Pola hałasów antropogenicznych i szumów w Bałtyku, ich unikalne

Pola hałasów antropogenicznych i szumów w Bałtyku, ich unikalne charakterystyki, prognozy trendów i potencjalnego wpływu na organizmy morskie.
Zygmunt Klusek
Instytut Oceanologii PAN, Sopot ul. Powstańców Warszawy 55
e-mail: [email protected]
1. Wstęp
Toń morska wypełniona jest ciągłym szumem i hałasem w szerokim zakresie
częstotliwości począwszy od infradźwięków w dolnym zakresie, aż do kilkuset kiloherców.
Źródłem szumu są dynamiczne procesy w morzu głównie zachodzące na powierzchni
morza, dźwięki wydawane przez organizmy morskie oraz wynikające z działalności
technicznej człowieka na morzu i w strefie przybrzeżnej.
Zakres częstotliwości fal sprężystych powstających w trakcie działalności człowieka
na morzach jest równie szeroki jak powstających w sposób naturalny, a natężenia
obserwowane często tylko jako lokalne, znacznie przewyższają natężenie szumu
generowanego przez przyrodę. Chociaż zazwyczaj pojęcie dźwięku ogranicza się do zakresu
częstotliwości słyszalnych przez człowieka, to w dalszym ciągu będziemy posługiwać się
jako prostszym w odbiorze terminem dźwięki, pomimo, że mamy na uwadze fale akustyczne
z szerszego zakresu.
2. Szum statków
Już w latach 70-tych XX wieku zauważono (m.in. Ross, 1976), że praktycznie w każdym punkcie Oceanu Światowego istnieje składowa pochodząca od statków. W zależności od
istniejących warunków propagacji dźwięku oraz intensywności żeglugi, poziom tej składowej
wykazuje dość znaczne fluktuacje. Szczególnie silne wariacje poziomu szumu statków występują dla płytkich, ograniczonych wewnątrzkontynentalnych akwenów, do których m.in. zaliczamy Morze Bałtyckie.
Poziom i widmo tej składowej zależą głównie od rozkładu przestrzennego statków na
danym akwenie, ich typu i prędkości, warunków propagacji fal akustycznych w morzu, w tym
własności akustycznych dna morskiego.
Bałtyk jest jednym z najbardziej ruchliwych mórz świata. Zgodnie ze statystyką – w
ciągu roku ponad 50 000 statków wpływa lub wypływa przez Skagerrak (HELCOM Baltic
Marine Environment Protection Commission www.helcom.fi). W kilku ostatnich dekadach
obserwuje się wzrost liczby pływających na Bałtyku statków.
Choć nie posiadamy wieloletnich statystyk dla tego akwenu, podobnie jak dla innych
mórz, możemy stawiać hipotezę o stałym trendzie wzrostu hałasu od statków. (Andrew, i in.,
2002, Frisk, 2012) analizując szum w wielu morzach, wskazują na trend wzrostowy poziomu
szumu niskoczęstotliwościowego tj. na częstotliwościach poniżej ok. 500 Hz, średnio o 0,5
dB w ciągu roku (wg Friska, 3,5 dB/dekadę), znajdując wyjaśnienie tego zjawiska nie tylko w
rosnącej liczbie statków i innych urządzeń pływających, ale także o coraz większych ich rozmiarach, większej mocy silników i poruszających się z większymi prędkościami.
W Bałtyku, na znacznych obszarach, szczególnie w zachodnich i północnych akwenach Polskiej wyłącznej strefy ekonomicznej np. na południowo-wschodnim skraju Głębi
Bornholmskiej, czy w Zatoce Gdańskiej, praktycznie w każdej godzinie rejestrujemy szum i
hałas pochodzący od statków przewyższający poziom szumu naturalnego (np. Klusek, Lisimenka, 2007).
Ciekawym unikalnym zjawiskiem jest obserwowana znaczna zależność poziomu szumu, zarówno składowej pochodzącej od statków jak i od źródeł naturalnych od głębokości, a
ściślej uwarstwienia mas wodnych. Już w odległości kilkunastu metrów, w pionie, poziom
100
0.4
0.5
0.63
0.8
1.0
1.25
1.6
2.0
2.5
3.15
4.0
5.0
6.3
8.0
10.0
12.5
NSL [dB//1 µPa2 /Hz]
90
80
70
60
50
40
14 19
5
19
5
19
5
Czas Lokalny [h]
19
5
12
szumu może różnić się o kilkanaście decybeli – czyli natężenie o rząd wielkości (Rys. 1).
100
0.4
0.5
0.63
0.8
1.0
1.25
1.6
2.0
2.5
3.15
4.0
5.0
6.3
8.0
10.0
12.5
NSL [dB//1 µPa2 /Hz]
90
80
70
60
50
40
14 19
5
19
5
19
5
19
5
12
Czas Lokalny [h]
Rys. 1. Przebieg czasowy gęstości widmowej szumów (Noise Spectrum Level) na Głębi
Bornholmskiej, w okresie zimowych warunków propagacji, na dwóch głębokościach obser-
wacji z=23 m i z=45 m (odpowiednio, panele górny i dolny) w pasmach o szerokości 1/3oktawy. W legendzie przedstawiono centralne częstotliwości pasm wyrażone w kHz. (Lisimenka, 2007)
Szczególnie wysoki poziom szumu w Bałtyku rejestruje się w miesiącach zimowych
kiedy pod powierzchnią morza powstaje zjawisko tzw. zimowego podpowierzchniowego kanału akustycznego sprzyjającego gromadzeniu dźwięków w morzu, co zilustrowano na powyższym rysunku.
3. Inne szumy i hałasy pochodzenia antropogenicznego
Choć dźwięki generowana podczas wbijania pali w dno morskie, znamionuje krótki
czas trwania 0,1-0,3 sek, stanowi on jedno z najbardziej niebezpiecznych dla organizmów
morskich źródeł hałasu. Widmo ich charakteryzuje się wyraźnym maksimum najczęściej w
przedziale 80 – 500 Hz, jednakże kształt widma zależy od rodzaju gruntu, średnicy zabijanej
8
x 10
2
2fPortArea 5
Ciśnienie Akustyczne [ µPa]
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
Czas [sek]
rury, itp. (patrz Rys. 2).
Rys. 2. Seria czasowa ciśnienia akustycznego hałasów pochodzącego od trzech kafarów. Sygnały zarejestrowane podczas prowadzenia inwestycji przy nabrzeżu Helskim w porcie gdyńskim na zlecenie władz portowych. (Klusek i inni, 2014)
Parametry hałasu generowanego podczas prac kafarów i jego zależność od urządzenia
są dobrze rozpoznane (Klusek i inni, 2014, jako przykład). Jednakże rozmiary młota kafarów,
energia uderzeń, rodzaj gruntu oraz warunki propagacji w toni wodnej oraz dnie morskim
powodują znaczny i znaczący rozrzut parametrów hałasu oraz zasięgów jego oddziaływania
Powoduje to, że przewidywania wartości szczytowych zarówno w pobliżu miejsca wbijania
pali jak i transmisji są wysoce niepewne. Przykładowo podczas prac kafarów przy nabrzeżu
Helskim w porcie Gdyńskim maksymalne wartości szczytowe ciśnienia akustycznego w odległości 50 m od urządzenia były niższe w porównaniu do literaturowych doniesień dla twardego dna, nie przekraczając zazwyczaj wartości 1 000 Pa. Jedynie w kilku seriach zarejestro-
wano wartości sięgające 3 000 Pa, przy poziomie wartości ciśnienia akustycznego pomiędzy
ujemną i dodatnią wartością szczytową (peak-to-peak) 197 dB re 1 μPa (dB względem ciśnienia odniesienia 1 mikropaskal). Były to wartości nie powodujące uszkodzeń organów ryb,
które występują przy 214 dB re 1 μPa lub SEL (tzw. ekspozycja na dźwięki) rzędu 187 dB re
1 μPa2s (Popper i Hastings, 2009).
Jeżeli chodzi o uszkodzenia organów organizmów morskich narażonych na hałasy o
wysokiej amplitudzie powstające przy wbijaniu pali to uważa się, że najbardziej wrażliwe na
nie są najmniejsze ryby o masie rzędu 1 g.
Inne zidentyfikowane, o dużych wartościach chwilowych ciśnienia akustycznego źródła podwodnych dźwięków w Bałtyku, to głownie urządzenia militarne – jak sonary dalekiego zasięgu, wybuchy i inne, oraz urządzenia stosowane do głębokiej sejsmiki dna morskiego.
4. Wpływ hałasu w toni wodnej na organizmy morskie
W wyniku ewolucji zwierzęta morskie przystosowały swój aparat słuchowy do rozróżniania niosących informację dźwięków na tle szumu morza. Sygnały akustyczne są
przesyłane i odbierane ze znacznych odległości, Ich użyteczność jako kanału przesyłania
informacji jest zadowalająca dla podstawowych decyzji podejmowanych przez zwierzęta
morskie oraz ich zachowań socjalnych.
Aż po wiek dwudziesty czułość organów „słuchu” mieszkańców mórz wystarczała do
detekcji słabych fal sprężystych wywołanych ruchami organizmów na tle naturalnych szumów generowanych na powierzchni morza. Wprowadzenie szerokopasmowych szumów do
środowiska może u różnych organizmów zakłócać komunikację wewnątrzgatunkową, zdolności nawigowania, demonstrowanie pewnych zachowań, poszukiwanie pożywienia lub
ucieczkę przed drapieżnikami.
Wydaje się, że kilka gatunków ryb bałtyckich – dorsz (Gadus Morua), śledź (Clupea
harengus) i babka bycza wykorzystuje dźwięki w zachowaniach socjalnych.
Gatunki śledziowatych w Bałtyku - śledź i szprot (Sprattus sprattus) należą do najbardziej czułych na hałas ryb (Enger, 1967). Generalnie próg słyszalności i ich reakcje na dźwięki są najwyższe na małych częstotliwościach począwszy od prawdopodobnie kilku Hz do 3-4
kHz. Krzywa poziomu granicy słuchu (reakcji na dźwięki) u śledzia jest prawie płaska dla
przedziału częstotliwości od około 30 Hz do około 1 kHz i wynosi około 75 dB re 1 µPa. Inne
ryby występujące w Bałtyku prawdopodobnie są mniej czułe na dźwięki – choć jedynie dokładniejsze dane istnieją tylko dla dorsza (Andersson, 2011).
Wśród bałtyckich ssaków najbardziej czułe na szeroki zakres antropogenicznych
dźwięków są morświny, które reagują niepokojem bądź ucieczką już przy stosunkowo niskich poziomach ekspozycji (od 90 do 120 dB re 1μPa), choć dotyczy to sytuacji po nagłym
włączeniu źródła dźwięku. Obserwuje się, że podczas wbijania pali na pełnym morzu obserwowano obniżenie aktywności akustycznej zwierząt w odległościach do 20 km od źródła
(m.in. Brandt i in., 2011). Natomiast odruch ucieczki morświnów od źródeł hałasu (wbijanie
pali) zarejestrowano już w odległościach kilkudziesięciu kilometrów.
Na Bałtyku w początkowej fazie budowy pola farm wiatrowych „Nysted”
obserwowano negatywne reakcje fok na towarzyszący hałas, a liczba fok na pobliskim lądzie
zmalała. Jednakże na pozostałych fazach inwestycji foki nie reagowały na prowadzone prace,
a ich populacja nawet wzrosła.
Na podstawie współczesnego stanu wiedzy o podwodnym polu akustycznym
pracujących turbin wiatrowych wpływ ciągłej generacji szumu podczas pracy turbin
wiatrowych można uznać za nieistotny i nie wywierający na dobrostan ssaków bałtyckich.
5. Polskie programy badawcze podwodnego szumu i hałasu w Bałtyku
Pomiary szumu w Bałtyku choć mają wieloletnią bo sięgającą lat 70-tych ubiegłego
wieku historię nie były prowadzone systematycznie. Już w latach 70-tych przeprowadzono
badania zarówno in situ jak i modelowe dotyczące wpływu zmian sytuacji hydrologicznej w
akwenie na poziom szumu (Klusek, 1990).
Wykazano wówczas unikatowy charakter sezonowych zmian poziomu szumu w tym
akwenie, pochodzącego zarówno od źródeł naturalnych jak i hałasu komunikacyjnego, wynikających z rocznymi zmianami sytuacji termohalinowej. Wykazano, że szum charakteryzuje
się on znaczną zmiennością sezonową oraz zależy od akwenu i głębokości obserwacji.
Badania lokalnego pola hałasu pochodzącego od pojedynczych statków i okrętów
prowadzone są już przez dziesięciolecia przez odpowiednie jednostki Marynarki Wojennej
(np. Malinowski, Gloza, 2002).
Zgodnie z zaleceniami Dyrektywy Wodnej planowany jest ciągły monitoring szumu i
hałasów podwodnych w Bałtyku Południowym przez IMGW Oddz. w Gdyni.
W roku 2013 rozpoczęto wielką inicjatywę międzynarodową ukierunkowaną na określenie tzw. klimatu akustycznego Bałtyku – program BIAS, w którym uczestniczą polskie
instytucje (Wydz. Oceanografii i Geografii UG). Pomiary prowadzone są na 38 stacjach, co
pozwoli na opracowanie map akustycznych w Bałtyku. W ramach tego programu wypracowywane są także standardy pomiarów i obserwacji pola hałasu w Bałtyku (Verfuß i inni,
2014).
Szum morza pochodzenia naturalnego zawiera niezwykle ceną informację o wielu
procesach dynamicznych zachodzących na powierzchni morza.
Prostota, odporność na uszkodzenia, autonomiczność przy stosunkowo niskiej cenie
urządzeń akustycznych (boje) powoduje rosnące zainteresowanie ze strony badaczy morza.
Wykorzystując fakt, że głównym źródłem naturalnych szumów w morzach są pobudzone do drgań pęcherzyki gazowe w przypowierzchniowej warstwie morza w IO PAN podjęto szereg badań podstawowych w celu wprowadzenia do praktyki szumów jako narzędzia
badawczego. I tak zbadano możliwości pasywnej detekcji szumów do zliczania prędkości i
gęstości powierzchniowej liczy załamujących się fal, szacowania energii dyssypowanej podczas załamania fal wiatrowych (Dragan, Swerpel, Klusek, 2013, Klusek, Lisimenka, 2013)
czy prędkości wiatru (Lisimenka, 2007).
Obiecującym wydaje się wykorzystanie szumu morza, jednak ograniczonego do sytuacji termohalinowej panującej w pewnych sezonach w Bałtyku określenia rozmiarów ryb, a
ściślej pęcherzy pławnych ryb (Klusek, Lisimenka, oddane do druku).
W latach 80-tych zaproponowano i obecnie wszczęto intensywny rozwój metod badań
dna morskiego jedynie za pomocą pasywnych metod akustycznych z wykorzystaniem szumu
generowanego na powierzchni morza lub przez statki (Buckingham, Jones, 1987) tworząc
podwaliny tzw. geoakustycznej inwersji. Zagadnienie to dla mórz szelfowych jest rozwijane
obecnie w IO PAN, w ramach współpracy z Instytutem Akustyki ChAN.
6. Przewidywane trendy natężenia szumu w Bałtyku - projekcja w przyszłość
Jest wielce prawdopodobnym, że poziom szumu w Bałtyku będzie wzrastał zarówno
ze względu na wzrost działalności technicznej – wzrost liczby statków, pola generatorów
wiatrowych, wydobycie kopalin, itp.
Ponadto w Bałtyku spotykamy unikatowy przypadek wpływu przewidywanych
zmian klimatycznych na akustykę w akwenie. Przewidujemy tu wysłodzenie powierzchniowych wód bałtyckich, co z kolei spowoduje obniżenie tłumienia dźwięku w warstwach powierzchniowych, i co z kolei przełoży się na wyższy poziom szumu, szczególnie antropogenicznego propagującego na znaczne odległości. (Vuorinen,i inni, 2015)
Mniejszy, choć zauważalny wpływ na warunki propagacji może wywierać obniżenie
pH wód związane z zakwaszeniem oceanu. Obniżenie pH najbardziej wpływa na poprawę
propagacji dźwięku w wodzie morskiej na małych i średnich częstotliwościach audio,
a więc w paśmie częstotliwości składowej pochodzącej od statków (Ilyina, Zeebe,
Brewer, 2009).
Bez odpowiednich uregulowań prawnych dotyczących obniżenia poziomu hałasu
generowanego przez statki przepływające przez Bałtyk, poziom składowej antropogenicznej
szumu będzie stale wzrastał. Obniżenie poziomu szumu można ograniczać poprzez odpowiednią konstrukcję statku – jak przekładki, amortyzatory, zmniejszenie prędkości itp. Inną
miara ograniczania wpływu hałasów na organizmy morskie może być wyznaczanie odpowiednich, tras żeglugi, z dala od obszarów chronionych.
Podczas prac związanych przyszłymi inwestycjami gdzie prowadzi się badania sejsmiczne i wbijanie pali należy w miarę możliwości wprowadzać szereg działań zapobiegających szkodliwemu oddziaływaniu hałasu na organizmy morskie. Możemy do nich zaliczyć:
wybór odpowiednich technologii (wiercenie zamiast wbijania pali), ograniczanie prac do
pewnych sezonów, użycie „miękkiego startu”, kurtyny z bąbelków gazowych, akustyczne
bezpieczne odstraszanie ssaków.
Równocześnie zdajemy sobie sprawę z ekonomicznych kosztów takich działań. W
każdym więc przypadku przed pojęciem decyzji należy rozważyć możliwe jej skutki
i koszty.
Literatura
Andersson M. H., 2011, Offshore wind farms – ecological effects of noise and habitat alteration on fish, Department of Zoology Stockholm University, 48.
Andrew R.K, Howe, B.M. Mercer J.A., 2002, Ocean ambient sound : comparing the 1960s
with the 1990s for a receiver off the California coast, Acoustic Research Letters
Online, 3, str. 65.
Brandt M.J., Diederichs A., Betke K., Nehls G., 2011, Responses of harbour porpoises to pile
driving at the Horns Rev II offshore wind farm in the Danish North Sea. Mar. Ecol.
Prog. Ser., 421, 205–216.
Buckingham M. J., Jones S. A. S., 1987, A new shallow ocean technique for determining the
critical angle of the sea bed from the vertical directionality of the ambient noise in the
water column, J. Acoust. Soc. Am. 81(4), 938–946.
Dragan A., Klusek Z., Lisimenka A., 2010, Ambient noise, bubble clouds and wind speed
relationships, Proc.of the 10th European Conference on Underwater Acoustics, Vol.2,
662–668.
Dragan A., Swerpel B., Klusek Z., 2013, Passive acoustic detection of wave breaking event in
the Baltic Sea, Proceed. of the 1st International Conference and Exhibition on Underwater Acoustics, 1187–1195.
Enger P.S., 1967, Hearing in herring, Comp. Biochem. Physiol. 22, 527-538.
Frisk, G.V., 2012, Noiseonomics: The relationship between ambient noise levels in the sea
and
global
economic
trends,
Sci.
Rep.
2,
437;
DOI:10.1038/srep00437.nature.com/scientificreports.
HELCOM Baltic Marine Environment Protection Commission, [www.helcom.fi].
Ilyina, T., Zeebe R. E., Brewer P. G., 2009, Future ocean increasingly transparent to lowfrequency sound owing to carbon dioxide emissions. Nature Geoscience. Advance
Online Publication, DOI: 10.1038/ngeo, 719.
Klusek Z., Kukliński P., Szczucka J., Witalis B., Baranowska A., 2014, Hałas generowany w
czasie realizacji prac podwodnych i jego potencjalny wpływ na środowisko morskie w
Porcie Gdynia, praca wykonana na zlecenie Zarządu Portu Gdynia S.A., 52.
Klusek Z., Lisimenka A., 2007, Ambient Sea Noise in the Baltic Sea, Proc. 2nd Intern. Conf.
& Exhibition on Underwater Acoust. Measurements: Technologies & Results, Crete,
625–634.
Klusek Z., Lisimenka A., 2013, Acoustic noise generation under plunging breaking waves,
Oceanologia, no. 55(4), 809–836.
Klusek Z., Lisimenka A., 2015, Ambient sea noise properties in the Baltic Sea, oddane do
druku.
Klusek, Z. 1990, Warunki propagacji dźwięku w Bałtyku Południowym, wyd. IO PAN, Rozprawy i monografie, Sopot, No. 1/1990, 269.
Lisimenka, A., 2007,Wykorzystanie szumów morza do identyfikacji warstw rozpraszających
i wybranych parametrów hydrometeorologicznych w obszarze Bałtyku, Praca doktorska, IO PAN, Sopot, 169.
Malinowski, S. J., Gloza, I., 2002, Underwater Noise Characteristics of Small Ships, Acta
Acustica united with Acustica, vol. 88,No 5 , 718–721.
McKenna M.F, Ross D, Wiggins S.M, Hildebrand J.A., 2012, Underwater radiated noise
from modern commercial ships, J Acoust Soc Am. 131(1), 92–103.
Popper, A. N., Hastings M. C., 2009. Effects of anthropogenic sources of sound on fishes. J.
Fish Biol., vol. 75, 455–498.
Ross, D., 1976, Mechanics of Underwater Noise (Pergamon, New York), 272–287.
Verfuß, U.K., Andersson, M., Folegot, T., Laanearu, J., Matuschek, R., Pajala, J., Sigray, P.,
Tegowski, J., Tougaard, J, 2014, BIAS Standards for noise measurements. Background information, Guidelines and Quality Assurance.
Vuorinen I., Hänninen J., Rajasilta M., Laine P., Eklund J., Montesino-Pouzols F., Corona F.,
Junker K., Meier H.E. M., Dippner J.W., Scenario simulations of future salinity and
ecological consequences in the Baltic Sea and adjacent North Sea areas–implications
for environmental monitoring, v, March 2015, 196–205.