Pola hałasów antropogenicznych i szumów w Bałtyku, ich unikalne charaktery- styki, prognozy trendów i potencjalnego wpływu na organizmy morskie.
Zygmunt Klusek
Instytut Oceanologii PAN, Sopot ul. Powstańców Warszawy 55
e-mail: klusek@iopan.gda.pl 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 każ- dym 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 wystę- pują dla płytkich, ograniczonych wewnątrzkontynentalnych akwenów, do których m.in. zali- czamy 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 roz- miarach, większej mocy silników i poruszających się z większymi prędkościami.
W Bałtyku, na znacznych obszarach, szczególnie w zachodnich i północnych akwe- nach 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, Lisi- menka, 2007).
Ciekawym unikalnym zjawiskiem jest obserwowana znaczna zależność poziomu szu- mu, 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
szumu może różnić się o kilkanaście decybeli – czyli natężenie o rząd wielkości (Rys. 1).
Rys. 1. Przebieg czasowy gęstości widmowej szumów (Noise Spectrum Level) na Głębi Bornholmskiej, w okresie zimowych warunków propagacji, na dwóch głębokościach obser-
14 19 5 19 5 19 5 19 5 12 40
50 60 70 80 90 100
NSL [dB//1
2 µPa/Hz]
Czas Lokalny [h]
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
14 19 5 19 5 19 5 19 5 12 40
50 60 70 80 90 100
NSL [dB//1
2 µPa/Hz]
Czas Lokalny [h]
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
wacji z=23 m i z=45 m (odpowiednio, panele górny i dolny) w pasmach o szerokości 1/3- oktawy. W legendzie przedstawiono centralne częstotliwości pasm wyrażone w kHz. (Lisi- menka, 2007)
Szczególnie wysoki poziom szumu w Bałtyku rejestruje się w miesiącach zimowych kiedy pod powierzchnią morza powstaje zjawisko tzw. zimowego podpowierzchniowego ka- nału akustycznego sprzyjającego gromadzeniu dźwięków w morzu, co zilustrowano na po- wyższym 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
rury, itp. (patrz Rys. 2).
Rys. 2. Seria czasowa ciśnienia akustycznego hałasów pochodzącego od trzech kafarów. Sy- gnały zarejestrowane podczas prowadzenia inwestycji przy nabrzeżu Helskim w porcie gdyń- skim 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 od- ległości 50 m od urządzenia były niższe w porównaniu do literaturowych doniesień dla twar- dego dna, nie przekraczając zazwyczaj wartości 1 000 Pa. Jedynie w kilku seriach zarejestro-
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
x 108
Czas [sek]
Ciśnienie Akustyczne
[ µPa]
2fPortArea 5
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 ciśnie- nia 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 źró- dła podwodnych dźwięków w Bałtyku, to głownie urządzenia militarne – jak sonary dalekie- go 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 roz- różniania 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 szu- mów generowanych na powierzchni morza. Wprowadzenie szerokopasmowych szumów do środowiska może u różnych organizmów zakłócać komunikację wewnątrzgatunkową, zdolno- ści 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 najbar- dziej czułych na hałas ryb (Enger, 1967). Generalnie próg słyszalności i ich reakcje na dźwię- ki 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 do- kładniejsze 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 ni- skich 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 obser- wowano 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, wyni- kających 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 okre- ślenie 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 wypraco- wywane 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 pobu- dzone do drgań pęcherzyki gazowe w przypowierzchniowej warstwie morza w IO PAN pod- jęto 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 pod- czas załamania fal wiatrowych (Dragan, Swerpel, Klusek, 2013, Klusek, Lisimenka, 2013) czy prędkości wiatru (Lisimenka, 2007).
Obiecującym wydaje się wykorzystanie szumu morza, jednak ograniczonego do sytu- acji 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 powierzchnio- wych wód bałtyckich, co z kolei spowoduje obniżenie tłumienia dźwięku w warstwach po- wierzchniowych, i co z kolei przełoży się na wyższy poziom szumu, szczególnie antropoge- nicznego 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 odpo- wiednią konstrukcję statku – jak przekładki, amortyzatory, zmniejszenie prędkości itp. Inną miara ograniczania wpływu hałasów na organizmy morskie może być wyznaczanie odpo- wiednich, tras żeglugi, z dala od obszarów chronionych.
Podczas prac związanych przyszłymi inwestycjami gdzie prowadzi się badania sej- smiczne i wbijanie pali należy w miarę możliwości wprowadzać szereg działań zapobiegają- cych 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 altera- tion 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 Under- water 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 low- frequency 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, Roz- prawy 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 doktor- ska, 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. Back- ground 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.
