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Wale in den Weltmeeren zu erforschen ist keine einfache Aufgabe. Weltweit betreiben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen immensen Aufwand, um die Tiere zu orten damit sie mehr über sie erfahren können. Sie nutzen dafür Daten von Satelliten, Luftaufnahmen, Hydrophone oder versuchen, sie direkt zu sichten. Doch dies sind meist nur Momentaufnahmen, eine längerfristige Überwachung ist nur bei mit GPS-Sendern ausgestatteten Tieren möglich. Nun ist es Forschenden der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU), Trondheim, erstmals gelungen, Bartenwale kontinuierlich und fast in Echtzeit zu belauschen und zu lokalisieren, indem sie Unterwasser-Glasfaserkabel vor Svalbard anzapften.
Der gesamte Weltozean ist durchzogen von rund 1,2 Millionen Kilometer Glasfaserkabeln, die der Telekommunikation dienen und ein enormes Potential für die Erforschung von Walen bergen. Die Technik wird als Distributed Acoustic Sensing (DAS) bezeichnet und nutzt ein Abfragegerät an Land, um ein Glasfasersystem anzuzapfen und in eine virtuelle Anordnung von Hydrophonen — Unterwasser-Mikrophonen — zu verwandeln.
Eines der wenigen Seekabel in der Arktis ist das 2015 in Betrieb genommene zwischen Longyearbyen und Ny Ålesund auf Spitzbergen, das das Forscherteam für die Studie nutzte, die im Fachjournal Frontiers in Marine Sciences veröffentlicht wurde. Im und vor dem Isfjorden gehen Blauwale und andere Bartenwale im Sommer auf Nahrungssuche. Vierzig Tage lang konnten zwei Forscherinnen im Juni 2020 das Abfragegerät nutzen und das 120 Kilometer lange Glasfaserkabel abhören.
«Ich glaube, dass dies das Feld der marinen Bioakustik verändern kann», sagt Hauptautorin Léa Bouffaut, die Postdoc am NTNU war und jetzt als Postdoc-Stipendiatin am K. Lisa Yang Center for Conservation Bioacoustics an der Cornell University weiter forscht. «Der Einsatz von Hydrophonen ist extrem teuer. Aber Glasfaserkabel liegen überall auf der Welt und sind zugänglich. Dies könnte ähnlich sein wie die Erfassung der Erde durch Satellitenbilder, die es Wissenschaftlern aus vielen verschiedenen Bereichen ermöglicht hat, viele verschiedene Arten von Studien über die Erde durchzuführen. Für mich könnte dieses System so etwas wie Satelliten im Ozean werden.»
Zudem sind Hydrophone nur an wenigen Orten installiert, sie decken nur ein begrenztes Gebiet ab und sind nicht gleichmäßig über den Ozean verteilt, was beispielsweise die Erforschung der Wanderrouten erschwert.
«Indem wir ihre Geräusche, ihre Rufe und ihre Vokalisationen studieren, können wir viel über sie lernen. Wir können herausfinden, wo sie sich zu verschiedenen Jahreszeiten aufhalten und wie und wohin sie wandern. Wir erhalten also eine Menge Informationen, wenn wir sie belauschen», sagt Hannah Joy Kriesell, Postdoc an der NTNU und Co-Autorin der Studie.
Die Distributed Acoustic Sensing-Methode hingegen ermöglicht den Forschenden, nicht nur die Erfassung von Wallauten, sondern sie können das Glasfaserkabelnetz nutzen, um die Position der Wale räumlich und zeitlich in einer noch nie da gewesenen Auflösung zu bestimmen, so Bouffaut.
«Mit diesem System, das wir im Grunde als Hydrophon-Array bezeichnen können, haben wir die Möglichkeit, ein viel größeres Gebiet für die Überwachung abzudecken. Und da wir den Schall aus mehreren Winkeln empfangen, können wir sogar sagen, wo das Tier war – die Position des Tieres. Und das ist ein großer Vorteil. Und wenn wir noch weiter gehen, was noch einige zusätzliche Arbeit erfordert, könnte dies in Echtzeit geschehen, was für die akustische Überwachung von Walen wirklich ein großer Fortschritt wäre», erklärt Kriesell.
Distributed Acoustic Sensing ermöglicht auch das «Hören» anderer Geräusche, die durch das Wasser übertragen werden, z. B. große tropische Stürme, Erdbeben und Schiffe. «Wenn sich irgendetwas in der Nähe dieser im Meeresboden vergrabenen Faser bewegt oder ein akustisches Geräusch verursacht, können wir das messen», sagt Martin Landrø, Geophysiker an der NTNU, Leiter des Zentrums für geophysikalische Vorhersage und Co-Autor der Studie. «Was wir also gesehen haben, war natürlich viel Schiffsverkehr, viele Erdbeben, und wir konnten auch entfernte Stürme erkennen. Und zu guter Letzt: Wale. Wir haben insgesamt mindestens 830 Wallaute entdeckt.»
Die Datenübertragungskapazität des norwegischen Forschungs- und Bildungsnetzes (Uninett) ist sehr hoch und ermöglichte die Übertragung der Rohdaten von Longyearbyen nach Trondheim nahezu in Echtzeit. «Die Forscher konnten von Trondheim aus fast sofort mit der Untersuchung der Signalaufzeichnungen aus dem Meer vor Svalbard beginnen. Dies ist ein sehr gutes Beispiel für einen Paradigmenwechsel in der verteilten Datenerfassung», sagt Olaf Schjelderup, Leiter von Sikt — der Norwegischen Behörde für Gemeinsame Dienste in Bildung und Forschung — und Co-Autor der Studie.
Bouffaut und Kriesell analysierten 40 Tage lang insgesamt 250 Terabyte an Daten. Die Herausforderung bestand nicht nur in der Menge der Daten, sondern auch darin, dass «wir nach Signalen suchen, ohne genau zu wissen, was wir erwarten. Es handelt sich um eine neue Technologie und eine neue Art von Daten, die bisher noch niemand für die Suche nach Walen verwendet hat», so Bouffaut. Obwohl die Arbeit mühsam war, beschrieb sie sie dennoch als «sehr, sehr aufregend», besonders als sie Walsignale sahen.
Mit den nun vorhandenen Daten könnten Modelle für maschinelles Lernen trainiert werden, um die Datenanalyse zu vereinfachen und zu automatisieren.
Die beiden Forscherinnen identifizierten sogenannte stereotype Laute von nordatlantischen Blauwalen außerhalb des Isfjorden. Außerdem entdeckten sie sogenannte D-Laute, bei denen der Ton nach unten schwingt, und die von Männchen, Weibchen und Kälbern stammen können.
Die Arktis verändert sich derzeit aufgrund des Klimawandels sehr schnell und damit auch die Nutzung durch Tiere und Menschen. Während Wale die polaren Gewässer mit Zurückweichen des Eises zukünftig möglicherweise über längere Zeiträume aufsuchen, eröffnen sich gleichzeitig für den Schiffsverkehr, die Fischerei und den Tourismus neue Möglichkeiten.
«Wenn die Wale ihr Verhalten in diesem Gebiet ändern und es vielleicht nicht mehr nur für die Nahrungssuche oder für Aktivitäten nutzen, bei denen sie sehr gefährdet sind, dann kann uns diese Art von Technologie helfen, diese Veränderungen zu überwachen», so Bouffaut.
Bouffaut und Kriesell hoffen, das DAS-System so einrichten zu können, dass die Daten in Echtzeit analysiert werden können. Dann könnten die Informationen an Schiffe weitergeleitet werden, die Gewässern mit Walen durchfahren, um so das Risiko von Kollisionen zu verringern. «Das Eis in der Arktis schmilzt, und der Schiffsverkehr in der Arktis hat drastisch zugenommen. Und das ist ein Problem für die Tiere. Wenn wir also eine Möglichkeit hätten, die Schiffe in Echtzeit über den Aufenthaltsort der Wale zu informieren, könnten wir das Risiko von Schiffskollisionen verhindern oder zumindest verringern», sagt Kriesell.
Julia Hager, PolarJournal
Link zur Studie: Léa Bouffaut, Kittinat Taweesintananon, Hannah J. Kriesell, et al. Eavesdropping at the Speed of Light: Distributed Acoustic Sensing of Baleen Whales in the Arctic. Frontiers in Marine Science, 2022; 9 DOI: 10.3389/fmars.2022.901348