Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Passive acoustic monitoring for evaluating potential impacts of anthropogenic noise on marine animals : Tools for ecological assessment and monitoring

Baltzer, Johannes GND

In this thesis, we monitored different natural and anthropogenic sound sources with a novel GPS-linked receiver array and developed tailor made analytical solutions for targeted data processing of the recordings. We assessed the noise of anchor pipe vibration embedment operations during the construction of seed mussel collectors in the Wadden Sea (chapter 1). We studied the acoustic behaviour of blue whales (Balaenoptera musculus) in an Icelandic feeding ground (chapter 2) and we analysed how an anthropogenic sound source (marine vibrator signals) can affect the vocalisation of blue whales (chapter 3). During this thesis we took advantage of an autonomous drifting lightweight portable passive acoustic array that can be deployed quickly and repeatedly from a small boat. We developed tools to estimate the sound propagation by a non-linear logarithmic regression by means of the intercept, slope and attenuation factor, which allowed us to evaluate the received sound levels that reach an animal in certain distances from the construction site of seed mussel collectors in the Wadden Sea. We provided tools for time-synchronisation, detection of blue whale vocalisations in Skjálfandi Bay, Northeast Iceland. We calculated general sound characteristics and compared them to recorded blue whale calls from other regions of the world. Eventually we used the GPS-linked receiver array to analyse how an anthropogenic sound source can affect the calling behaviour of blue whales. This was realised by a controlled exposure experiment. We looked at call characteristics of blue whale vocalisation, such as source level (SL), call rate, call duration and frequency parameters (minimum, maximum, centroid and peak frequency) as well as possible changes throughout the experimental phases. In addition, we determined ambient noise levels (NLs) within these phases. Our study showed that the detected anchor pipe vibration embedment noise might exert a behavioural reaction on a local scale. Marine mammals could be affected by the construction operations up to a distance of 375 m and fish up to a distance of 766 m. These zones of responsiveness for vibration embedment operations are relatively small, compared to pile driving, which is regularly used during construction operations. Our study shows that it is important to monitor and assess any kind of noise introduction to verify, whether a sustainable human use with respect to the complied guidelines is ensured without affecting the marine fauna. That is the first step to maintain a good environmental status as implemented in the MSFD. We evaluated the call characteristics of blue whales in a feeding ground. The source level of the recorded down sweeps was 7 to 17 dB lower than the ones reported in other studies from different regions of the world. This finding suggests that blue whales show the ability to vary their call intensity in order to adapt to their local environment. Our results showed that elevated noise from marine vibrator (MV) signals has an effect on blue whale vocalisation behaviour. We observed that the pre- and exposure phases showed highest NLs, probably caused by the MV signals and additional boat noise. The call rates increased from 2.0 to 6.2 down sweeps per hour and the down sweeps were lengthened two-fold (2.8 s) in the post-exposure phase, the quietest period of the experiment. This increase was probably caused by the preceding elevated noise in general. However, we could also see that the frequency parameters decreased as a result from the MV signals specifically. In contrast, no changes in source level occurred. With the array we were able to make good recordings, coupled with advanced propagation estimates we were able to make predictions of impacts, evaluate the vocalisation behavior of blue whales and we could assess potential noise-induced reactions towards a controlled exposure to marine vibrator signals.

In dieser Arbeit haben wir verschiedene natürliche und anthropogene Schallquellen mit einem neuartigen GPS-verbundenen Hydrophonarray aufgenommen und angepassten analytische Lösungen für die gezielte Datenverarbeitung der Aufnahmen entwickelt. Wir haben den Lärm beim Einvibrieren von Verankerungsrohren beim Bau von Saatmuschelgewinnungsanlagen im Wattenmeer untersucht (Kapitel 1). Wir haben das akustische Verhalten von Blauwalen (Balaenoptera musculus) in einem isländischen Nahrungsgebiet untersucht (Kapitel 2) und wir haben analysiert, wie eine anthropogene Schallquelle (Signale mariner Vibratoren) die Vokalisierung von Blauwalen beeinflussen kann (Kapitel 3). Im Laufe dieser Thesis haben wir ein autonomes, leichtes, tragbares, passives, akustisches Array, das schnell und wiederholt von einem kleinen Boot aus eingesetzt werden kann, verwendet. Wir haben Tools entwickelt, um die Schallausbreitung durch eine nichtlineare logarithmische Regression anhand des Achsenabschnitts, der Steigung und des Dämpfungsfaktors abzuschätzen. So konnten wir die empfangenen Schallpegel, die ein Tier in bestimmten Entfernungen vom Baugebiet erreichen, bewerten. Wir haben Tools für die zeitliche Synchronisation und die Detektion von Blauwal-Vokalisierungen in der Skjálfandi Bucht, im Nordosten Islands, entwickelt. Wir haben die Charakteristika von Blauwallauten berechnet und sie mit aufgezeichneten Blauwallauten aus anderen Regionen der Welt verglichen. Das GPS-verbundene Hydrophonarray wurde weiterverwendet, um zu analysieren, wie eine anthropogene Schallquelle das akustische Verhalten von Blauwalen beeinflussen kann. Dies wurde durch ein kontrolliertes Expositionsexperiment umgesetzt. Wir haben die Charakteristika der Laute, wie z.B. Quellschallpegel, Dauer und Frequenzparameter des Signals bei der Vokalisierung von Blauwalen sowie mögliche Änderungen während der experimentellen Phasen untersucht. Zusätzlich haben wir den Umgebungslärmpegel innerhalb dieser Phasen bestimmt. Unsere Studie zeigte, dass der detektierte Lärm beim Einvibrieren der Verankerungsrohre eine Verhaltensreaktion auf lokaler Ebene hervorrufen kann. Meeressäuger könnten bis zu einer Entfernung von 375 m und Fische bis zu einer Entfernung von 766 m von den Bauarbeiten betroffen sein. Die Bereiche, in denen eine Verhaltensreaktion durch das Einvibrieren hervorgerufen wurde, sind im Vergleich zu Rammverfahren, welches üblicherweise während Bauarbeiten verwendet werden, relativ klein. Unsere Studie zeigt, dass es wichtig ist, jede Art von Lärmbelastung zu kontrollieren und zu bewerten, um zu überprüfen, ob eine nachhaltige Nutzung durch den Menschen in Bezug auf die eingehaltenen Richtlinien gewährleistet ist, ohne die Meeresfauna zu beeinträchtigen. Dies ist der erste Schritt zur Aufrechterhaltung eines guten Umweltzustands, wie in der MSRL vorgesehen. Wir haben die Charakteristika von Blauwallauten in einem Nahrungsgebiet. Der Quellschallpegel der aufgezeichneten Down-Sweeps war 7 bis 17 dB niedriger als in anderen Studien aus verschiedenen Regionen der Welt. Diese Erkenntnis legt nahe, dass Blauwale die Fähigkeit zeigen, die Intensität ihrer Laute zu variieren, um sich an ihre Umgebung anzupassen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass zunehmender Lärm, einen Einfluss auf das Vokalisierungsverhalten von Blauwalen hat. Wir stellten fest, dass die Pre- und Exposure-Phasen die höchsten Lärmpegel aufwiesen, was vermutlich auf die Signale des marinen Vibrators (MV) und zusätzlichen Schiffslärm zurückzuführen ist. Die Frequenz, in der Blauwale Laute ausgesendet haben, stieg von 2,0 auf 6,2 Down-Sweeps pro Stunde an. Down-Sweeps wurden in der Postexposure-Phase, der leisesten Phase des Experiments, um das Zweifache (2,8 s) verlängert. Dieser Anstieg wurde wahrscheinlich generell durch den erhöhten Lärmpegel verursacht. Wir konnten auch beobachten, wie sich die Frequenzen aufgrund der MV-Signale verringerten. Im Gegensatz dazu traten keine Änderungen des Quellschallpegels auf. Mit dem Array konnten wir gute Aufzeichnungen machen, zusammen mit weiterentwickelten Schallausbreitungsmodellen konnten wir Auswirkungen von Lärm vorhersagen, das Vokalisierungsverhalten von Blauwalen bewerten und mögliche Reaktionen auf eine kontrollierte Exposition mit MV-Signalen bewerten.

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