Assessment of communication masking in Antarctic marine mammals by underwater sound from airguns

Abstract

Airguns werden bei seismischen Erkundungen und wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt und erzeugen impulshafte Schallsignale mit hoher Intensität im tieffrequenten Bereich. Abgesehen von der Möglichkeit, permanente oder temporäre Hörschädigungen zu induzieren oder Verhaltensreaktionen auszulösen, können Airgungsignale die Wahrnehmung relevanter akustischer Signale in der Umwelt maskieren. Dieser Frequenzbereich überschneidet sich mit vielen Vokalisationen von Meeressäugern, insbesondere den Gesängen und Rufen von Bartenwalen. Auf Grund der hohen Quellschallpegel besitzen Airguns das Potential Kommunikationssignale von Meeressäugern auch noch in großen Entfernungen zu maskieren. Dieses Potential zur Maskierung von Kommunikationssignalen im Südpolarmeer wird in dieser Studie mithilfe eines Modellierungsansatzes bewertet. Um die Ausbreitung von Airgunimpulsen im Südpolarmeer zu modellieren, wurde eine parabolische Gleichungsnäherung verwendet,. Die Ausbreitungsmodelle wurden anhand von Aufzeichnungen zweier seismischer Vermessungen im Südpolarmeer validiert. Die Modellvorhersagen zeigen eine große Übereinstimmung in den empfangenen Schallpegel und den Frequenzspektren mit den Messergebnissen und weichen nur um wenige Dezibel ab. Durch die von einer Punktquelle ausgehende dreidimensionale Schallsusbreitung und den resultierenden Reflektionen an der Wasseroberfläche und dem Meeresboden ergeben sich mehrere Strahlengänge. Diese Strahlengänge, die Schallquelle und Empfänger verbinden, besitzen unterschiedliche Längen, so dass Signale über die verschiedenen Wege den Empfänger nicht gleichzeitig erreichen. Die Dauer der empfangenen Signale nimmt entsprechend mit der Entfernung von der Schallquelle zu. Das Ausmaß dieser sogenannten Signalstreckung wurde vom Ausbreitungsmodell leicht unterschätzt. Für Airguns, die über dem australischen Festlandsockel eingesetzt wurden, wurde die höchste Korrelation mit dem SOFAR-Kanal (Sound Fixing and Ranging) gefunden, wenn die Wassertiefe im Bereich von 300 bis 700 Metern lag, woraus sich sehr große Ausbreitungsdistanzen ergeben. Es wurde festgestellt, dass Übertragungsverluste in der Region südlich der Polarfront maßgeblich durch die Schallstreuung an der Oberfläche, ausgelöst durch Windwellen beeinflusst wird. Die validierten Ausbreitungsmodelle ermöglichen es, die empfangenen Schallpegel der Airgun- und Vokalisierungssignale am Ohr des Tieres für jede Entfernung zur Airgun sowie zu vokalisierenden Artgenossen vorherzusagen. Ein psychophysisches Modell basierend auf einem Spektrogramm-Korrelationsempfänger wurde entwickelt, um die zeitlichen und spektralen Auflösungseigenschaften des tierischen Hörvermögens widerzuspiegeln. Das Modell sagt vorher, dass Kommunikationsreichweiten von Blau- und Finnwalen in Entfernungen zwischen 1000 und 2000 Kilometern von dem Airgunmessungen, noch erheblich beeinträchtigt sein können. Für den Einsatz von Airguns in einer Entfernung von 2000 km vom hörenden Individuum modelliert es eine Reduzierung der Detektionsreichweite für Z-Rufe von Blauwalen in der Antarktis von 40 km (natürliche Kommunikationsreichweite unter Bedingungen mit hohem Umgebungsgeräusch) auf 15 km. Der Kontext, in dem Blauwal-Z-Rufe und Finnwal-20-Hz-Rufe erzeugt werden, zeigt, dass diese Rufe wichtige Funktionen für die Paarung und möglicherweise Nahrungssuche haben und somit eine Langstreckenkommunikation erfordern. Bei Arten mit hochfrequenten oder breitbandigen Lautäußerungen wie Schwertwalen und Weddellrobben hängt das Ausmaß der Kommunikationsmaskierung davon ab, wie stark Tiere von dem tieffrequenten Anteil der Lautäußerungen abhängig sind, um biologisch relevante Informationen zu extrahieren. Diese Abhängigkeit wurde bislang jedoch noch nicht untersucht. Quelle: Forschungsbericht

Airguns used in seismic explorations and scientific surveys produce high-intensity impulsive sounds with most energy concentrated in the low frequency band. Apart from the potential to induce permanent and temporary shifts of hearing threshold and to trigger disturbance reactions, airgun noise can mask the perception of acoustic environmental cues. This frequency range overlaps with many marine mammal vocalizations, especially the songs and calls of baleen whales. Airguns may therefore mask marine mammal communication signals even at large distances from the airgun location. This study assesses the communication masking potential of airgun noise in the Southern Ocean using a modelling approach. A parabolic equation approximation was used to model the propagation of airgun pulses in the Southern Ocean. The propagation models were verified based on recordings of two seismic surveys in the Southern Ocean. Model predictions are consistent with the measurement results within a few decibels for the sound exposure and energy spectral levels. Multiple ray paths arise from the point source with a three-dimensional spreading and resulting reflections from the water surface and seabed. These rays, which connect the source with the receiver differ in length. Ray arrival of a short impulsive signal at the receiver is therefore not simultaneous. Accordingly, the length of the received signal increases with distance from the source. The amount of this so-called signal stretching was slightly underestimated by the propagation model. Airguns operating over the Australian continental shelf were found to be best correlated with the sound fixing and ranging (SOFAR) channel when the water depth was in the range of 300 to 700 meters, leading to much further propagation distances. Sound scattering by the surface due to surface wind-waves was found to be an important cause of transmission loss in the region south of the polar front. The verified propagation models allowed for predicting the received levels of airgun pulses and animal vocalization signals at the animal's ear for any distance to the airgun as well as to the vocalizing conspecific. A psychophysical model based on a spectrogram correlation receiver was developed in order to reflect temporal and spectral resolving properties of the animal' auditory system. It predicts that communication ranges of blue and fin whales can still be severely reduced at distances between 1000 and 2000 kilometres from an airgun survey. For example, the model predicts that airgun operations at a distance of 2000 km from the listening individual can reduce the detection range for Antarctic blue whale z-calls from 40 km (natural communication range under high ambient noise conditions) to 15 km. The context in which blue whale z-calls and fin whale 20 Hz calls are produced indicates that these calls have important functions for mating and possibly foraging, which both necessitate long-range communication. For species with high-frequency or broadband vocalizations such as killer whales and Weddell seals, the extent of communication masking depends on the degree animals rely on the low frequency part of the vocalizations to extract biologically relevant information, which remains unknown to date. Quelle: Forschungsbericht

Marine mammals depend largely on their sense of hearing. Underwater noise can lead to acoustic masking of biologically important sounds. Marine airguns used for scientific studies of the seabed produce this type of sound. In this project, models were developed to assess the masking potential of airguns on blue whale, fin whale, killer whale and Weddell seal communication. The results of the models also show that seismic surveys conducted at lower latitudes (Australia) may also have masking potential in remote areas at higher latitudes (Antarctica). In the majority of the scenarios considered, however, a severe masking effect only manifests at distances of up to 200 km.