L'uso di Sonar nella rilevazione e tracciamento dei mammiferi marini per prevenire le collisioni

I mammiferi marini come balene e delfini sono vitali per gli ecosistemi oceanici ma devono affrontare minacce crescenti da attività umane, in particolare collisioni con le navi. Gli scioperi di Vessel provocano gravi lesioni e mortalità, con alcune specie come la balena destra dell'Atlantico del Nord spinse più vicino all'estinzione.

Comprendere la tecnologia Sonar

Sonar, un acronimo per la navigazione sonora e la classificazione, utilizza onde sonore per rilevare, individuare e identificare oggetti sott'acqua. Il principio fondamentale consiste nell'emettere impulsi acustici (pings) che viaggiano attraverso l'acqua, riflettono gli oggetti, e ritornano come eco. Misurando il ritardo di tempo e le caratteristiche del suono di ritorno, i sistemi sonar calcolano distanza, dimensione, forma e movimento del bersaglio.

Il suono viaggia in modo efficiente in acqua, rendendo il sonar molto più efficace dei metodi ottici o radar per il rilevamento delle acque sotterranee. La tecnologia è stata utilizzata fin dai primi anni del XX secolo per il rilevamento dei sottomarini, ma la sua applicazione alla biologia marina ha guadagnato slancio negli ultimi decenni.

Nel contesto della conservazione mammifero marino, il sonar serve due scopi principali: rilevare la presenza di animali nelle vicinanze delle navi e monitorare i loro movimenti nel tempo. Queste informazioni possono essere alimentate in sistemi di supporto decisionale che consigliano ai capitani di rallentare, alterare il corso, o fermare i motori fino a quando gli animali hanno liberato la zona.

Tipi di Sonar utilizzati nel monitoraggio marino

Sonar attivo

I sistemi di sonar attivi emettono i propri impulsi sonori e ascoltano per rifare gli eco, forniscono informazioni dettagliate e in tempo reale sugli oggetti vicini, tra cui distanza e cuscinetto. Nelle applicazioni mammiferi marini, il sonar attivo è spesso montato sullo scafo delle navi o distribuito da veicoli subacquei autonomi (AUV).

Il sonar attivo può rilevare oggetti a intervalli da pochi metri a diversi chilometri, a seconda della frequenza, della potenza e delle condizioni dell'acqua. Le frequenze più basse viaggiano più lontano ma forniscono meno dettagli, mentre le frequenze più elevate offrono una risoluzione più sottile su distanze più brevi. Molti sistemi moderni utilizzano array di fascio o multisonda per creare immagini tridimensionali di obiettivi, aiutando gli operatori a identificare le distinte firme eco di balene e delfini rispetto a scuole di pesce o rocce sommerse.

Tuttavia, il sonar attivo ha un significativo svantaggio: gli impulsi sonori possono disturbare i mammiferi marini. La polemica è nata nei primi anni 2000 quando gli esercizi militari che coinvolgono il sonar attivo di media frequenza sono stati collegati a filamenti di balene. Di conseguenza, i sistemi sonar attivi a mente di conservazione sono progettati per usare intensità inferiore, raggi più stretti e per operare in specifiche bande di frequenza meno probabili causare danni.

Sonar passivo

Il sonar passivo non emette suoni; invece ascolta i suoni naturali prodotti dai mammiferi marini. Le balene e i delfini sono altamente vocali, utilizzando clic, fischietti e canto per la comunicazione, l'ecolocalizzazione e la navigazione.

PAM non è invasivo e non rischia di turbare l'acustica, rendendolo il metodo preferito per il monitoraggio in aree sensibili come zone protette marine. Molte navi moderne dispiegano array di idrofoni rimorchiati che si muovono dietro la nave, ascoltando continuamente le chiamate cetacee. Quando una vocalizzazione è identificata da firme acustiche specifiche per specie (ad esempio, il caratteristico canto delle balene humpback o i clic di echolocation dei ponti di balene di spermatochi), il sistema di avvitaggio).

Il sonar passivo ha dei limiti: richiede che gli animali siano vocalizzati, che non è sempre il caso (ad esempio, il riposo o l'alimentazione degli animali possono essere silenziosi). Inoltre, non può fornire una gamma precisa o un cuscinetto senza idrofoni e triangolazione multipli. Tuttavia, combinato con sistemi attivi, il sonar passivo offre un potente strumento complementare.

Il problema della collisione: scala e specie a rischio

Gli scioperi di Vessel sono una causa principale di morte per molte grandi specie di balene. La Commissione internazionale di balene (IWC) stima che centinaia di balene sono uccise o ferite da navi ogni anno in tutto il mondo, ma il vero numero è probabilmente molto più alto a causa di sottoriportamento. Le specie più vulnerabili includono la balena destra dell'Atlantico settentrionale (rimangono 350 persone), pinne, balene gobboni, balene, balene blu e balene grigie.

Le collisioni si verificano più frequentemente in aree in cui le corsie di trasporto si intersecano con terreni di alimentazione, rotte migratorie o aree di calving. Le zone ad alto rischio includono il Golfo di San Lorenzo, le acque al largo dello Sri Lanka, il Mar Mediterraneo e la costa della California.

L'impatto economico è anche sostanziale: gli scioperi di vessel possono danneggiare eliche, timone e scafi, portando a riparazioni e ritardi costosi. Un singolo sciopero che coinvolge una grande balena può costare una compagnia di navigazione decine di migliaia di dollari in tempi di fermo e riparazioni, per non parlare di potenziali sanzioni regolamentari e danni reputazionali.

Ad esempio, nel 2022, una nave da carico che entra nel porto di Savannah ha colpito un vitello di balena destra dell'Atlantico settentrionale, uccidendolo istantaneamente. L'incidente ha spinto NOAA ad imporre restrizioni di velocità temporanee e a ripercuotere il traffico, dimostrando come un singolo collisione possa increspare l'intero ecosistema marittimo.

Per affrontare questo problema, l'Organizzazione marittima internazionale (IMO ha adottato linee guida per le zone di routing e riduzione della velocità, ma la conformità rimane volontaria in molte regioni.

Applicazioni nella prevenzione delle collisioni

Sistemi di trasporto navale

L'applicazione più diretta è l'installazione di sistemi sonar su navi commerciali, che monitorano continuamente le acque avanti e accanto alla nave, fornendo avvisi quando i mammiferi marini vengono rilevati all'interno di una zona di pericolo, di tipo 100 a 500 metri.

Per esempio, la compagnia Ocean Sonics ha sviluppato un sistema sonar passivo integrato utilizzato dalla Guardia Costiera canadese. Si compone di idrofoni montati sullo scafo e un classificatore in tempo reale che può distinguere le chiamate balene dal rumore di fondo. Quando si verifica un rilevamento, il sistema invia un allarme al display del capitano e registra l'evento per l'analisi post-voyage.

Allo stesso modo, il sistema Whale Alert combina il tracciamento satellitare di balene etichettate con i dati del sonar del bordo e AIS (Automatic Identification System) .

Diversi operatori di traghetti della Columbia Britannica e dello Stato di Washington hanno adottato tali sistemi, segnalando significative riduzioni del rischio di collisione. La tecnologia è particolarmente preziosa durante le condizioni di notte o di scarsa visibilità quando gli osservatori visivi non possono individuare gli animali.

Autonoma veicoli subacquei (AUV) e Gliders

Gli AUV e gli alianti oceanici dotati di sonar estendono il monitoraggio oltre la portata dei sensori montati sulle navi, che possono pattugliare le corsie di navigazione, i corridoi di migrazione delle indagini e trasmettere i dati di rilevamento alle stazioni o alle navi tramite collegamenti via satellite, particolarmente utili per il monitoraggio di aree remote o sensibili all'ambiente in cui la presenza umana è limitata.

Per esempio, l'Istituto di Ricerca Acquario Monterey Bay (MBARI) utilizza AUV di lunga data con registratori acustici passivi per tracciare le balene blu nel Pacifico. I dati aiutano a delineare l'habitat critico e supporta le decisioni di avanzamento dinamico delle navi.

Un vantaggio fondamentale degli AUV è la loro capacità di operare continuamente per settimane, fornendo una consapevolezza situazione quasi reale che può essere integrata nei sistemi di gestione del traffico marittimo, consentendo alle autorità portuali di emettere "consulenti di balena" che raccomandano riduzioni di velocità o cambiamenti di rotta per le navi in arrivo.

Integrazione con i servizi di traffico di navi (VTS)

Porti e stati costieri stanno integrando sempre più dati sonar in Vessel Traffic Services (VTS). Quando i sensori sonar— sia su boe, AUVs, o piattaforme terrestri-rilevamento mammiferi marini vicino a corsie di spedizione, le informazioni vengono relè a un centro di coordinamento centrale. L'operatore VTS può poi trasmettere avvisi a tutte le navi della zona tramite radio VHF o avvisi digitali.

La St. Lawrence Seaway Management Corporation, in collaborazione con la Pesca e Oceans Canada, gestisce un sistema simile nel Golfo di San Lorenzo. Una rete di stazioni sonar fisse controlla il corridoio di migrazione delle balene destra atlantico nord minacciate. Quando si verificano i rilevamenti, il VTS emette una zona "slow down", completata dalla sorveglianza aerea.

Monitoraggio in tempo reale e analisi predittive

Imparare a macchina per la classificazione acustica

Una delle sfide più grandi del sonar passivo è distinguere le chiamate di diverse specie mammiferi marini l'una dall'altra e dal rumore di fondo (motori di nave, sondaggi sismici, gamberetti a scatto).

Ad esempio, il National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Pacific Islands Fisheries Science Center utilizza un modello di apprendimento profondo chiamato "Whale Detector" che può identificare 12 specie di delfini e balene in tempo reale dallo streaming di dati idrofonici. Il modello raggiunge una precisione superiore al 95% per alcune specie, con tassi di allarme falsi abbastanza bassi per l'uso operativo.

Allo stesso modo, la società Greenridge Environmental ha sviluppato un sistema di sonar attivo potenziato dall'IA che può differenziare la forma corporea di una balena da un sottomarino o da un grande pesce basato su immagini ad alta frequenza.

Integrazione con AIS e zone di velocità dinamiche

I dati di rilevamento del sonar possono essere combinati con i transponder automatici del sistema di identificazione (AIS) sulle navi per creare zone di riduzione della velocità dinamica. In questo sistema, quando un rilevamento delle balene viene confermato all'interno di una zona definita, il VTS attiva automaticamente una "zona di traino della balena destra" temporanea su carte elettroniche, visibile a tutte le navi attrezzate dall'AIS.

Un esempio notevole è la collaborazione tra il Porto di Savannah, NOAA e la Conservazione non profit Whale e Dolphin. Una rete di array di sonar passivi montati sul fondo del canale di trasporto segnala i rilevamenti a un server cloud, che innesca gli avvisi AIS. Nel primo anno, il rispetto delle velocità consigliate aumenta del 40% e non si verificano collisioni.

Sfide e limitazioni

Distinguere i mammiferi marini da altri oggetti

Anche con un sonar attivo avanzato, differenziando una balena da un grande pesce, un sottomarino o una roccia può essere difficile. L'eco del corpo di una balena può assomigliare a quello di un naufragio sommerso o una scuola densa di pesce. Il sonar attivo ritorna anche varia con l'orientamento dell'animale - una balena che nuota direttamente verso il sonar può produrre un echo più debole di un passaggio lato largo.

L'apprendimento automatico aiuta, ma i dati di formazione sono limitati per molte specie in diversi ambienti oceanici. Falsi allarmi possono derivare da tende a bolle, foreste di kelp o termocline. Al contrario, i rilevamenti mancati si verificano quando le balene sono immersioni o dormono vicino alla superficie.

Il sonar passivo ha il vantaggio di specifiche firme acustiche, ma solo se gli animali stanno cantando. Le balene silenziose o quelle che producono chiamate deboli (ad esempio, le balene con i suoni a bassa luminosità) sono invisibili a PAM. Combinando sia le modalità attive che quelle passive sembra il percorso migliore in avanti, ma aggiunge costi e complessità.

Disturbo potenziale dal rumore di Sonar

Il sonar attivo ha dimostrato di provocare reazioni comportamentali nei mammiferi marini, tra cui l'elusione, i cambiamenti temporanei delle soglie uditive e, in casi estremi, le incagliature. Il problema è venuto all'attenzione globale nel 2000 quando un esercizio di sonar attivo di media frequenza da parte della Marina degli Stati Uniti nelle Bahamas ha coinciso con l'infilamento di diverse balene beccate.

Mentre il sonar commerciale per il rilevamento delle balene utilizza tipicamente una potenza inferiore rispetto ai sistemi militari, il rischio non può essere completamente eliminato. Per ridurre al minimo il disturbo, molti sistemi operano a frequenze al di fuori della gamma uditiva sensibile delle specie bersaglio (ad esempio, oltre 200 kHz per le balene dentate) e utilizzano travi direzionali per limitare l'esposizione.

Per questo motivo, molti gruppi di conservazione sostengono il sonar passivo come strumento di rilevamento primario, riservando il sonar attivo per situazioni in cui il rilevamento passivo è insufficiente, come in acque molto tranquille dove gli animali non possono essere vocalizzi.

Gamma di rilevamento limitata in determinate condizioni

Le prestazioni del sonar sono influenzate dalla temperatura dell'acqua, dalla salinità, dalla profondità e dal rumore ambientale. Nelle acque basse o torbide, le onde sonore possono essere riflesse o sparse, riducendo la gamma. Traffico di navi pesanti, tempeste e vento aumentano anche i livelli di rumore di fondo, mascherando eco o chiamate deboli. Questi fattori possono portare a lacune di rilevamento, soprattutto per piccoli cetacei come i porpoise che producono segnali di intensità inferiore.

Gli ambienti caldi come il Golfo del Messico possono avere forti termocline che intrappolano l'energia sonora, mentre le acque polari fredde spesso permettono la propagazione a lungo raggio ma anche il rumore da cracking del ghiaccio e rottura.

Sviluppo futuro

Imaging Sonar ad alta frequenza

I progressi nella tecnologia dei trasduttori permettono ora di creare un sonar di imaging che opera a frequenze superiori a 1 MHz, offrendo una risoluzione quasi-fotografica di oggetti subacquei. Questi sistemi possono produrre immagini video-come in tempo reale che mostrano la forma e anche il movimento dei mammiferi marini. Quando combinato con il riconoscimento automatico del modello, promettono di ridurre drasticamente i falsi allarmi e migliorare l'identificazione delle specie.

La Sound Metrics Corporation ha sviluppato l'ARIS (Adaptive Resolution Imaging Sonar), utilizzato dai ricercatori per osservare il comportamento di foraggi di balena. In futuro, tali dispositivi potrebbero essere integrati in carenaggi di scafo per l'imaging continuo grandangolare come si avvicina le navi.

AI e Edge Computing

L'elaborazione onboard dei dati sonar si sposta dall'hardware dedicato ai sistemi software-definiti che eseguono modelli AI su computer edge, consentendo così di eseguire algoritmi di classificazione sofisticati in tempo reale senza contare sulla connettività cloud, che potrebbero non essere disponibili o ritardati in mare. Edge AI consente inoltre di apprendere continuamente: il sistema può affinare il suo modello di rilevamento in base alle condizioni acustiche locali incontrate durante il viaggio, migliorando le prestazioni nel tempo.

Diversi startup stanno sviluppando moduli "smart sonar" autonomi che possono essere retrò su qualsiasi nave, simili a un sistema di evitare collisione post-vendita per le auto. Questi moduli includono GPS, ricevitore AIS, array di idrofoni e un piccolo computer che esegue modelli di rilevamento open source. L'aspettativa è che l'adozione diffusa spingerà giù i costi e accelerirà le richieste normative per tali apparecchiature su grandi navi commerciali.

Fusione multisensoriale

I futuri sistemi di prevenzione delle collisioni non si affidano esclusivamente al sonar, e si fonderanno dati da fonti multiple: radar (per il rilevamento delle superfici), telecamere a infrarossi (per il rilevamento termico delle balene in superficie), telecamere visive (per l'identificazione diurna), immagini satellitari e anche tagging elettronico delle balene. Sonar fornirà lo strato critico subacqueo, ma il sistema totale avrà ridondanza per coprire diverse condizioni.

Ad esempio, il "Sistema di rilevamento delle balene" sviluppato dal Dipartimento di Trasporto degli Stati Uniti combina una telecamera a infrarossi dall'aspetto avanzato con un sonar attivo a bassa frequenza e un array di ascolto acustico. L'algoritmo di fusione pesa il livello di fiducia di ciascun sensore e produce un punteggio di rischio unificato, che a sua volta innesca avvisi appropriati.

Driver e standard di settore regolamentari

Nel 2023, Transport Canada ha proposto emendamenti che richiedono tutte le navi oltre 20 metri in alcune zone ad alto rischio per trasportare sistemi PAM approvati entro il 2026. L'Unione europea sta considerando regole simili per i mari mediterranei e baltici. L'Organizzazione marittima internazionale ha pubblicato una circolare che raccomanda l'uso di "sistemi di rilevamento degli aeromobili consigliati" e incoraggia i dati a fornire dati acustici.

Alcune compagnie di assicurazione sono anche in corso di avviso, alcuni assicuratori di responsabilità marittima offrono sconti premium per le navi dotate di PAM e sonar attivo, riconoscendo il rischio ridotto di reclami legati agli incidenti, che possono accelerare l'adozione oltre il lento ritmo di regolazione.

Conclusioni

La tecnologia Sonar si è evoluta da uno strumento per la navigazione militare e la scienza della pesca in uno strumento vitale per la conservazione marina. Rilevando e tracciando mammiferi marini in tempo reale, consente agli operatori navali di evitare collisioni, proteggendo sia le specie minacciate che gli interessi commerciali.

Le sfide rimangono – specie distinguono, evitando disturbi e mantenendo le prestazioni in condizioni variabili – ma in corso progressi nell'imaging ad alta frequenza, bordo AI, e multisensore fusione promessa di superare molti di questi ostacoli. Già, le implementazioni di successo nel Golfo di San Lorenzo, la costa orientale degli Stati Uniti, e il Pacifico Nord-Ovest hanno dimostrato che la prevenzione di collisioni basata sul sonar non è solo fattibile ma efficace.

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