki potrafią śpiewać przez wiele godzin, wydmuchując powietrze przez masywne otwory nosowe (nie mają strun głosowych). Interesujący jest fakt, że każda samica ma własny głos, rozpoznawalny tylko przez jej młode[4]. Zarówno samiec jak i samica wydają dźwięki, jednakże tylko samce emitują długie, głośne pieśni. Każda z nich składa się z kilku dźwięków o niskim tonie oraz zmieniającej się amplitudzie i częstotliwości. Zwykle trwają 10-20 minut, jednak obserwowano humbaki, które śpiewały przez prawie 24 godziny z małymi przerwami na oddechy. Obserwacje fiszbinowców pozwalają zrozumieć kompleksową ewolucję systemu komunikacji dźwiękowej[5].

Humbaki polują na ryby. Najbardziej efektowną i efektywną metodą połowu jest współpraca grupy wielorybów w celu upolowania ławicy ryb. Polega ona na osaczaniu jej z boków i od dołu, i stopniowym zacieśnianiu kręgu. Kilka osobników okrąża i dezorientuje wybraną ławicę poprzez wyskoki nad wodę i uderzenie płetw ogonowych. Po pewnym czasie jeden z humbaków nurkuje i poprzez wypuszczanie bąbelków powietrza lub za pomocą niskich dźwięków kieruje ryby ku powierzchni. Chwilę po tym następuję atak z dołu i boków. W ten sposób jeden osobnik może pochłonąć nawet kilka tysięcy ryb za jednym razem. Zazwyczaj udział w takim polowaniu bierze od 6 do 14 sztuk waleni.

Osobniki żyjące na jednym obszarze oceanu wydają takie same dźwięki. Ale stwierdzono, że humbaki żyjące w różnych oceanach emitują różne ich sekwencje. Badania nad pieśniami wielorybów ciągle trwają. Podstawową hipotezą było, że śpiew samców ma zwrócić uwagę samicy, ale na nawoływania samca często odpowiadały inne samce, co kończyło się konfliktem. Zatem można przypuszczać, że odgłosy służą do ustalenia hierarchii między samcami z tego samego obszaru[6]. Inna teoria głosi, że humbaki wydają dźwięki w celu echolokacji i orientacji w podwodnej przestrzeni. Szacuje się, że przed epoką hałasu głos płetwala błękitnego rozchodził się na odległość ponad 1500 mil morskich. Obecnie płetwale z trudem słyszą się z odległości dziesięciokrotnie mniejszej.

Hałaśliwa aktywność człowieka

Człowiek, choć znacznie mniejszy od wieloryba, też potrafi hałasować. Działalność człowieka na oceanach przejawia się głównie w:

aktywności wojskowej;
ruchu na morzu (okręty, statki, motorówki, łodzie, skutery wodne);
poszukiwaniu ropy, wieżach naftowych;
użyciu kafarów nadbrzeżnych;
przybrzeżnych parkach turbin wiatrowych.

Tysiące okrętów floty handlowej, rybackiej i wojskowej przemierza oceany wzdłuż i wszerz, każdy z silnikami o poziomie hałasu 180 dB. Powszechnie używa się sonarów do poszukiwania i szacowania wielkości ławic ryb, obcych statków, badań geologicznych i wielu innych celów. Statki eksploracyjne używające działek pneumatycznych o poziomach 250 dB wysyłają sygnały w odstępach 10 s. Jak może czuć się wieloryb głęboko pod wodą w strefie działania takiego urządzenia? Wydaje się, że jest to jedno z największych zagrożeń dla tych morskich ssaków. Większe od zanieczyszczenia wód czy zmian klimatycznych.

Oto zestawienie najgłośniejszych źródeł dźwięku w wodach oceanicznych:
Tablica 1. Dźwięki w oceanach

Źródło dźwięku	Maksymalny poziom dźwięku	Uwagi
Podmorskie trzęsienie ziemi	272 dB	Amplituda 4.0 w skali Richtera
Erupcja wulkanu na dnie morskim	255+ dB	Eksplozja pary wodnej
Działa pneumatyczne	255 dB	Sprężone powietrze doprowadzane do zespołu tłokowego
Wyładowanie elektryczne na powierzchni wody	250 dB	Losowe zdarzenia w czasie burzy na morzu
Eksploracyjne urządzenia sejsmiczne	212–230 dB	Źródła fal sejsmicznych: udarowe: młotek, urządzenia udarowe: kafar, materiały wybuchowe
Kontenerowiec	198 dB	Długość 274 m, prędkość 23 węzły
Supertankowiec	190 dB	Długość 340 m; Prędkość 20 węzły
Płetwal błękitny	190 dB (śr. 145–172)	Wokaliza: zawodzenie w niskich częstotliwościach
Finwal	188 dB (śr. 155–186)	Wokaliza: pulsacje, zawodzenie
Wiertnica morska	185 dB	Silnik statku KULLUK; eksploracja ropa i gaz
Pogłębiarka morska	185 dB	Silnik statku AQUARIUS
Humbak	180 dB (śr. 175–180)	Uderzenia ogonem
Wieloryb grenlandzki	180 dB (śr. 152–180)	Wokaliza: Pieśń
Wieloryb biskajski	175 dB (śr. 172–175)	Wokaliza
Wieloryb szary	175 dB (śr. 175)	Wokaliza: zawodzenie w niskich częstotliwościach
Tło akustyczne otwar- tego oceanu	74–100 dB	Wyznaczony dla wybrzeża klifu Kalifornii, Stan morza 3–5

Washington Post w 2010 roku donosił, że co roku na amerykańskich plażach znajdowanych jest ponad tysiąc delfinów i waleni[7]. Często przyczyną jest fakt, że są głuche w świecie, w którym słuch jest niezwykle ważny. Upośledzenie tego zmysłu sprawia, że zwierzęta nie mogą zlokalizować pożywienia lub członków rodzin, szybko tracą siły i orientację. W zależności od źródła, czasu trwania i lokalizacji dźwięku hałas wywołany przez człowieka może wpływać na zwierzęta morskie poprzez spowodowanie czasowej lub trwałej utraty słuchu, reakcji stresowej, zmuszanie zwierząt do opuszczenia preferowanego siedliska, zakłócanie aktywności związanych z karmieniem, rozmnażaniem i tarłem oraz komunikacją. Skutki mogą być natychmiastowe i poważne, możliwa jest także ich kumulacja w czasie[8].

Do głównych antropogenicznych źródeł hałasu należy zaliczyć hałas statków floty komercyjnej i marynarki wojennej (Rys.4). Szlaki okrętów tworzą gęstą sieć na wszystkich oceanach. Okręty marynarki wojennej ciągle nasłuchują akwenów wodnych sonarami. Również eksplozje podczas prób broni, w tym nuklearnej, sieją spustoszenie pośród zwierząt morskich. Ekipy poszukujące złóż ropy i gazu bombardują dno oceanu potężnymi dźwiękami. U wybrzeży nasila się ruch statków, motorówek i skuterów wodnych. Do tego dochodzą prace kafarów i pogłębiarek, podwodne detonacje czy też ultradźwięki przyrządów służących poszukiwaniu ryb, badaniu głębokości lub struktury geologicznej dna. Szerokie eksploatowanie silników okrętowych i łodzi motorowych skutecznie zagłusza naturalne odgłosy oceanu. Potężne farmy turbin wiatrowych i platformy wiertnicze wypełniają hałasem i drganiami płytkie wody przybrzeżne.

Rys.4. Hałas w oceanie. Źródło: https://www.fisheries.noaa.gov/new-england-mid-atlantic/ocean-noise-and-soundscape-projects

Biolodzy uważają, że w oceanach panuje obecnie taki zgiełk, że ginie od tego wiele ssaków morskich. Brytyjskie Towarzystwo Ochrony Waleni i Delfinów prowadziło kampanię pt. „Oceans of Noise” (Oceany Hałasu), mającą przeciwdziałać problemowi. Zauważono zmiany zachowania waleni dziesiątki, a nawet setki kilometrów od źródła dźwięku. Zdaniem organizacji istnieją dowody na to, że hałas powoduje utratę słuchu u tych ssaków, przez co wypływają one na mielizny. Nadmierny hałas również poważnie zaburza ich zdolność komunikacji, przez co np. matki ssaków morskich i ich młode tracą ze sobą kontakt. Ciekawe badania nad zmysłem słuchu płetwonogich przeprowadzili amerykańscy naukowcy[9]. Porównali zdolność słyszenia zwierząt w wodzie i w powietrzu. Pod wodą najbardziej wrażliwy był słoń morski, a następnie foka pospolita i lew morski. Na lądzie najbardziej wrażliwa była foka pospolita, a następnie lew morski i słoń morski. Z tych badań wypłynęły następujące wnioski: a) lew morski jest najlepiej przystosowany do słyszenia w powietrzu; b) foka pospolita prawie równie dobrze słyszy w powietrzu i pod wodą; c) narząd słuchu słonia morskiego jest przystosowany do funkcjonowania pod wodą kosztem wrażliwości słuchu w powietrzu.

Hałas generowany przez człowieka rozbija zupełnie sieć powiązań socjalnych morskich ssaków. Np. humbaki nie są w stanie dostatecznie dobrze się rozumieć ani wynaleźć innego skutecznego mechanizmu porozumiewania się. Wydaje się, że jest to jedno z największych zagrożeń dla tych morskich ssaków. Te zwierzęta są po prostu oszałamiane przez tumult dźwięków technicznych urządzeń morskich. Nadmiar obcych odgłosów upośledza ich zmysł echolokacji, dzięki któremu orientują one się w morskiej przestrzeni i zdobywają pokarm. Wzrok waleni jest słaby, dlatego słuch musi zapewnić im zdolność polowania i bezpiecznego poruszanie się wśród podwodnych przeszkód: raf, skał, sieci i wraków. W Bałtyku żyje tylko jeden przedstawiciel waleni, którego szczególnie dotyczą problemy morskiego hałasu. Jest to morświn – zwierzę zagrożone wyginięciem.

Organizacja NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) rozpoczęła na szeroką skalę monitoring podwodnego hałasu (12 stacji z siecią hydrofonów w wodach oceanicznych wokół Stanów Zjednoczonych), którego następnym krokiem będzie opracowanie metod redukcji niepożądanych dźwięków. Planuje się wyciszyć urządzenia platform wiertniczych pracujących na szelfach morskich, a także podjąć decyzję odnośnie do sonarów łodzi podwodnych, które utrudniają życie wielorybom.

Podsumowanie

Rosnące poziomy hałasu w oceanach mają negatywny wpływ na zwierzęta morskie i ekosystemy. Wyższe poziomy hałasu zmniejszają zdolność zwierząt do komunikowania się z potencjalnymi partnerami, innymi członkami grupy, potomstwem. Hałas może również zmniejszyć zdolność mieszkańców wód do słyszenia sygnałów środowiskowych, które są niezbędne do przetrwania, w tym tych istotnych dla unikania drapieżników, znajdowania pożywienia i nawigowania do preferowanych siedlisk.

Rośnie także liczba badań nad źródłami podwodnego hałasu. Aparatura naukowa rejestruje wzrost natężenia dźwięków wytwarzanych wskutek działalności człowieka. Pozwala to na ocenę skali oddziaływania podwodnego hałasu na przyrodę. Skutki hałasu nie są tak łatwo zauważalne jak inne widoczne zanieczyszczenia środowiska, takie jak np. wycieki ropy naftowej czy chemikaliów. Trudno jest ocenić stopień negatywnego oddziaływania hałasu antropogenicznego na ekosystemy oceanów, ponieważ dzisiejsze wysokie poziomy emisji dźwięków są na tyle nowe w tym świecie, że wiele ssaków morskich i ryb żyjących obecnie urodziło się jeszcze przed powszechnym zanieczyszczeniem hałasem. Stąd długoterminowe oddziaływanie i jego wpływ na egzystencję fauny oceanów nie jest jeszcze zbadany.

Przyszedł czas na to, żeby zastanowić się jak bardzo człowiek szkodzi naturze swoją jazgotliwą aktywnością w morskich wodach, i jak bardzo przyczynia się to do zgubnych następstw dla egzystencji mieszkańców głębin.

Nie poznaliśmy jeszcze tajemnic oceanów, nie poznaliśmy skutków naszej hałaśliwej działalności. A jak trudne jest to zadanie… wystarczy sobie wyobrazić, że na Księżycu było już 12 ludzi, a najgłębsze miejsce oceanu w Rowie Mariańskim – Głębię Challengera – odwiedziło tylko troje (Don Walsh i Jacques Piccard (1960) oraz James Cameron (2012)).

Na stronie Discovery of Sound in the Sea dostępne są nagrania podwodnego hałasu generowanego przez technologię: https://dosits.org/galleries/audio-gallery/#manmade

[1]Everest F. Alton, Podręcznik Akustyki, Wyd. Sonia Draga Sp.z.o.o., Katowice 2004.

[2] Bloop, http://apod.pl/apod/ap100427.html, dostęp 30.03.2021.

[3] Stanisławski Piotr, 5 dźwięków, których pochodzenia nie znamy, CrazyNauka, www.crazynauka.pl/5-tajemniczych-dzwiekow-ktorych-pochodzenia-nie-znamy/, dostęp 25.04.2021.

[4] Dunlop Rebecca A.,, Cato Douglas H., Noad Michael J., Your attention please: increasing ambient noise levels elicits a change in communication behaviour in humpback whales (Megaptera novaeangliae), „Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences”, vol. 277, no. 1693, 2010, s. 2521-2529.

[5] Kaplan Matt, Marine biologists interpret whale sounds, Nature, 2008, https://www.nature.com/articles/news.2008.984, dostęp: 27.04.2021.

[6] Tamże.

[7] Fahrentholt David A., Hałas zabija delfiny, Washington Post, https://podroze.onet.pl/plaze/halas-zabija-delfiny/z1sxmnm, dostęp: 27.04.2021.

[8] Melcón Mariana L., Cummins Amanda J., Kerosky Sara M. , Roche Lauren K.i in. , Blue Whales Respond to Anthropogenic Noise, PLoS ONE, vol. 7 no. 2: e32681, 2012.

[9] Kastak David, Schusterman Ronald J., Low-frequency amphibious hearing in pinnipeds: Methods, measurements, noise, and ecology, „The Journal of the Acoustical Society of America”,vol. 103, no. 4, s. 2216–2228, 1998.