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Akustische Vermessung der marin-seismischen Quellen des FS Polarstern im Herdle Fjord, Norwegen

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Breitzke, M. , Boebel, O. , El Naggar, S. E. D. , Jokat, W. , Kuhn, G. , Niessen, F. , Schenke, H. W. , Werner, B. and Diebold, J. (2006): Akustische Vermessung der marin-seismischen Quellen des FS Polarstern im Herdle Fjord, Norwegen , 66. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, 06-09 März, Bremen. .
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Diskussionen über einen möglichen Einfluß anthropogener Schallquellen auf das Verhalten mariner Säuger und Auflagen des Umweltbundesamtes zur Durchführung marin-seismischer Messungen im Antarktischen Ozean südlich von 60°S erfordern die Bestimmung und Überwachung von Mitigationsradien um und unter dem FS Polarstern, innerhalb derer marine Säuger aufgrund des vorherrschenden Schalldruckpegels eventuell atypische Verhaltensmuster aufweisen oder durch temporäre Hörschwellenverschiebungen (TTS) geschädigt werden. Die Grenzwerte des Schalldruckpegels, oberhalb derer solche Verhaltensänderungen oder temporären Hörschwellenverschiebungen potentiell bei marinen Säugern einsetzen, wurden in den letzten Jahren mehrfach geändert und herabgesetzt. Die momentan am häufigsten angewandten Grenzwerte wurden vom National Marine Fisheries Service (NMFS), USA definiert und liegen bei 160 dB(RMS) re 1 µPa für Verhaltensänderungen und 180 dB(RMS) für temporäre Hörschwellenverschiebungen für Wale und 10 dB(RMS) höher für Robben. Darüber hinaus wurde von einer Expertengruppe ("Noise Exposure Criteria Group") des NMFS ein neues 2-Punkte Kriterium entwickelt, das den unterschiedlichen Signalcharakteristiken impulsartiger, breitbandiger seismischer Signale und zeitlich länger andauernder, quasi-monofrequenter Signale wissenschaftlicher und militärischer Sonare Rechnung trägt und möglicherweise in Kürze die 160 bzw. 180 dB(RMS) Grenzwerte ersetzt. Dieses 2-Punke Kriterium berücksichtigt sowohl die maximale Schalldruckamplitude ("zero-peak") als auch die Signaldauer und -energie und definiert, dass akustische Signale, die entweder einen Schalldruckpegel von 224 dB re 1 µPa überschreiten oder eine Signalenergie ("sound exposure level") größer als 183 dB re 1 µPa²s für impulsartige, breitbandige Signale und 195 dB re 1 µPa²s für länger andauernde, quasi-monofrequente Töne überschreiten, gegebenenfalls eine temporäre Hörschwellenverschiebung bei Walen hervorrufen. Für Robben liegen die entsprechenden Grenzwerte 20 dB(RMS) niedriger.Um diese Grenzwerte und die zugehörigen Sicherheitsradien für die von dem FS Polarstern eingesetzten marin-seismischen Quellen bestimmen und bei zukünftigen Schiffsexpeditionen einhalten zu können, wurden die räumlichen Verteilungen ihrer Schallfelder in Zusammenarbeit mit der Wehrtechnischen Dienststelle für Schiffe und Marinewaffen (WTD 71), Eckernförde im Herdle Fjord, Norwegen entlang von 2 bis 3 km langen Profilen mit zwei fest verankerten, kalibrierten Hydrophonketten in Tiefen von 35, 100, 198 und 263 m unter der Meeresoberfläche vermessen. Dabei kamen eine 2.4 l GI-Gun, eine 8.5 l G-Gun und eine 32.8 l Bolt-Gun als Einzelquellen und ein 3-GI-Gun (7.4 l), ein 3-G-Gun (25.5 l) und ein 8-VLF-Gun Array (24 l) zum Einsatz. Ergänzt wurden diese Vermessungen durch Modellrechnungen für die zur Zeit ebenfalls auf marin-seismischen Expeditionen verwendeten 8-G-Gun (68.2 l) und 8-G + 1-Bolt-Gun Arrays (100.1 l). Mess- und Modelldaten wurden entsprechend des von der Society of Exploration Geophysicsts (SEG) festgelegten Standards zur Spezifierung mariner seismischer Energiequellen bezüglich ihrer Maximalamplituden, ihrer Signaldauer sowie ihrer Frequenz- und Energiegehalte als Funktion der Quelle-Empfänger Distanz analysiert, so dass sowohl das derzeitig gültige RMS-Amplituden Kriterium als auch das möglicherweise zukünftig geltende druck- und energie-basierte 2-Punkte Kriterium berücksichtigt werden kann.Die entfernungsabhängigen Kurven der Maximalamplitude und Signalenergie spiegeln für jede Quellkonfiguration im wesentlichen die durch die destruktive Interferenz von primärem Signal und Ghost-Reflexion bedingte Signalauslöschung nahe der Meeresoberfläche und die damit verbundene dipolartige Richtcharakteristik mariner seismischer (Einzel-)Quellen wider ("Loyd Mirror Effekt"). Ein Vergleich der Amplituden und Energien beim An- und Ablaufen auf die Hydrophonstationen zeigt, dass insbesondere bei flach und schiffsnah geschleppten Quellen der Rumpf des FS Polarstern die Wellenausbreitung abschattet, so dass beim Anlaufen niedrigere Amplituden und Energien aufgezeichnet wurden als in gleicher Entfernung beim Ablaufen. Aus den größten Quell-Hydrophondistanzen, in denen der 180 dB(RMS) Schalldruckpegel unterschritten wurde, lassen sich Mitigationsradien von 200 bis maximal 600 m für die Einzelquellen und von 300 bis maximal 1500 m für die vermessenen bzw. modellierten Airgun Arrays ableiten. Eine Extrapolation der Kurven der Maximalamplitude auf 1 m Entfernung ergibt, dass die berechneten, nominellen Quellschallpegel der Einzelquellen zwischen 229 und 242 dB re 1 µPa @ 1 m und die der Airgun Arrays zwischen 236 und maximal 256 dB re 1 µPa @ 1 m liegen. Darüber hinaus veranschaulicht ein Vergleich aller vermessenen Quellkonfigurationen die Bedeutung des druck- und energie-basierten 2-Punkte Kriteriums sowie des SEG-Standards zur Spezifizierung mariner seismischer Energiequellen: Beispielsweise weisen das 3 GI-Gun Array ("True GI Mode") und die Bolt-Gun nahezu gleiche berechnete, nominelle Quellschallpegel von 241 bzw. 242 dB re 1 µPa @ 1 m auf, aber bei nahezu gleicher Bandbreite signifikant unterschiedliche berechnete, nominelle Gesamtenergien von 209 bzw. 214 dB re 1 µPa²s @ 1 m.

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