Las ballenas son enormes, pero viven en un entorno aún más grande: los océanos del mundo. Los investigadores utilizan una variedad de herramientas para estudiar su paradero, incluido el rastreo satelital, estudios aéreos, avistamientos y el despliegue de hidrófonos individuales para escuchar sus llamadas. Pero ahora, por primera vez, los investigadores han logrado escuchar pasivamente a las ballenas, esencialmente, espiándolos a escondidas, utilizando cables de fibra óptica submarinos existentes.
La técnica, llamada detección acústica distribuida, o DAS, utiliza un instrumento llamado interrogador para acceder a un sistema de fibra óptica, convirtiendo las fibras adicionales no utilizadas en el cable en una larga serie virtual de hidrófonos. La investigación se llevó a cabo en el archipiélago de Svalbard, en un área llamada Isfjorden, donde se sabe que las ballenas barbadas, como las ballenas azules, se alimentan durante el verano.
«Creo que esto puede cambiar el campo de la bioacústica marina», dijo Léa Bouffaut, la primera autora de un artículo recién publicado en Frontiers in Marine Sciences. Bouffaut era un posdoctorado en NTNU, la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, cuando trabajó en esta investigación y ahora está en el Centro K. Lisa Yang para la Bioacústica de Conservación en la Universidad de Cornell, donde continúa ampliando este trabajo.
Los cables de fibra óptica están en todas partes
Bouffaut dijo que la belleza del sistema es que podría permitir a los investigadores aprovechar una red mundial existente.
«La implementación de hidrófonos es extremadamente costosa. Pero los cables de fibra óptica están en todo el mundo y son accesibles», dijo. «Esto podría parecerse mucho a cómo la cobertura de imágenes satelitales de la Tierra ha permitido a los científicos de muchos campos diferentes realizar muchos tipos diferentes de estudios de la Tierra. Para mí, este sistema podría convertirse en satélites en el océano».
Bouffaut dijo que otros tipos de monitoreo de ballenas que se basan en el sonido a menudo solo brindan información de ubicación única o de algunos puntos de un hidrófono. Las ubicaciones de los puntos brindan una cobertura limitada de un área y, por supuesto, no se distribuyen uniformemente en todos los océanos, lo que puede dificultar que los investigadores estudien las rutas migratorias, por ejemplo.
Por el contrario, DAS no solo permite a los investigadores detectar las vocalizaciones de las ballenas, sino que también pueden usar la red de fibra para ubicar dónde están las ballenas tanto en el espacio como en el tiempo, con una resolución espacial sin precedentes, dijo.
«Con este sistema, que es lo que básicamente podemos llamar una matriz de hidrófonos, tenemos la oportunidad de cubrir un área mucho más grande para el monitoreo. Y debido a que recibimos el sonido en múltiples ángulos, incluso podemos decir dónde estaba el animal: el posición del animal. Y eso es una gran ventaja. Y si lo llevamos aún más lejos, lo que aún requiere un poco de trabajo adicional, esto podría suceder en tiempo real, lo que realmente cambiaría las reglas del juego para el monitoreo acústico de las ballenas «, dijo su colega. Hannah Joy Kriesell, una de las coautoras del artículo.
Puede escuchar barcos, terremotos
La tecnología también permite a los investigadores «escuchar» otros sonidos transportados por el agua, desde grandes tormentas tropicales hasta terremotos y barcos que pasan, dijo Martin Landrø, geofísico de la NTNU y coautor del artículo. Landrø también es director del Centro de Pronósticos Geofísicos, un Centro de Innovación basado en la Investigación financiado por el Consejo de Investigación de Noruega.
Detectamos al menos cuatro o cinco tormentas grandes diferentes que ocurrieron y pudimos volver a los datos meteorológicos e identificarlas por su nombre.
«Si algo se mueve cerca o hace un ruido acústico cerca de esa fibra, que está enterrada en el lecho marino, podemos medir eso», dijo. «Entonces, lo que vimos fue mucho tráfico de barcos, por supuesto, muchos terremotos, y también pudimos detectar tormentas distantes. Y por último, pero no menos importante, ballenas. Detectamos al menos 830 vocalizaciones de ballenas en total». Landrø dijo que detectar tormentas distantes fue posible gracias a las señales sísmicas de baja frecuencia que generan las olas de las grandes tormentas. Este método de detección de grandes tormentas a partir de olas de baja frecuencia a grandes distancias fue establecido por el oceanógrafo Walter Munk en 1963, cuando midió las olas de las tormentas antárticas en la isla del Pacífico de Samoa, dijo Landrø.
«Pudimos ver tormentas que ocurrieron en el Atlántico Sur a 13.000 kilómetros de distancia en la parte de baja frecuencia de los datos, y pudimos determinar la distancia a la tormenta», dijo. «Detectamos al menos cuatro o cinco tormentas grandes diferentes que ocurrieron y pudimos volver a los datos meteorológicos e identificarlas por su nombre».
COVID-19 y un viaje a Svalbard
Los investigadores trabajaron con Sikt, la Agencia Noruega de Servicios Compartidos en Educación e Investigación, que proporcionó acceso a 250 km de cable de fibra óptica en Svalbard, enterrado en el lecho marino entre la ciudad principal del archipiélago, Longyearbyen, y Ny-Ålesund, un asentamiento de investigación. en una península al noroeste. El cable va desde un fiordo protegido, llamado Isfjorden, hasta el mar abierto, donde se utilizaron 120 km del cable como matriz hidrofónica.
El grupo de investigación también incluyó a Alcatel Submarine Networks Norway, que proporcionó los interrogadores, los instrumentos que permitieron al grupo acceder al cable de fibra óptica Sikt.
Dos investigadores viajaron a Longyearbyen en junio de 2020, al comienzo de la pandemia de COVID-19, y pudieron usar el interrogador durante 40 días, escuchando a lo largo del cable de 120 km.
«El cable de fibra entre Longyearbyen y Ny-Ålesund, que se puso en producción en 2015 después de 5 años de planificación y trabajo previo y financiado principalmente por nuestro ministerio, estaba destinado a servir a la comunidad de investigación y la estación geodésica en Ny Ålesund con alta y resistente capacidad de comunicación», dijo Olaf Schjelderup, jefe de la red nacional de investigación y educación de Sikt y otro coautor del artículo. «El experimento de observación de ballenas y detección de DAS muestra un uso completamente nuevo de este tipo de infraestructura de fibra óptica, lo que da como resultado una ciencia excelente y única».
Schjelderup señaló que otra ventaja del experimento fue la capacidad de comunicación de datos de alta capacidad proporcionada por Norwegian R&E Network (llamada mUninett), que permitió la transmisión casi en tiempo real de los datos sin procesar desde la unidad de detección DAS en Longyearbyen hasta Trondheim. .
«Los investigadores podrían, desde Trondheim, casi instantáneamente, comenzar a estudiar las grabaciones de señales del mar fuera de Svalbard. Este es un muy buen ejemplo de un cambio de paradigma en la recopilación de datos distribuidos», dijo. «Lo que se ha hecho aquí en Svalbard allana el camino para implementar más de este tipo de sensores de fibra óptica como infraestructura permanente, recolectando y procesando datos de diferentes geografías y ubicaciones casi en tiempo real, tanto para investigación como para diferentes propósitos operativos. «
7 terabytes por día
Bouffaut y Kriesell, un investigador del Departamento de Sistemas Electrónicos de la NTNU, trabajaron en el análisis de los 40 días de datos del experimento las 24 horas del día. En total, tuvieron que analizar 7 terabytes por día, o aproximadamente 250 terabytes de datos durante todo el período. Comenzaron observando señales de ubicaciones en la fibra que estaban a 10 km de distancia, lo que «lo hizo manejable», dijo Bouffaut.
El desafío, además de la cantidad de datos involucrados, fue que «buscamos señales sin saber exactamente qué esperar. Esta es una nueva tecnología y un nuevo tipo de datos que nadie ha buscado para encontrar ballenas», Bouffaut. dijo.
El trabajo fue minucioso, pero «fue muy, muy emocionante, especialmente cuando empezamos a ver señales de ballenas», dijo Bouffaut. «Pero recibo muchas veces esta pregunta, incluso de bioacústicos: ¿cómo sabes que es una ballena? Y yo digo, ‘¿cómo sabes que es una ballena cuando has grabado con un hidrófono? Reconocemos la frecuencia, el patrón , la repetición, y la escuchamos.'»
Bouffaut agregó que ahora que los investigadores conocen mejor los datos, podrían entrenar modelos de aprendizaje automático para simplificar y automatizar el proceso de análisis de datos.
Bouffaut y Kriesell identificaron lo que se denomina llamadas estereotipadas de las ballenas azules del Atlántico norte fuera de Isfjorden. Este tipo de llamadas están asociadas con vocalizaciones masculinas. También vieron lo que se llama llamadas D, que son vocalizaciones en las que el sonido desciende y pueden ser realizadas por machos, hembras y crías. Detectaron estas llamadas dentro de las aguas protegidas del fiordo. Investigadores anteriores han vinculado las llamadas D con la búsqueda de alimento o contextos sociales, dijeron los investigadores.
El Ártico cambiante
Bouffaut dijo que el valor de este tipo de sistema era especialmente claro en el Ártico, donde el calentamiento por el cambio climático está ocurriendo de dos a tres veces más rápido que el promedio.
«El Ártico está cambiando muy rápido. Y tanto el uso animal como humano del área está cambiando tan rápido como el hielo se derrite», dijo Bouffaut.
Las ballenas, como las ballenas azules, aún no son usuarios de la región durante todo el año, pero a medida que el hielo se derrite, esto podría cambiar, señaló.
Al mismo tiempo, la cubierta de hielo que desaparece abre el Ártico a un aumento de la navegación, la pesca y otras actividades, como el turismo.
«Entonces, si las ballenas están cambiando sus usos de esta área, y tal vez la usan para algo más que para buscar alimento o para actividades en las que son muy vulnerables, entonces tener este tipo de tecnología puede ayudarnos a monitorear estos cambios», dijo Bouffaut.
Es posible ver ballenas cuando salen a la superficie a respirar, pero se reconoce que el sonido es la mejor manera de estudiar a las ballenas porque, de lo contrario, son muy escurridizas. Entonces, al estudiar su producción de sonido, sus llamadas y sus vocalizaciones, podemos aprender mucho sobre ellos. Podemos aprender dónde están durante las diferentes estaciones, y cómo y hacia dónde migran. Así que obtenemos mucha información espiándolos», dijo Kriesell.
Y si se puede configurar DAS para que la información pueda analizarse en tiempo real, la información podría transmitirse a los barcos que viajan en aguas donde las ballenas se alimentan o socializan, e informar a las partes interesadas para la acción de conservación directa, dijo Bouffaut.
«Potencialmente podríamos reducir el riesgo de choques de barcos con ballenas. Eso sería un gran problema», agregó Kriesell. «El hielo del Ártico se está derritiendo y el tráfico de barcos ha aumentado drásticamente en el Ártico. Y eso es un problema para los animales. Entonces, si tenemos un medio para informar a los barcos sobre la ubicación de las ballenas en tiempo real, podríamos detener o al menos reducir el riesgo de colisiones con barcos».
