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。

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