Effect of anthropogenic underwater noise on harbour porpoise hearing in areas of high ecological importance

Die durch den Menschen verursachte Lärmverschmutzung in den Meeren stellt eine erhebliche Bedrohung unvorhersehbaren Ausmaßes für die Biodiversität dar. Die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit möglichen Auswirkungen von Lärm auf marine Organismen findet erst seit kurzem statt und ist noch lange nicht abgeschlossen. Anthropogener Unterwasserlärms entsteht unter anderem als unbeabsichtigtes Nebenprodukt der Schiffverkehr oder durch Bauarbeiten. Akustische Signale werden aber auch gezielt verwendet um Meeressäuger zu vergrämen oder zur Navigation mit Sonaren. Die in dieser Dissertation behandelte Zielart ist der Schweinswal (Phocoena phocoena) als einziger Vertreter der Wale in deutschen Gewässern. Als Vertreter der Zahnwale erfasst der Schweinswal seine Umgebung mittels Echoortung akustisch, sodass eine große Abhängigkeit von einem intakten Gehör besteht. Schweinswale reagieren dementsprechend besonders sensibel auf Störungen durch Lärm. Da diese fast ununterbrochen jagen müssen, um ihren hohen Energiebedarf aufrechtzuerhalten, wird von einer sehr geringen Resilienz gegenüber Störungen ausgegangen. Die vorliegende Studie bewertet unterschiedliche Lärmquellen hinsichtlich ihrer Funktion als Antagonisten der akustischen Wahrnehmung für Schweinswale. Das Ziel richtet sich hierbei auf das Auffinden von Lücken in der aktuellen Schallregulierung und der Schaffung eines Bewusstseins bezüglich der naiven Anwendung akustischer Geräte. Zu diesem Zweck werden die möglichen Auswirkungen von drei unterschiedlichen Lärmquellen auf das Gehör von Schweinswalen behandelt. Als erstes wurde durch einen Simulationsansatz ermittelt, ob das aktuelle Schallschutzkonzept für Rammarbeiten in Offshore Windparks einen ausreichenden Schutz bietet, um eine temporäre Hörschwellenverschiebung (TTS), das heißt reversible Verschlechterung des Gehörs, durch mehrere Rammschläge zu verhindern. Hierfür wurde während des Baus eines Offshore Windparks (OWP) Unterwasserschall aufgenommen und die Schallenergiepegel (SEL) von Einzelschlägen ermittelt, mit denen die Schallausbreitung modelliert werden konnte. Die aktuellen Lärmschutzbestimmungen zielen darauf ab, eine TTS durch Einzelschläge bis in eine Entfernung von 750 m zu verhindern. Das modellierte Schallfeld zeigt jedoch, dass Rammschläge in Entfernungen von bis zu 5,4 km ausreichend Energie besitzen, um eine TTS nach einer Mehrfachbeschallung auszulösen. Als neue Einheit zur Bewertung des Gefährdungspotentials wurde die „minimale Vergrämungsdistanz“ (MVD) eingeführt, die für vier getestete Schwimmgeschwindigkeitsstufen zwischen 2,3 und 4,7 km bestimmt wurde. Die MVD markiert die Mindestentfernung zur Schallquelle, in der sich Schweinswale bei Beginn der Rammarbeiten befinden müssen, um einer TTS durch Flucht zu entkommen. Der Simulationsansatz unterstützt die derzeitig angewandte Lärmregulierung in Deutschland mit einer begrenzten Maximalenergie für Einzelschläge, einem „soft start“ und einer vorherigen Vergrämung mit Seal Scarern. Im zweiten Teil wurde getestet, ob ein Seal Scarer das Potential besitzt, ein TTS bei Schweinswalen zu induzieren. Hierfür wurden Hörtests mit einem Schweinswal in menschlicher Fürsorge vor und nach der Exposition mit künstlichen Seal Scarer Signalen durchgeführt. Das ermüdende Signal bestand aus einem 0,5 s langen 14 kHz Sinuston mit vier Oktav-Obertönen mit abnehmenden Amplituden. Die Hörschwellen wurden anhand auditorisch evozierter Potentiale (AEP) bestimmt. Schallexpositionen mit mehr als 142 dB re 1 µPa²s induzierten eine signifikante TTS bei einer Hörfrequenz von 20 kHz und ab 147 dB re 1 µPa²s bei 28 kHz. Unter der Annahme eines theoretischen Ausbreitungsverlusts zwischen zylindrischer und kugelförmiger Ausbreitung könnte ein TTS in Entfernungen zwischen 211 m und 5,9 km durch eine einzelne Exposition induziert werden. Basierend auf diesen Befunden wurde eine Senkung des Quellschallpegels von Seal Scarern empfohlen. Als Drittes wurde eine akustische Strömungsmessanlage im Hamburger Hafen hinsichtlich ihres Potentials untersucht, eine TTS bei Schweinswalen hervorzurufen. Dieses Projekt wurde von der Hamburg Port Authority initiiert, nachdem mehrere tote Schweinswale in diesem Gebiet der Elbe strandeten. Der Schiffverkehr ist in diesem Bereich sehr hoch und Schweinswale könnten durch vorbeifahrende Schiffe in den Gefahrenbereichen abgedrängt werden. Die Unterwasserschallaufnahmen der akustischen Signale der Strömungsmessanlage wurden an Bord eines Schiffes durchgeführt und das Schallfeld anschließend modelliert. Die Strömungsmessanlage verwendet kurze Signale mit einer Frequenz von 28 kHz, die in einem stark gerichteten Kegel und einer Pulsfrequenz von 4,1 s von zwei Positionen auf gegenüberliegenden Seiten des Flusses emittiert werden. Ein TTSonset für eine Einfachbeschallung wurde mittels Hörversuchen mit einem Tier in menschlicher Fürsorge ermittelt, während der Schwellenwert für eine Mehrfachbeschallung Literaturbasiert ist. Ein maximaler SEL von 165 dB re 1 µPa²s wurde bestimmt. Einzelne Signale überschritten den SEL-TTSonset von 138 dB re1 µPa²s bis in eine Entfernung von 72 m. Der Empfang mehrerer Schallsignale wurde für Schweinswale simuliert, die an der Strömungsmessanlage entlang wandern. Die empfangenen Pegel sind aufgrund des Timings und der hohen Richtwirkung der Strömungsmessanlage sehr variabel. Obwohl die Gefahrenzonen vergleichsweise klein sind und Schweinswale höchstwahrscheinlich die Signale in großen Entfernungen wahrnehmen können, wurde empfohlen den Quellschallpegel zu senken. In den drei vorgestellten Kapiteln dieser Arbeit konnte eine Entwicklung des Verständnisses von Unterwasserlärmeffekten gezeigt werden. Der Eintrag von Unterwasserlärm kann absichtlich oder unbeabsichtigt erfolgen, kann bereits reguliert sein oder es werden Versuche zu deren Regulierung unternommen. Teilweise werden sogar Alternativen gesucht um Lärmquellen zu ersetzen. Die Arbeiten in dieser Dissertation zeigen, dass in all den vorgestellten Szenarien Verbesserungspotential in der Schallregulierung besteht. Diese Arbeit erweitert den aktuellen Kenntnisstand in der Bewertung des Potenzials zur Auslösung einer TTS, wird jedoch vor allem dazu beitragen, den richtigen Ansatzpunkt zu finden, an dem Regulierungen am effektivsten sind. Die vorgestellten Studien zeigen Wissenslücken im Verständnis von Hörschwellenverschiebungen bei Schweinswalen. Zukünftige Forschungsvorhaben sollten sich diesen widmen.