【科學史沙龍】從水下聲音探索海洋生物多樣性

在進行水下感測時，光線在海水中的傳播範圍極為有限，但是透過聆聽海中的各種環境音與動物音，就能夠有效探測海洋的環境變遷、生物多樣性、以及人為干擾。本講次簡介被動式水下聲學的發展歷史，並討論近年來結合新興水下技術與資訊科技後，其在海洋生物多樣性監測的眾多應用與發展潛力。

講師：林子皓｜中央研究院生物多樣性研究中心助理研究員

水下聲學的發展，最早可追溯至亞里斯多德，他發現魚類與海豚會在水下發聲；達文西也曾經說過在水面用長管聆聽水下，可以聽到遠方船隻的動態，不過實作上卻無法重現。真正確認水下能夠傳聲的是法國物理學家諾萊 (Abbé Nollet) ，他在 1743 年確認水下鬧鐘的聲響，在水中能夠輕易聽到；瑞士物理學家柯拉頓 (Jean-Daniel Colladon) 以及法國數學家史特姆 (Charles François Sturm) 則在 1826 年，以實驗測得水中傳聲速度為每秒 1,435 公尺，與現測值僅差距 3 公尺。測得傳聲速度之後，科學家就開始嘗試進行水下測繪，在兩次世界大期間更由軍方主導，研發以聲納偵測潛艦與水雷的技術。雖然二十世紀的水下聲學發展是以軍事應用為主，但這也成為民用技術的基礎，舉凡降低船隻進入危險淺水海域，水下導航通訊，偵測魚群，海底探勘，都是以水下聲學為基礎的應用。

水下傳聲對於海洋動物來說相當重要，牠們不但透過水下傳聲彼此溝通、求偶，也以類似聲納的方式，了解週遭環境特徵，尋找食物，或是探查掠食者的位置。不同的魚類有各自獨特的聲音，經驗老道的漁民可以聽聲辨識魚種；鯨豚等水下哺乳動物不同的溝通行為，也有著獨特的哨聲曲譜結構與多樣性，可以辨識牠們什麼時候在進行社交活動，什麼時候在進行移動旅行。雖然鯨豚的哨叫聲具有多種變化，但大部分都具有窄頻操作的特性，只要把功率頻譜上的尖峰頻率擷取出來，就能加以有效偵測，提升海洋生態調查的效率。

然而近年來由於人類活動造成海洋噪音日漸增長，對於海洋動物造成相當程度的干擾，不但對其聽覺造成壓迫感，以至於暫時性甚至永久性的聽力損傷，其遮蓋效應也會降低其溝通效率，甚至妨礙海洋幼生以趨音性尋找棲地的本能，對其族群存續造成直接傷害。受到人為噪音劣化的海洋聲景，也可能會降低生態系的恢復力。

透過高時間解析度的主動式水下聲學遙測，我們得以把海洋聲景中的自然環境聲、海洋動物聲、以及人為噪音區隔開來，補足其它海洋環境監測項目的不足之處，具體分析人為噪音對於海洋生物多樣性有何影響，並藉此發展生態探勘、旅遊、環境影響評估等等生態資訊應用。「海洋生物多樣性聆聽計畫」就是這樣一個旨在了解氣候變遷、人為資源開發、與海洋多樣性之間交互作用的跨國性合作計畫，將頻譜資料視覺化並開放研究方法與分析工具，供給公眾評估運用。