Dzidki, ocean może wydawać się z powozu miejscem, w którym panuje cisza, jednak wcale tak nie jest, a wręcz przeciwnie – akustyka oceanu jest bardzo bogata i różnorodna, można rzec, że w oceanie panuje ogromny hałas. Rejestrowany jest nie tylko przez systemy SONAR z wykorzystaniem hydrofonów, ale niekiedy zdarza się również, że żyjące w oceanie zwierzęta czy różne zjawiska są słyszane przez człowieka bez jakiejkolwiek pomocy. Wieloryby, wybuchy podwodnych wulkanów, płynące łodzie podwodne i batyskafy, statki, podwodne torpedy i drony, spadające lodowce, ocierające się o siebie ruchy płyt tektonicznych trąby wodne i tsunami, wiry wodne, wybuchy podwodnych min czy nawet testy broni nuklearnej przez jednostki wojskowe różnych krajów (tak, przeprowadza się je zazwyczaj na oceanie, a nie na lądzie) tworzą niezwykle donośną i bogatą kaskadę wszelkich dźwięków. Zarówno na lądzie, jak i w wodzie, najgłośniejszymi żyjącymi zwierzętami są kaszaloty spermacetowe. Co ciekawe, wydawane przez nie dźwięki mogą być śmiertelne.

Kaszaloty spermacetowe – Krótka charakterystyka

Największym z podrzędu zębowców są kaszaloty. Dorosłe kaszaloty spermacetowe (zwane również potwalem) osiągają długość od 15 do 20 metrów długości i osiągają wagę do około 75 ton. Głowa dorosłego osobnika osiąga aż 1/3 ich ciała, zaś pojedynczy ząb (których mają aż 50) waży około 1 kg. Zęby znajdują się jedynie w dolnej żuchwie i idealnie wpasowują się w otwory znajdujące się w górnej części szczęki. Ich ulubionym pożywieniem są kałamarnice olbrzymie (które kiedyś mogły być uznawane za Krakena) – polowanie na nie powoduje, że głowy kaszalotów pokryte są licznymi bliznami, również od ich niezwykle mocnych przyssawek. Dzioby kałamarnic olbrzymich nie mogą być przez nie strawione, dlatego zalegają w żołądku do końca życia osobnika. Rekordowa ich ilość znaleziona w żołądku jednego osobnika wynosiła ponad 18000. W pościgu za ulubionym przysmakiem mogą zanurkować na głębokość nawet 1,5 km, co czyni z nich zarazem drugimi z najgłębiej nurkujących ssaków. Kaszaloty spermacetowe rodzą tylko jedno młode naraz i samica karmi je mlekiem. Ciąża trwa ok. 14-15 miesięcy. Młode potwala zwane jest cielęciem. Co ciekawe, śpią w grupach w pozycji pionowej.

Kaszalory spermacetowe a wielorybnictwo

Niegdyś wykorzystywano w przemyśle kosmetycznym, przez co stanowiły spore zainteresowanie wśród wielorybników. Pozyskuje się z nich spermacet (oleistą masę znajdującą się między kośćmi ich czaszek), który wykorzystuje się do produkcji szminek i kremów oraz ambrę (masa, która powstaje jedynie w jelitach chorych lub martwych osobników), która ze względu na silny aromat o ciekawym zapachu wykorzystuje się w przemyśle perfumeryjnym – jest on niezwykle cennym surowcem, który osiąga wysokie ceny. Były głównym obiektem połowów wielorybników od XVIII do końca XIX wieku. W 1982 roku zakazano całkowicie polowania na kaszaloty spermacetowe i wpisano je do Czerwonej Księgi Gatunków Zagrożonych, gdzie przypisano je do kategorii VU (czyli „narażony na wyginięcie”).

Introwertyk z umiejętnościami miękkimi

Wykazują bardzo rozbudowany system komunikacyjny między osobnikami, mimo, że są raczej samotnikami i przez większość czasu przebywają w pojedynkę (czyli taki introwertyk z bardzo rozbudowanymi umiejętnościami miękkimi – nie przepadają za towarzystwem innych osobników i często nie wykazują potrzeby przebywania w grupie, ale jak już trzeba radzą sobie naprawdę dobrze). Mają bardzo rozbudowaną sieć zachowań społecznych, które są niemalże aż tak zaawansowane, jak w przypadku delfinów butlonosych, co stanowi często przedmiot badań zoologicznych i oceanologicznych. Na przykład, kiedy w okolicy pojawia się zagrożenie, komunikują się ze sobą ustalając miejsce spotkania, zbierają w grupę i ustawiają formację, które pozwala im chronić cielę lub rannego osobnika. Są bardzo empatyczne, pomagają sobie wzajemnie i tak jakby wyświadczają coś w rodzaju przysługi – kiedy jeden pomoże ochronić młode lub krewnego drugiego kaszalota, ten odwdzięcza się w podobny sposób, kiedy jest potrzeba. Rozpoznają się po wydawanych przez siebie dźwiękach… zwanych kliknięciami.

Klik! Klik!

Kaszaloty spermacetowe mają bardzo rozbudowany język. Wydają dźwięki, które brzmią jak kliknięcia. Są one najgłośniejszym dźwiękiem wydawanym przez zwierzę… tak głośnym, że są w stanie uśmiercić człowieka znajdującego się w ich pobliżu (no i maja nauczkę za podsłuchiwanie rozmów kaszalotów). Ich wokalizacje osiągają głośność nawet ok. 236 decybeli. Dla porównania – dźwięk silnika odrzutowego oddalonego o 50 m od uszu człowieka dochodzi do głośności 140 dB. Przy ok. 150 decybelach dochodzi do pęknięcia bębenków usznych, zaś prób śmierci w wyniku zbyt dużego hałasu szacuje się u człowieka na od 180 dB do 200 dB. Warto też zaznaczyć, że dźwięki w wodzie rozchodzą się zupełnie inaczej, niż w powietrzu. Ponieważ woda jest gęstsza niż powietrze, dźwięk w wodzie jest mierzony w innej skali decybeli (co oznacza, że kliknięcia o mocy ponad 200 decybeli są znacznie bardziej wzmacniane, niż na lądzie). W powietrzu kaszalot nadal byłby bardzo głośny, ale znacznie mniej — 174 decybele, co i tak jest wystarczająco głośnym dźwiękiem, aby rozerwać ludziom bębenki uszne.

Te dźwięki są na tyle głośne pod wodą, że nurkowie, którzy znajdowali się za blisko „klikających” kaszalotów nawet nie mieli pękniętych bębenków usznych, a wręcz zostały one całkowicie wydmuchane ze względu na… towarzyszące kliknięciom wibracje. Które z kolei są tak silne, że dosłownie są w stanie sparaliżować człowieka na śmierć i zatrzymać pracę jego serca w wyniku silnych wibracji, które również mogą spowodować wstrząs mózgu. Jeden z nurków badający zachowanie kaszalotów z dość sporej odległości po tym, kiedy jeden z osobników zaczął komunikować się przy pomocy kliknięć, już po krótkiej ekspozycji na wibracje miał całkowicie sparaliżowaną rękę na prawie 4 godziny. Osłonił nią głowę i nie mógł nią później ruszyć. Kaszaloty spermacetowe rzadko używają tych dźwięków do samoobrony – częściej do polowania poprzez unieruchamianie mniejszych ofiar, do komunikowania się, badania otoczenia i poruszania się po wielkim błękicie przy pomocy echolokacji.

Jak potwale generują dźwięk o takiej głośności?

Kaszaloty spermacetowe przepuszczają powietrze przez kanały nosowe, które jest następnie przeciskane przez dwie wargi zwane „wargami małpy” z przodu nosa, tuż pod otworem – dla porównania, wytwarzanie tego dźwięku jest podobne do powietrza przechodzącego przez szyjkę balonu, działa to na podobnej zasadzie. Dźwięk ten jest następnie wzmacniany przez tłusty, wypełniony woskiem narząd zwany spermacetem (wspomniany we wcześniejszej części dzidki – składnik wykorzystywany do produkcji szminek i kremów w przemyśle kosmetycznym), który znajduje się na czubku czaszki zębowca. Następnie kliknięcia odbijają się od części czaszki i są kierowane z powrotem na zewnątrz przez narząd spermacetu. Szacuje się, że dzięki tej technice kaszaloty mogą słyszeć się nawzajem z odległości setek, a może nawet tysięcy kilometrów. Ich rozbudowana komunikacja nadal stanowi przedmiot badań oceanologów, zaś setki różnych kliknięć nadal pozostają niezrozumiałym dla człowieka szyfrem ze względu na poziom jego skomplikowania.

Dodatkowa literatura dla zainteresowanych:

1.https://www.projektpulsar.pl/srodowisko/2101487,1,kultura-waleni.read
2.https://wildexplained.com/are-sperm-whales-dangerous/
3.https://www.smithsonianmag.com/science-nature/the-sperm-whales-deadly-call-94653/
4.https://roaring.earth/sperm-whales-can-vibrate-humans-to-death/
5.https://whalewatchingazores.com/blog/why-do-sperm-whales-use-so-many-types/
6.https://forscubadivers.com/marine-life-for-divers/diving-with-sperm-whales-can-be-painful-or-deadly/
7.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004222006642
8.https://www.pbs.org/odyssey/odyssey/20010809_log_transcript.html
9.https://whalewatch.co.nz/our-nature/latest-news/how-do-sperm-whales-communicate/
10.https://ocr.org/sounds/sperm-whale/
11.https://www.gsweventcenter.com/GSW_RTC_References/1992_0801_FICON.pdf
12.https://dosits.org/galleries/audio-gallery/marine-mammals/toothed-whales/sperm-whale/
13.https://soundcloud.com/bbc_com/sperm-whale-call-5r-exchange-at-the-onset-of-a-dive
14.https://www.researchgate.net/figure/Three-dimensional-reconstruction-of-the-head-of-an-adult-sperm-whale-The-major_fig1_274674089
15.https://www.gospodarkamorska.pl/niezwykly-sen-wielorybow-wideo-56554
16.https://www.tygodnikprzeglad.pl/samotnosc-kaszalota/
17.https://www.sabbathofsenses.com/2015/10/ambra-zoto-perfumiarzy.html
18.https://www.ripleys.com/weird-news/sperm-whales/
19.https://swiatzwierzat.pl/kaszalot-smakosz-wielkich-kalamarnic-evg
20.https://wieloryby-i-ich-krewni.fandom.com/pl/wiki/Kaszalot_spermacetowy
21.https://kopalniawiedzy.pl/kaszalot-spermacetowy-kaszalot-trzesienie-ziemi-zerowanie-populacja-Marta-Guerra,31590

Dzidki, ostatnio było o sonarach, więc nie może również zbraknąć hydrofonów. Są to specjalne mikrofony podwodne, które wykorzystuje się w sonarach pasywnych. Służą one do nagrywania i odbierania dźwięków rozchodzących się w wodzie oraz innych rodzajach cieczy. Przy ich pomocy następuje rejestracja dźwięku, nawet znajdującego się w bardzo dużych odległościach od hydrofonu. To właśnie takie urządzenia umożliwiły nagranie wielu podwodnych dźwięków, w tym także części niezidentyfikowanych, jak Bloop, Upsweep, Julia, Slowdown, Train i Whistle, które po raz pierwszy zostały zarejestrowane w latach 1991-1999 przez amerykańską instytucję rządową NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) zajmującą się zjawiskami zachodzącymi w oceanach oraz ekstremalnymi warunkami pogodowymi. Nagrywa się nimi również wiele innych zjawisk, jak śpiewy wielorybów czy odgłosy z dna Rowu Mariańskiego – chociaż ich pierwotnym celem było wykrywanie łodzi podwodnych, które poruszały się w oceanicznych głębinach. Służą również do monitorowania topnienia lodowców oraz do wykrywania innych zmian klimatycznych – w tym klęsk żywiołowych takich jak tsunami czy trąby wodne, a także erupcje podwodnych wulkanów.

Jak działa hydrofon?

Wiele osób uważa, że w morzach czy oceanach często panuje cisza, a wiele stworzeń nie generuje żadnych dźwięków. Tymczasem jest to błędne przekonanie – ocean jest pełen różnej maści dźwięków, które po prostu generowane są na różnych częstotliwościach. Zwierzęta morskie wykorzystują dźwięki nie tylko do komunikacji między sobą, ale również lokalizowania obiektów, zaimponowania partnerowi podczas godów, a nawet podczas polowania czy samoobrony. Również inne zjawiska zachodzące w oceanie generują wiele różnych dźwięków (wybuchy podwodnych wulkanów, trzęsienia ziemi czy nawet płynące statki lub motorówki… czy wybuchające, martwe wieloryby). To właśnie ich odczytywanie i nagrywanie możliwe jest dzięki pracy hydrofonów. Wszelkie dźwięki pochodzące z otoczenia są odbierane przez nie i przetwarzane na sygnały elektryczne (zmiana ciśnienia przekształcana jest na zmianę napięcia elektrycznego w piezometrze). Wzmacniając i rejestrując te sygnały elektryczne, hydrofony mierzą dźwięki oceanu z dużą precyzją. Podczas, gdy pojedynczy hydrofon może rejestrować dźwięki z dowolnego kierunku, kilka hydrofonów jednocześnie ustawionych w szeregu, często oddalonych od siebie o tysiące mil pozwalają na nasłuchiwanie dźwięków, przy pomocy których można określić np. trasę przepływania łodzi podwodnych czy waleni oraz podejmowane przez nie czynności. Wbudowany w nie układ fazujący pomaga określić kierunek źródła szumów na podstawie różnic sygnałów odebranych przez kilka znajdujących się niedaleko siebie hydrofonów, które zarejestrowały ten sam dźwięk. Następnie po wzmocnieniu sygnałów elektrycznych urządzenie przetwarza je ponownie na fale dźwiękowe, które odbierane są przez głośnik lub słuchawki operatorów systemu.

Większość hydrofonów posiada budowę opartą na specjalnej właściwości niektórych materiałów ceramicznych, które wytwarzają niewielki prąd elektryczny pod wpływem zmian ciśnienia zachodzących w głębinach akwenu. Po zanurzeniu w wodzie, ceramiczny hydrofon wytwarza sygnały o niskim napięciu w szerokim zakresie częstotliwości, ponieważ został on wystawiony na działanie podwodnych dźwięków dochodzących z różnych kierunków.

Hydrofony przewodowe

Znacznie droższą, ale trwalszą technologią eksploracji akustycznej jest instalacja zestawu hydrofonów połączonego z podwodnym kablem komunikacyjnym. Od lat 60. marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych obsługuje system wojskowy SOSUS (SOund SUrveillance System) który montuje się w wielu obszarach wszystkich oceanów świata tworząc tym samym zintegrowaną sieć hydrofonów połączoną również z innymi urządzeniami (np. geofonami dokonującymi pomiaru prędkości akustycznej). Począwszy od 1989 rok Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych zgodziła się na udostępnienie środowisku naukowemu korzystanie z systemu SOSUS do monitorowania środowiska oceanów, dzięki czemu ma ona podwójne zastosowanie (militarne i badawcze). Od 1991 roku system SOSUS wykorzystywany jest w dużej mierze przez NOAA, co pozwala na wykrywanie podwodnych erupcji wulkanów na północno-wschodnim Pacyfiku czy śledzenia migracji i zachowania płetwalów błękitnych na tym obszarze. Zasięg systemu jest taki, że wstrząsy wulkaniczne z południa Japonii zostały z powodzeniem wykryte i zlokalizowane za pomocą macierzy SOSUS rozmieszczonych u wybrzeży Oregonu oraz Waszyngtonu. Dostęp do SOSUS jest ograniczony – dane uzyskane przy jego pomocy są w dużej mierze utajnione, a także można z niego korzystać tylko w określonych obiektach służących do pomiarów (nie wszystkie są też jawne). Ponadto są one rozmieszczone tylko w obszarach potrzeb wojskowych, dlatego z biegiem lat NOAA otworzyła również własne stacje pomiarów akustycznych w celu efektywniejszego prowadzenia badań dla swoich potrzeb. Przewodowa natura SOSUS umożliwia pozyskiwanie danych akustycznych w czasie rzeczywistym, ale przy wysokich kosztach - łączna wartość inwestycji w SOSUS szacowana jest na ponad 16 miliardów dolarów.

Pierwsze długoterminowe obserwatorium akustyczne Pioneer Seamount w głębokim oceanie zostało zainstalowane u wybrzeży Kalifornii i było jednym z założeń programu Sound in the Sea. W latach 90. XX wieku do założonego punktu monitoringu akustycznego doprowadzono podwodny kabel w celu przeprowadzenia eksperymentu oceanograficznego. Wspierając eksplorację oceanów, NOAA przejęła odpowiedzialność za kabel. Pioneer Seamount Acoustic Observatory jest pierwszym cywilnym (niesklasyfikowanym) zestawem hydrofonów głębokowodnych do długoterminowego monitorowania otaczających hałasów oceanicznych i ich wpływu na środowisko morskie. Zestaw składa się z czterech elementów hydrofonów zawieszonych pionowo w wodzie nad dnem morskim. Dane akustyczne są zbierane w niewielkiej bazie United States Air Forces przy wybrzeżu Kalifornii i są dostępne zarówno dla naukowców, jak i opinii publicznej za pośrednictwem sieci WWW.

Autonomiczne hydrofony

W połowie lat 90. XX wieku, opierając się na sukcesie wcześniejszej pracy z SOSUS, NOAA opracowała przenośne hydrofony, które można rozmieścić w dowolnym miejscu w oceanie. Urządzenia te składają się z pojedynczego, ceramicznego hydrofonu przymocowanego do wodoodpornej obudowy ciśnieniowej, która zawiera baterie, komputery, zegary i inne elementy elektroniczne wymagane do utrzymania hydrofonu w pełnej sprawności przez kilka lat (co ma zapobiegać zakłóceniom w rejestracji danych, a tym samym zafałszowywaniu wyników odczytów fal dźwiękowych pochodzących z oceanicznych głębin). Z powodzeniem stosowano je w badaniach ssaków morskich i badaniach sejsmicznych, a nawet do wykrywania osuwisk na południowym wybrzeżu Hawajów z odległości ponad 5000 km. Ich kolejną zaletą jest przenośność, co pozwala rozmieścić je w dowolnym miejscu na oceanie, a nawet zmienić ich lokalizację po jakimś czasie. Ponadto wspomniane hydrofony autonomiczne są stosunkowo niedrogie w porównaniu z systemem kablowym, takim jak SOSUS. Jednak ich największą wadą jest to, że zarejestrowane przez nie dane nie mogą być odczytywane w czasie rzeczywistym – dopiero, gdy statek ponownie odwiedzi miejsce rozmieszczenia i odzyska hydrofon, możliwy jest odczyt zapisu.

Przewiduje się, że ulepszenia globalnych telefonów komórkowych w nadchodzących latach sprawią, że transmisja w czasie rzeczywistym z niedrogich miejsc do cumowania hydrofonów stanie się rzeczywistością. Przenośne zestawy hydrofonów są obecnie rozmieszczone na równikowym Pacyfiku, w Zatoce Alaskiej na Oceanie Spokojnym i na północnym Atlantyku na południe od Azorów (we współpracy z NSF i Oregon State University). W 2002 roku Sound in the Sea we współpracy z naukowcami z Francji rozmieścił nowy zestaw hydrofonów na Atlantyku na północ od Azorów w ramach rozpoczęcia projektu SIRENA.

System akustyczny SOSUS

SOSUS (ang. SOund SUrveillance System) początkowo wykorzystywany był do namierzania radzieckich okrętów podwodnych, jednak z czasem zmieniono je w narzędzie pomiarowe do badania dna oceanu wykorzystując zasięg sonarowy. System ten zapewnia na oceanie doskonały zasięg akustyczny w czasie rzeczywistym w obszarach o znaczeniu wojskowym obejmujących nie tylko okablowanie wojskowe, ale również komercyjne kable telekomunikacyjne przeprowadzone wzdłuż dna morskiego. W ciągu następnej dekady NOAA i jej partnerzy planują zainstalować liczne zestawy hydrofonów przez wszystkie oceany w ramach programu NOAA Ocean Exploration. Macierze te będą obejmować dodatkowe lokalizacje okablowane, podobnie jak Pioneer Seamount, a także autonomiczne instrumenty hydrofoniczne i inne nowe technologie do wdrożenia w regionach oceanicznych (niedostępnych z sieci kablowych). Zakres realizacji tego projektu będzie wymagał nie tylko podjęcia współpracy z innymi amerykańskimi agencjami oraz uniwersytetami, ale także przystąpienia do programu innych instytucji międzynarodowych. Efektem końcowym będzie system obserwacyjny zdolny do identyfikowania zjawisk oceanicznych w skali globalnej.

Hydrofony – Zastosowanie

Oprócz Narodowych Sanktuariów Morskich NOAA, Pacific Marine Environmental Laboratory (PMEL) NOAA również często używa hydrofonów. Pozyskuje on długoterminowe zestawy danych globalnego środowiska akustycznego oceanów, w celu ich identyfikacji i oceny wpływów akustycznych działalności człowieka oraz zjawisk meteorologicznych i geologicznych (jak chociażby podwodne wulkany, trzęsienia ziemi i pękające kawałki lodowców) na środowisko morskie.

Hydrofony mają szerokie zastosowanie obejmujące nie tylko wczesne wykrywanie działań militarnych podejmowanych w oceanach (na przykład wystrzeliwanie torped, przemieszczanie się łodzi podwodnych, testowanie min i bomb wodnych, eksplozje nuklearne, konflikty zbrojne marynarek wojennych różnych krajów odbywające się w głębinach oceanów, testowanie nowych urządzeń monitorujących czy urządzeń do pobierania próbek dna oceanicznego, fragmentów wraków statków lub wysadzonych min w celu ich identyfikacji itd.), ale też przeprowadzane badania oceanologiczne, oceanograficzne, sejsmologiczne czy meteorologiczne mające dostarczyć informacji na temat zachodzących zmian przyrodniczych, życia fauny morskiej czy pomóc w we wczesnym wykrywaniu nadchodzących klęsk żywiołowych (jak chociażby nasłuchiwanie wybuchów podwodnych wulkanów, ocierania się o siebie płyt tektonicznych, wydobywających się bąbelków metanu, przemieszczających trąb powietrznych, aktywność wirów wodnych, spadających do oceanu kawałków lodowców, śpiew waleni, eksplodujące zwłoki wielorybów czy wiele innych).

52 Blue – Najsamotniejszy wieloryb świata

Jednym z najbardziej intrygujących do tej pory zarejestrowanym przy pomocy hydrofonu dźwięku wydawanym przez walenie są pieśni płetwala błękitnego o niskiej częstotliwości 52 Hertza, który został nazwany z tej przyczyny 52 Blue. Udało się ustalić, że jest to pieśń… samotności. Po raz pierwszy dźwięk samotnego wieloryba został zarejestrowany 7 grudnia 1992 roku w pobliżu Wyspy Whindbey w północno-zachodniej części stanu Waszyngton w USA. Prawdopodobnie wieloryb uległ zagubieniu. Z obserwacji osobnika wynikało, że przez dłuższy czas nie spotkał on przedstawiciela swojego gatunku i zaczął z siebie wydawać zespół dźwięków przypominających smutną melodię o dużej częstotliwości. Prawdopodobnie miał on na celu nawoływanie innych płetwali błękitnych. Zarejestrowany wielokrotnie dźwięk osobnika 52 Blue i kilku innych waleni pomogło w ustaleniu, że dźwięki te wydawane są jedynie w przypadku długiego odosobnienia. Osiągają one zupełnie inną częstotliwość, niż pozostałe pieśni fiszbinowców, które służą komunikacji czy są wydawane w przypadku zagrożenia lub w okresie godowym.

Dla porównania śpiewy humbaków wydawane w celu zaimponowania potencjalnym partnerom (nagranie z 9 października 2014 roku):

Ciekawskie bieługi niekiedy starają się nie tylko odpowiadać człowiekowi, ale również naśladować wydawane przez niego dźwięki:

Hydrofony a wykrycie dźwięków nieznanego pochodzenia

Upsweep - zarejestrowany w sierpniu 1991 roku przez amerykańską instytucję rządową NOAA). Jest to pierwszy z sześciu zarejestrowanych podwodnych dźwięków nieznanego pochodzenia. Rejestracji dokonano przy pomocy zdemobilizowanego systemu wojskowego SOSUS. Składa się z długiego ciągu wąskopasmowych, narastających dźwięków trwających kilka sekund podczas trwania całego zjawiska, które podczas pierwszej rejestracji osiągnęło imponującą długość 9 minut i 35 sekund. Poziom jego źródła jest wystarczająco wysoki, aby był rejestrowany na całym Oceanie Pacyficznym. Ogólny poziom źródła spada od pierwszego zarejestrowania w 1991 roku, ale w dalszym ciągu dźwięki są regularnie rejestrowane przez oceanografów i sejsmografów NOAA.

Train - dźwięk przypominający jadący pociąg zarejestrowany 5 marca 1997 r. – jedyny znajdujący się dalej od pozostałych 5 niezidentyfikowanych dźwięków, bliżej Morza Rossa niedaleko Cape Adare na Antarktydzie, przez co powstała teoria, że dźwięk ten został wywołany bardzo powoli osuwającym się do morza kawałkiem lodowca.

Slowdown - najdłużej trwający z zarejestrowanych przez NOAA niezidentyfikowanych dźwięków nieznanego pochodzenia, którego prędkość zmniejszała się przez cały czas jego występowania - został zarejestrowany19 maja 1997 r.

Whistle  - dźwięk o dużej głośności brzmiący niczym gwizd został zarejestrowany 7 lipca 1997 r. przez tylko jeden z hydrofonów, czyli podwodnych mikrofonów stosowanych przez NOAA – był jednorazowy, bardzo krótki i występował na dużej głębokości, co utrudnia snucie teorii na temat jego pochodzenia czy prowadzenie dalszych badań w celu ustalenia jego źródła.

Bloop - zarejestrowany w sierpniu 1997 r., jednak brakuje danych o dokładnym dniu jego odnotowania – wspomniany już w innej dzidce najgłośniejszy z niezidentyfikowanych podwodnych dźwięków zarejestrowanych przez NOAA, który powtórzył się w tym samym miejscu jeszcze kilkukrotnie na przestrzeni lat Przypomina on charakterystyczne bulgotanie, skąd nazwa. Powstały liczne teorie na temat jego źródła, w tym ta o C’thulhu. Zapomniałam poprzednio dodać, skąd te przypuszczenia – otóż źródło zarejestrowania Bloopa znajdowało się blisko punktu z opowiadań H. P. Lovecrafta – miasta R’yleth powstałego jeszcze w czasach, kiedy nie było ludzi, zaś w budowlach tego miasta zamknięty był sam Wielki Przedwieczny – C’thulhu wraz z innymi istotami morskimi.

Julia  - zarejestrowany przez NOAA dnia 1 marca 1999 r. dźwięk opisywany jako „skomlący” – trwał przez 2 minuty 43 sekundy i był na tyle głośny, że było go słychać przez cały zestaw równikowych hydrofonów Pacyfiku.

Rejestracja dźwięku z dna Rowu Mariańskiego

O ile kiedyś uważano dno Rowu Mariańskiego za pozbawione życia i pogrążone w ciszy, w lipcu 2015 roku po raz pierwszy postanowiono opuścić hydrofon na samo dno Głębi Challengera na głębokości 10971 m, gdzie pozostawiono go na 23 dni, podczas których dźwiękami z dna została zapełniona cała pamięć flash. Samo urządzenie wydobyto dopiero w listopadzie tego samego roku ze względu na niebezpieczeństwo wiążące się z obecnymi tam tajfunami i częste rejsy statków w tej okolicy. Podczas odczytu danych okazało się, że na dnie największej głębiny świata panuje nieustanny hałas. Badania były prowadzone przez specjalistów z NOAA, Oregon State University i United States Coast Guard.

Okazało się, że dominują przede wszystkim dźwięki podwodnych trzęsień ziemi znajdujących się w bliskich i dalekich odległościach od hydrofonu, dźwięki wytwarzane przez tajfuny, pomruki i śpiewy waleni rozchodzące się w oceanicznej głębinie, a nawet zidentyfikowano hałas generowany przez śruby okrętów przepływające w pobliżu Guam. Jak podkreślają naukowcy NOAA, samo opuszczenie hydrofonu a tak dużą głębokość było ogromnym wyzwaniem ze względu na ogromne ciśnienie. Inżynier Chris Meining skonstruował ceramiczny hydrofon przeznaczony specjalnie do tej misji, który był opuszczany z prędkością mniejszą, niż 5 m/s, aby urządzenie wytrzymało zmiany ciśnienia w wodzie. Warto tutaj wspomnieć, że na dnie Rowu Mariańskiego panuje ponad 1000-krotnie większe ciśnienie, niż na powierzchni oceanu.

Celem ufundowanego przez NOAA projektu Sound in the Sea jest zbadanie poziomu hałasu tła w najgłębszych częściach Pacyfiku. Ludzie coraz bardziej zanieczyszczają oceany hałasem, co sprawia, że naukowcy chcą dokonać pomiaru, czy hałas w oceanach ulega zwiększeniu, a także zbadać jego wpływ na morskie zwierzęta wykorzystujące dźwięki do komunikacji, nawigowania i polowania. Od 2017 roku naukowcy rozpoczęli umieszczanie na dużych głębokościach w rowach oceanicznych kamer wraz z hydrofonami pracującymi przez dłuższy okres czasu w celu dokonywania długoterminowego monitoringu największych głębin świata.

Hydrofony do użytku komercyjnego

Warto również wspomnieć, że hydrofony wykorzystywane do badań w oceanach są znacznie większe, cięższe i bardziej skomplikowane, aby mogły dokonywać precyzyjnych pomiarów na bardzo dużych odległościach przez długi okres czasu przy jednoczesnym wytrzymywania wszelkich zmian ciśnienia czy zjawisk zachodzących w oceanicznych głębinach. Ale można również wykorzystać znacznie prostsze i mniejsze hydrofony do użytku komercyjnego. Na rynku można znaleźć hydrofony dla hobbystów do pomiaru dźwięków w niewielkich, słodkowodnych akwenach czy… hydrofony dedykowane specjalnie do łowienia ryb, które w połączeniu z sonarem dla rybaków czy wędkarzy pomagają zarejestrować ławice ryb.

Niektórzy również budują takie hydrofony samodzielnie, w warunkach domowych:

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

1.https://oceanservice.noaa.gov/facts/hydrophone.html
2.https://oceanexplorer.noaa.gov/technology/acoustics/acoustics.html
3.https://www.ndbc.noaa.gov/
4.https://www.pmel.noaa.gov/news-story/scientists-use-hydrophone-listen-methane-seeps-ocean
5.https://eos.org/articles/audio-reveals-sizes-of-methane-bubbles-rising-from-the-seafloor
6.https://www.nwpb.org/2018/08/31/bubble-hunters-ocean-scientists-count-1000-methane-seeps-off-pacific-northwest-coast/
7.https://dosits.org/galleries/technology-gallery/basic-technology/hydrophonereceiver/
8.https://dosits.org/science/measurement/how-is-sound-measured/
9.https://asa.scitation.org/doi/abs/10.1121/10.0013219
10.https://iqoe.org/articles/iqoe-hydrophone-database
11.https://www.researchgate.net/figure/Spectrogram-of-under-ice-recordings-of-bowhead-and-beluga-whale-and-walrus-sounds-from_fig2_263031402
12.https://www.bksv.com/en/transducers/acoustic/microphones/hydrophones
13.https://dosits.org/galleries/audio-gallery/other-natural-sounds/eruptions/
14.https://vimeo.com/243123225
15.https://okretypodwodne.edu.pl/wspolczesne-op/sosus-tajna-bron-cz-1/
16.https://okretypodwodne.edu.pl/wspolczesne-op/sosus-tajna-bron-cz-2/
17.https://okretypodwodne.edu.pl/wspolczesne-op/sosus-tajna-bron-cz-3/
18.https://kopalniawiedzy.pl/Row-Marianski-ocean-halas,24136
19.https://www.gospodarkamorska.pl/hydrofony-w-sluzbie-zmian-klimatu-podwodny-monitoring-topnienia-lodowcow-56703
20.https://www.projektpulsar.pl/srodowisko/2172901,1,wieloryby-ucza-sie-calych-piesni-od-innych-waleni.read
21.http://www.nauklove.pl/brzmi-glebia-oceaniczna/
22.https://pl.frwiki.wiki/wiki/Hydrophone
23.https://globalquiz.org/pl/pytanie/co-to-jest-hydrofon/
24.https://www.joix.de/hydrophone/

Dzidki, zarówno przy niezidentyfikowanych oceanicznych dźwiękach (Bloop, Upsweep, Julia, Train, Whistle i Slowdown), jak i innych (Bioduck, Rossby Whistle), a także przy mapowaniu dna oceanicznego niejednokrotnie można było przeczytać o systemach SONAR (od ang. SOund Navigation And Ranging – „nawigacja dźwiękowa i pomiar odległości”) wykorzystywanych w mapowaniu dna morskiego. Czym one w ogóle są i jak można je wykorzystać? W jakim celu są wykorzystywane przez NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)? W systemach sonarowych używa się urządzeń zwanych (jakżeby inaczej) sonarami, które służą do nawigacji, detekcji, śledzenia i klasyfikacji zanurzonych obiektów ruchomych i nieruchomych, a także do określania pozycji. Wykorzystują one fale dźwiękowe o różnej długości (krótkich, średnich i długich). Do wspomnianych czynności można wykorzystywać sonary aktywne lub pasywne. Chociaż można stosować je również w innym środowisku, niż wodne - na przykład w powietrzu lub innym środowisku gazowym (w którym wykorzystuje się bardzo szeroki zakres fal dźwiękowych obejmujących od infradźwięków do ultradźwięków), ale zajmiemy się jedynie wykorzystaniem metody sonarowej w akustyce oceanu (w tym również sposobu wykorzystania przez marynarkę wojenną).

Krótka historia sonarów

Pierwsze w historii użycie sonaru pasywnego zawdzięcza się wielkiemu wynalazcy – Leonardo DaVinci, który w 1490 roku opisał, jak przy pomocy tuby można nasłuchiwać odgłosów generowanych przez statki położone w dosyć dalekiej odległości wykorzystując do tego akustykę wody. Kolejne przełomowe wydarzenie miało miejsce w 1822 roku, kiedy to szwajcarski fizyk Daniel Colladen zbadał przy pomocy tak zwanego „podwodnego dzwonu” prędkość dźwięku w wodach jeziora Genewa, co przyczyniło się również w tym samym roku do podejmowania pierwszych prób określania map dna oceanicznego w oparciu o proste metody echa dźwiękowego. W 1877 roku ukazała się przełomowa praca naukowa o zastosowaniu fal dźwiękowych w badaniu oceanu autorstwa Brytyjczyka Lorda Rayleigha „Teoria dźwięku”, w której opisał podstawy fizyczne rozchodzenia się fal dźwiękowych. Kolejne ważne dla pomiaru fal dźwiękowych wydarzenie miało miejsce w 1880 roku, kiedy to Pierre i Jacques Curie (tak, ten pierwszy był mężem Marii Curie-Skłodowskiej, a ten drugi to jego brat - fizyk) odkryli efekt piezoelektryczny w kryształach kwarcu i tytanianu baru, co stanowiło podwaliny do generowania i odbierania fal ultradźwiękowych o częstotliwościach z zakresu milionów cykli na sekundę.

Pierwsze pomysły dotyczące zastosowania sonarów aktywnych pojawiły się w 1912 roku po zatonięciu słynnego Titanica (w celu opracowania systemu, który pomoże statkom lokalizować i omijać góry lodowe znajdujące się często pod taflą oceanu, aby podobne katastrofy nie miały więcej miejsca). Za pierwszego pomysłodawcę projektu sonaru aktywnego uważa się angielskiego meteorologa Lewisa Richardsona, który swój projekt opatentował właśnie w tym roku. Zaledwie parę miesięcy później powstał pierwszy działający, eksperymentalny system SONAR i został zbudowany przez kanadyjskiego fizyka Reginalda Fessendena dla amerykańskiej Submarine Signal Company. Z kolei w 1913 roku patent na dosyć podobne urządzenie sonaru aktywnego, jak w przypadku projektu Richardsona, uzyskał niemiecki fizyk Alexander Behm. A jeśli chodzi o pierwsze próby zastosowania sonarów aktywnych, podjęto je już w 1914 roku – odbyły się one z pokładu kutra rybackiego „Miami”, który był własnością straży przybrzeżnej USA. Do komunikacji z zanurzonym okrętem podwodnym, określenia głębokości morza oraz do nawigacji oddalonej o 3000 m góry lodowej zastosowano oscylator Fessendena, jednak okazało się, że jego rozdzielczość jest zbyt mała do dokładnego określenia kierunku góry lodowej, gdyż urządzenie pracowało na falach dźwiękowych o długości około 3 metrów, zaś długość jego anteny wynosiła zaledwie 1 metr. Jednak wyniki całego eksperymentu były do tego stopnia zadowalające, że wyposażono w owe urządzenie aż 10 brytyjskich okrętów podwodnych.

W 1915 roku francuski fizyk Paul Langevin i rosyjski inżynier Konstantin Czilowski pracujący w paryskim École Municipale de Physique et de Chimie Industrielles zaprojektowali pierwszy sonar z aktywnym elementem elektrostatycznym, zaś w 1917 roku zbudowali oni piezoelektryczny sonar kwarcowy pracujący na częstotliwości 150 kHz, który posiadał tak silną wiązkę, że zagrażała ona życiu ryb, które się na nią natknęły. Uzyskanie kwarcu o odpowiednich parametrach i zbyt wysokie napięcie pracy sprawiły, że sonar nie przyjął się. Dlatego Paul Langevin wykonał ostateczny projekt aktywnego sonaru, który na częstotliwości 40 kHz. Przetestowano je w lutym 1918 roku, jednak o ile okazało się skuteczne w wykrywaniu łodzi podwodnych i okrętów znajdujących się w dużych odległościach, jednak nadal nie potrafiło ono wyznaczyć ich dokładnego położenia i radziło sobie znacznie gorzej, niż pasywny sonar Walsera (zwany również hydrolokatorem).

Warto wspomnieć, że to właśnie w latach 1914-1918 (I Wojna Światowa) nastąpił bardzo dynamiczny rozwój urządzeń sonarowych służących do pomiaru głębokości i odległości w oceanach, a także do nawigowania obiektów znajdujących się pod wodą. Przede wszystkim testowano je z łodzi podwodnych. To właśnie na podstawie badań dotyczących dokonywania pomiarów przy pomocy fal dźwiękowych w cieczach swój początek miało zastosowanie ultrasonografii w medycynie – niedługo po tym powstał pierwszy reflektoskop służący do pomiaru fal mózgowych i NDT do badań nieniszczących. Tak więc kto wie, czy gdyby nie sonary, czy mielibyśmy dzisiaj USG.

W 1916 roku Anglicy rozpoczęli wykonywanie swoich eksperymentów z sonarem przez zespół naukowców nazwany Anti-Submarine Division pod kierownictwem Roberta Boyle'a. Bazując częściowo na badaniach Paula Langevina w 1917 roku zbudowano pierwszy praktyczny sonar. Wszystkie prace nad nim otoczono największą klauzulą tajności w wyniku czego nie wspominano w nich o kwarcu ani ultradźwiękach, które w dokumentacji zastępowano innymi akronimami: ultradźwięki - ASD, quartz – ASDivite. To właśnie z tego wywodzi się nazwa określająca angielski system sonarowy: ASDIC. Co ciekawe, spekulowano, że akronim wywodzi się od nazwy „Allied Submarine Detection Investigation Committee czy Anti-Submarine Detection Investigation Committee”, jednak okazało się, że komitet o takiej nazwie tak naprawdę nigdy nie istniał – mogło to wynikać z najwyższego stopnia utajnienia dokumentacji Boyle’a i jego zespołu.

Dopiero w 1930 roku amerykańscy inżynierowie skonstruowali swoją własną podwodną technologię do wykrywania i rejestrowania dźwięków, nawigacji, detekcji, śledzenia i klasyfikacji zanurzonych obiektów ruchomych i nieruchomych, a także do określania ich pozycji (co bazowało na angielskim systemie ASDIC, który został przekazany USA po wybuchu II Wojny Światowej). Nazwali ten system SONAR (termin zaproponowany przez Fredericka Hunta jako odpowiednika dla systemu RADAR). Dzięki niemu dokonano ważnych odkryć, takich jak istnienie termoklin i ich wpływ na fale dźwiękowe.

Sonary – Charakterystyka ogólna

SONAR to system wykorzystujący fale dźwiękowe do eksploracji oceanu. Naukowcy używają sonarów głównie do opracowywania map morskich, lokalizowania podwodnych zagrożeń dla nawigacji, wyszukiwania i identyfikowania obiektów w słupie wody i na dnie morskim, takich jak wraki statków oraz mapowania samego dna oceanu. Sonar jest używany w oceanografii, ponieważ fale dźwiękowe przemieszczają się w wodzie na większe odległości, niż fale radarowe i świetlne. System SONAR składa się z fizycznych czujników dźwięku zwanych przetwornikami. Naukowcy mogą zdecydować się na użycie pojedynczego przetwornika lub ich grupy (zwanej układem przetworników). Tablicę można przymocować do różnych platform, w tym zdalnie sterowanego pojazdu, autonomicznego pojazdu podwodnego, statku lub platformy (np. holownik lub szybowiec). Istnieją dwa rodzaje sonarów: aktywny i pasywny.

Rodzaje systemów sonarowych

Istnieje kilka różnych typów systemów sonarowych. Przykłady pasywnych systemów sonarowych mogą obejmować pojedynczy hydrofon lub zestaw hydrofonów holowanych za statkiem lub przymocowanych do platformy. Sonar z wieloma wiązkami, skanowaniem bocznym, wiązką dzieloną, profilowaniem poddennym i sonarem z syntetyczną aperturą (otwór ograniczający przestrzeń, przez który przechodzą fale) to przykłady aktywnych systemów sonarowych. Naukowcy wybierają typ sonaru na podstawie celów wyprawy. Niektóre systemy sonarowe mogą obrazować niewielki obszar w bardzo wysokiej rozdzielczości, co jest przydatne w przypadku szczegółów (np. wraki czy ruiny zatopionych obiektów sprzed wieków będących częścią dziedzictwa kulturowego – na przykład zatopione miasta czy posągi). Badacze mogą chcieć też zastosować system sonaru o niższej rozdzielczości, ale mogący mapować znacznie większy obszar, taki jak góra podwodna, rowy oceaniczne lub inny obiekt geologiczny, co jest przydatne chociażby w sporządzaniu map dna morskiego.

Sonar aktywny

Przy aktywnym sonarze układ przetworników emituje sygnał akustyczny lub impuls dźwiękowy do wody. Jeśli obiekt znajduje się na ścieżce impulsu dźwiękowego, ten odbija się od obiektu i zwraca do układu odbite od niego echo. Jeśli macierz jest wyposażona w możliwość odbioru sygnałów, mierzy ich siłę. Określając czas między emisją impulsu dźwiękowego a jego odbiorem, przetwornik może określić zasięg i orientację obiektu.

Sonar pasywny
Pasywne systemy sonarowe są używane głównie do wykrywania hałasu obiektów morskich (takich jak łodzie podwodne lub statki) oraz zwierząt morskich. W przeciwieństwie do sonaru aktywnego, sonar pasywny nie emituje własnego sygnału, co jest zaletą dla jednostek wojskowych, które nie chcą zostać znalezione lub dla misji naukowych, które koncentrują się na cichym nasłuchiwaniu akustyki oceanu. Zamiast tego, sonar pasywny wykrywa tylko zbliżające się do niego fale dźwiękowe. Pojedynczy pasywny instrument sonarowy nie może mierzyć zasięgu obiektu, chyba że jest używany w połączeniu z innymi pasywnymi urządzeniami odsłuchowymi. Wiele pasywnych urządzeń sonarowych może pozwolić na triangulację źródła dźwięku, biorąc pod uwagę również opóźnienie czasowe dotarcia do nich odbitej fali dźwiękowej.

W jaki sposób działają sonary?

Sonary wysyłają impulsy fal dźwiękowych przenikających przez wodę, po czym uderzają w obiekty (np. dno morskie, ryby, koralowce, roślinność czy łodzie podwodne) i odbijają się z powrotem w kierunku powierzchni, gdzie zostaje zarejestrowany obraz. Urządzenie mierzy, jak długo trwa falowanie dźwięku, uderzenie o obiekt, a następnie odbicie od niego wysłanej fali. Przypomina to nieco zasadę działania echolokacji używanej przez nietoperze czy delfiny. Tak pozyskana informacja umożliwia również oszacowanie głębokości obiektu, od którego odbiła się fala i mierzy moc powracającego impulsu (im twardsze są obiekty, od których odbija się fala dźwiękowa, tym silniejszy impuls powrotny). Po każdym powracającym impulsie wysyłane są kolejne. Ponieważ fale dźwiękowe przemieszczają się z ok. 1,6 km na sekundę w wodzie, echosondy mogą wysyłać wiele impulsów na sekundę. Powracające impulsy dźwiękowe są przekształcane na sygnały elektryczne, a następnie wyświetlane na ekranach pokazując głębokość i twardość dna oraz wszelkie obiekty znajdujące się pod powierzchnią wody. Należy również pamiętać, że sonary skanują przestrzeń w stożkach, a nie liniach.

Warto wspomnieć, że sonary są niezwykle pożyteczne podczas wykrywania wszelkich przeszkód znajdujących się w wodzie – zwłaszcza przez wszelkiego rodzaju łodzie podwodne, okręty, statki czy nawet łodzie albo podwodne drony. Pomagają w określeniu dokładniejszych rozmiarów danej przeszkody oraz jej położenia geograficznego (dotyczy to sonarów stanowiących część systemu hydrograficznego), w tym wysokości, którą wylicza się na podstawie analizy długości cienia akustycznego.

Przy odczytywaniu zapisów z sonarów warto wziąć pod uwagę również zakłócenia powierzchni, które występują we wszystkich urządzeniach tego typu. Przy powierzchni mogą pojawiać się zakłócenia, ponieważ woda blisko powierzchni odbija niektóre fale dźwiękowe wysyłane przez sonary, a odbicia te mogą mieć za dużą prędkość, żeby można je było prawidłowo przetworzyć, dlatego do odczytywania bardziej szczegółowych zapisów pomiaru sonarem (zwłaszcza w marynarce wojennej czy stacjach badawczych) wymagane jest odpowiednie doświadczenie w interpretacji pozyskanych danych. Takie odbicie może mieć wiele przyczyn – od fal na powierzchni wody, przez bąbelki powietrza, przepływające stworzenia, podwodną roślinność czy wiele innych, co może powodować zakłócenia w przypowierzchniowej strefie sonaru (tworzy to swego rodzaju „ślepą strefę”, która uniemożliwia prawidłową identyfikację stworzeń morskich).

Sonary w mapowaniu dna oceanicznego

Głębiny oceanów nadal pozostają najmniej zbadanymi obszarami naszego globu. Do tej pory wiele tajemnic dotyczących oceanów pozostało niewyjaśnionych. Przez wiele lat temat mapowania był traktowany mocno po macoszemu, ale niedawno zapowiedziano, że do 2030 roku ma powstać pełna mapa dna oceanicznego. Co ciekawe, badanie dna morskiego często przeprowadza się przy pomocy sonarów, czyli urządzeń, którymi wykryto tajemnicze dźwięki, jak Bloop, Upsweep, Julia, Slowdown, Whistle i Train. Mapowanie dna morskiego (inaczej obrazowanie dna morskiego) polega na pomiarze głębokości w danym akwenie – wykonywane w nich pomiary batymetryczne prowadzone są różnymi metodami (od technik sonarowych i lidarowych, po boje i wysokościomierze satelitarne).

Do wykonywania map dna morskiego używa się głównie echosond (tzw. metoda sondowania echa), jednak w ostatnich latach nowe technologie rozwinęły się na tyle, że powstały nawet drony i bezzałogowe łodzie podwodne do skanowania dna oceanów. Oczywiście całe mapowanie odbywa się także z udziałem satelitów, które wspomagają monitorowanie dna oceanicznego oraz badają lodowce. Używa się także stałych podwodnych laboratoriów badawczych, hydrofonów oraz dokonuje pomiarów w głębinach przy pomocy batyskafów. Sejsmografy mają wykrywać podziemne próby jądrowe, anteny infradźwiękowe - eksplozje w atmosferze, stacje hydroakustyczne - podwodne testy, zaś zadaniem detektorów gamma jest namierzanie nawet niewielkiego stężenia w powietrzu cząstek radioaktywnych (tutaj warto wspomnieć, że śledziły one między innymi wędrówkę substancji uwolnionych podczas awarii elektrowni Fukushima Daiichi, zaś wcześniej wszczęły alarm po próbach atomowych przeprowadzonych przez Koreę Północną w 2006 oraz 2009 roku). Detektory gamma wykrywają również takie promieniowanie w oceanach.

Trudność w mapowaniu dna morskiego polega na tym, że niemożliwe jest zbadanie większości przy pomocy kamer czy zdjęć satelitarnych. Do tej pory pomiaru dokonywano przy pomocy sonarów i zajmowały się tym głównie naukowcy z NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – amerykańska agencja zajmująca się między innymi prognozowaniem pogody oraz ostrzeżeniami sztormowymi, a także innych zjawisk zachodzących w oceanach i atmosferze), ESA (European Space Agency – Europejska Agencja Kosmiczna, która przeprowadza monitorowanie dna oceanicznego w oparciu o dane z satelity NASA Jason-1 i z satelity ESA CryoSat-2, którego głównym zadaniem jest badanie lodowców w regionach polarnych) oraz naukowcy z California's Scripps Institution of Oceanography (SIO). Od 2014 roku do programów badania dna oceanicznego przyłączyła się NASA, która wzięła aktywny udział poprzez program NASA Extreme Environment Mission Operations (NEEMO – nazwany tak od najdalej oddalonego od lądu Punktu Nemo).

Echosondy zostały po raz pierwszy użyte do badań oceanograficznych podczas epickiej niemieckiej ekspedycji badającej południowy Atlantyk w połowie lat dwudziestych XX wieku na pokładzie Meteora. Aktualnie echosondowanie pozostaje kluczową metodą stosowaną przez naukowców do tworzenia batymetrycznych map dna morskiego. Przez ostatnie 30 lat naukowcy zajmujący się morzem używali sonaru wielowiązkowego, który może automatycznie tworzyć bardzo szczegółowe mapy konturowe dużych obszarów dna morskiego, gdy statek badawczy porusza się szybko (około 12 węzłów) po powierzchni oceanu. Obecnie istnieje wiele różnych typów sonarów, które pomagają uzyskać dane nie tylko o głębokości, ale także o strukturze dna oceanicznego, a nawet o prądach morskich i życiu w oceanie.

Echosondy jednowiązkowe i wielowiązkowe

Ze statku wysyła się impuls dźwiękowy, na podstawie którego głębokość określa się poprzez podzielenie prędkości dźwięku (około 1500 metrów na sekundę) przez połowę czasu potrzebnego do zarejestrowania echa dna oceanicznego (połowę czasu, ponieważ całkowity obejmował odbicie echa od statku do dna morskiego i z powrotem). Były to wczesne systemy pomiaru głębokości w jednym punkcie, zwykle poniżej stępki statku – nazywano je echosondami jednowiązkowymi. W 1957 roku Marie Tharp i Bruce Charles Heezen stworzyli pierwszą trójwymiarową mapę fizjograficzną basenów oceanicznych. Wykorzystano do tego komputery, które dzięki możliwości dokonywania szybkich obliczeń dużych ilości danych ułatwiły stworzenie tej mapy. Spowodowało to tworzenie wizualizacji dna morskiego metodą cyfrową, gdzie zaczęto je odwzorowywać z dosyć dużą szczegółowością. To właśnie dzięki nim we współpracy z nowopowstałą organizacją NOAA stworzono pierwszą cyfrową mapę dna oceanicznego w 1970 roku na podstawie rejestrowania dźwięków hydroakustycznych (od metod sonarowych i lidarowych po wysokościomierze). Coraz bardziej powszechne było mapowanie batymetryczne wielu wiązek, które od pojedynczych różniły się tym, że dźwięk jest przenoszony poniżej i na boki statku, dzięki czemu było możliwe uzyskanie pełnego obrazu dna oceanicznego, a nie jedynie pojedynczych punktów, jak w przypadku echosond jednowiązkowych. Dodatkowo, uzyskane pomiary były automatycznie rejestrowane na komputerze i przetwarzane w taki sposób, że mogły być zapisane w formie mapy.

System SONAR w rejestracji dźwięków z oceanu

Przy pomocy systemu SONAR wykorzystywanego przez NOAA począwszy od 1991 roku dokonano rejestracji 6 niezidentyfikowanych dotąd dźwięków o bardzo niskiej częstotliwości: Upsweep, Bloop, Julia, Train, Whistle i SlowDown. Niniejszej rejestracji dokonano przy pomocy zdemobilizowanego systemu wojskowego SOSUS (Sound Surveillance System), który jest specjalnym systemem obserwacji akustycznej - dokonuje jej przy pomocy sensorów pasywnych. Urządzenie to potrafi rejestrować dźwięki z wielkich przestrzeni oceanicznych. Początkowo wykorzystywany był do namierzania radzieckich okrętów podwodnych, jednak z czasem zmieniono je w narzędzie pomiarowe do badania dna oceanu wykorzystując zasięg sonarowy. Również w późniejszych latach niezidentyfikowane dźwięki zostały zarejestrowane w ramach Projektu Monitoringu Akustycznego Programu VENTS (The Acoustic Monitoring Project of the VENTS Program), który zaczęto prowadzić od sierpnia 1991 roku przy użyciu sieci Systemu Kontroli Dźwiękowej Amerykańskiej Marynarki Wojennej oraz podwodnych hydroskopów.

Warto podkreślić, że zasięg sonarowego rozpoznania oceanicznego obejmuje mniej niż 1% obszaru dna oceanów, zaś pełne pokrycie ich hydrofonami, do którego niestety jest jeszcze bardzo daleko, pozwoliłoby wyjaśnić liczne zagadki (nie tylko zaginione wraki czy samoloty, ale również niezidentyfikowane dźwięki, których źródło można byłoby wtedy znacznie łatwiej ustalić). Ponadto udałoby się w znacznie większym stopniu eksplorować dno oceaniczne, zgłębić życie wielu gatunków morskich czy zaobserwować inne zjawiska, jak erupcje podwodnych wulkanów czy tarcie płyt tektonicznych.

Niestety system ten ma również poważną wadę, jaką jest wzrost poziomu hałasu w oceanach. Przyczynia się to do dezorientacji zwierząt morskich posługującymi się falami akustycznymi do nawigacji czy komunikacją z innymi osobnikami, co zakłóca ich naturalny cykl życia (nie wspominając już o tym, że technologia sonarowa może spowodować uszkodzenie słuchu). To wszystko sprawia, że chociaż aktualnie jest to najskuteczniejsza metoda pomiarowa, należałoby szukać alternatywnych rozwiązań, które będą równie skuteczne czy nawet lepsze.

Wykorzystanie sonarów przez marynarkę wojenną

Oceany zawsze odgrywały dużą rolę w wojnach. Statki transportowały armie i zaopatrzenie, blokowały porty, oblegały miasta i atakowały wrogie statki, robiąc to samo. Ale wojna secesyjna pomogła wystrzelić nową, ukrytą broń morską, która stała się powszechna w okrętach podwodnych XX wieku. Aby zwalczyć to nowe zagrożenie, przywódcy marynarki wojennej zdali sobie sprawę, że mogą wykrywać okręty podwodne przy pomocy dźwięku przenoszonego przez wodę. Wojsko opracowało również inne narzędzia, które również okazały się przydatne dla oceanografów, takie jak magnetometr, który mierzy pola magnetyczne. Marynarka wojenna używa go do wykrywania dużych metalowych kadłubów okrętów podwodnych (z kolei oceanografowie używają go do poznawania właściwości magnetycznych skał dna morskiego). Ponadto oprócz namierzania wrogich okrętów, statków i łodzi podwodnych, sonary umożliwiają także wykrywanie zatopionych obiektów, takich jak torpedy czy miny morskie wraz z dokładnym określeniem ich lokalizacji, wielkości i głębokości, na jakiej się znajdują, co pomaga w podjęciu odpowiednich działań.

Chociaż często mówi się o wojnach prowadzonych na lądzie, bardzo często podejmowane są różne manewry militarne, testy czy atak na wrogie okręty na terenie mórz i oceanów. System SONAR pomaga w śledzeniu wrogich okrętów, obserwacji podejmowanych przez nie działań czy nawet w dokładnym określaniu odległości, co pomaga na przykład w celnym wystrzeleniu torpedy lub pocisku. Najczęściej podwodne okręty pozostają ukryte w głębinach i starają się podpłynąć do wroga tak blisko, jak tylko się da bez wykrycia aktywnym sonarem, jednak zdarzają się błędy – dlatego tak istotne jest zastosowanie systemu sonarowego również w samoobronie: często ten, kto trafi celniej pociskiem i szybciej zyskuje przewagę (ale najczęściej preferuje się wykonanie ataku z ukrycia wykorzystując nieprzejrzystość oceanów, aby atak nie został wykryty z powietrza przez samoloty czy drony wroga). Brak wynurzenia okrętu i pozostanie w ukryciu w oceanicznych głębinach chroni je również przed wykryciem radarami.

Wykrycie samolotem jest możliwe dzięki specjalnym bojom sonarowym zrzucanym z powietrza do oceanu. Mowa tu oczywiście o AN/SSQ-125 zrzucanych z pokładu śmigłowców MH-60 Seahawk, samolotów P-3 lub P-8 czy wystrzeliwane z okrętów podwodnych, zaczynają rozkładać się uwalniając ukryty w nich nadajnik znajdujący się na powierzchni wody oraz podwodny punkt nasłuchowy zawierający aż 40 hydrofonów w kształcie pięciokątów. Generują one dźwięki poprzez detonację swoich ładunków wybuchowych (w starszych wersjach) albo z generowanej fali akustycznej (w nowszych modelach). Takie informacje trafiają do okrętów i samolotów odpowiedzialnych za przeszukiwanie ogromnych odległości, co pomaga w podejmowaniu szybkiej reakcji na doniesienia o wrogich okrętach podwodnych. Warto wspomnieć, że gdyby nie boje sonarowe, samoloty nie byłyby w stanie skutecznie wykrywać wrogich okrętów z powietrza (tak zaawansowana jest aktualna technologia marynarki wojennej).

Wykorzystanie sonaru do lokalizowania i unicestwiania miny morskiej:

Oryginalny dźwięk z sonaru łodzi podwodnej podczas II Wojny Światowej:

Wykorzystanie sonarów w rybołówstwie i wędkarstwie

System sonarowy używany jest także w rybołówstwie, a także… w wędkarstwie. W obu tych przypadkach ma on za zadanie zlokalizowanie ławic ryb, określenie ich liczebności i odległości, a nawet wielkości ryb, co zwiększa skuteczność połowu. Zazwyczaj wykorzystuje się tutaj sonary przeznaczone do pracy na płytkich wodach (zazwyczaj do 200 m głębokości). Również różnią się one wyglądem od sonarów wojskowych czy wykorzystywanych w badaniach oceanograficznych czy oceanologicznych. Są one również znacznie mniejsze i tańsze. Cenione są zwłaszcza przez pasjonatów, w tym biorących udział w zawodach wędkarskich. Nieco większe modele, niż do użytku personalnego wykorzystuje się w rybołówstwie na kutrach rybackich, co znacząco skraca czas pracy przy jednoczesnym zwiększeniu efektywności połowu.

Dodatkowe źródła dla zainteresowanych:

1.https://oceanexplorer.noaa.gov/technology/sonar/sonar.html
2.https://www.kofama.pl/doc/Opis-Dzia%C5%82ania-Systemu-Sonar.pdf
3.https://deepersonar.com/pl/pl_pl/jak-to-dziala/jak-dziala-sonar
4.https://deepersonar.com/pl/pl_pl/jak-to-dziala/jak-czytac-ekran-echosondy
5.https://www.gospodarkamorska.pl/system-sonarowy-dzialajacy-nad-powierzchnia-wody-55923
6.https://echoson.eu/historia-ultrasonografii/
7.https://divediscover.whoi.edu/archives/tools/sonar-singlebeam.html
8.https://divediscover.whoi.edu/history-of-oceanography/the-oceans-as-battlefield-the-development-of-sonar/
9.https://www.valeport.co.uk/product-news/hydrographic-survey-applications-product-range/?gclid=CjwKCAiAy_CcBhBeEiwAcoMRHH-R-tTM-3hSQArjBmNsJiyku-quJwayfluzntdPBAA2G7CTc0F7ARoCg_MQAvD_BwE
10.https://www.researchgate.net/figure/Passive-and-active-SONAR-for-submarine-detection-Passive-the-submarine-on-the-right_fig12_302546326
11.https://dosits.org/people-and-sound/examine-the-earth/map-the-sea-floor/
12.https://exploration.marinersmuseum.org/object/sonar/
13.https://www.marineinsight.com/tech/11-technologies-that-are-used-to-study-and-understand-oceans/
14.https://me.engin.umich.edu/news-events/news/mining-soundwaves-researchers-unlock-new-data-sonar-signals/
15.https://marinescience23.weebly.com/quest-5-ocean--coasts-multibeam-sonar.html
16.https://www.republicworld.com/world-news/us-news/us-navy-sonar-could-be-behind-increased-whale-beachings-in-pacific-study.html
17.https://www.usgs.gov/media/images/split-beam-ek60-sonar-image-bubbles
18.https://www.chip.pl/2022/01/polowanie-na-okrety-podwodne
19.https://polska-zbrojna.pl/home/articleshow/34953?t=Cel-namierzyc-okret-podwodny
20.https://www.hydro-international.com/content/article/teaming-up-for-multibeam-echo-sounder-and-sonar-solutions
21.https://gdmissionsystems.ca/anti-submarine-warfare/hull-mounted-sonar
22.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1574954121002363
23.https://www.militaryaerospace.com/computers/article/16713903/lockheed-martin-nets-big-contract-to-continue-upgrading-submarine-sonar-signal-processing
24.https://www.boats.com/on-the-water/sonar-smack-down-traditional-fishfinder-vs-down-looking-scanner-imager-vs-chirp/
25.http://escort-technology.com/pl/wielowiazkowy-sonarowy-system-rybacki-wassp/
26.https://wiadomosciwedkarskie.com.pl/artykul/boczny-sonar--interpretacja/651771
27.http://www.gprsystem.pl/pl/metoda-sonarowa,10055