חוקרים ב-Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) פיתחו שתי מערכות אקוסטיות מתקדמות רחבות-פס שהם מאמינים כי יכלו להוות שווה-הערך האקוסטי לקפיצה מטלוויזיה בשחור-לבן לטלוויזיה צבעונית ברזולוציה גבוהה. עבור חוקרי האוקיאנוסים, הדבר יכול לשמש שדרוג גדול ביכולתם לספור ולסווג דגים ולמקם בדייקנות zooplankton זעיר בתוככי מערבולות של ימים.
המחברים המובילים Tim Stanton ו-Andone Lavery מה-Department of Applied Ocean Physics and Engineering כבר בדקו את שתי המערכות מחוץ לחוף המזרחי של ארה”ב, עם תוצאות מבטיחות ביותר. הם ועמיתיהם מתארים את עבודתם החלוצית במאמרים גב-אל-גב. הטכנולוגיה היא השיא של מאמצים המשתרעים על שני עשורים, מסביר Stanton. “מרכיבים של חידושים אלה הושלמו בנפרד על-ידי חוקרים קודמים, אף זהו הראשון מסוגו הכולל את כל הטכנולוגיות בחבילה אחת”.
בעיית פענוח
מאחר שהקול מתפשט במהירות למרחקים ארוכים במים, חוקרי האוקיאנוסים זיהו לפני זמן רב את היכולת של מדידות אקוסטיות לסקור במהרה את מה שטמון מתחת לפני האוקיאנוס. כאשר גל קול פוגש עצם, כגון דג או חסילון, הוא מתפזר. מדעני אקוסטיקה מנתחים את התדר, העצמה והתזמון של האות המפוזר כדי לקבוע מה גרם להד. מרבית המכשירים האקוסטיים משתמשים בגלי קול המכילים רק תדר אחד או מעט תדרים. אולם הפענוח של ההדים הללו איננו חד וחלק. חיישן תדר יחיד שמשמש לבחון שני קטעים שונים של האוקיאנוס ימדוד כנראה שתי רמות הד שונות. רמות הד אלו עשויות להצביע על כך ששתי החלקות מכילות מספר שונה של דגים, גדלים שונים של דגים, סוגים שונים של דגים, שהדגים נעו בכיוונים שונים במים, או צירוף כלשהו של כל הגורמים הללו. Stanton מדגיש שכפילויות אלו עשויות לשנות את ההערכות האקוסטיות על מספר הדגים בסדרי גודל.
הפענוח הופך לעוד יותר מטעה כאשר משתמשים באקוסטיקה כדי לחקור בעלי-חיים בגודל מילימטרים עד סנטימטרים המכונים zooplankton. סוגים מסוימים של zooplankton נמשכים לאזורים בהם שוררים גרדיאנטים בטמפרטורה ובמליחות של מימי האוקיאנוס. אנרגיה מגאות ושפל או מזרמים, הפועלת יחד עם המבנה הטופוגרפי הקשה של קרקעית האוקיאנוס, כגון מדרוני חול, גורמת ליצירת מערבולות באזורים שכבתיים אלה. לגלי קול המפוזרים על-ידי המערבולת וה-zooplankton יכולות להיות רמות דומות בתחום תדרים, המונע פענוח של אותות בתדר יחיד בתחום תדרים זה. כפי ש-Lavery מדגישה, “ אם יש לך אזור של מערבולות רבות, כיצד תדע אם ההתפזרות היא ממערבולת או מ-zooplankton שהצטבר באזור?”
פריצת הפס הרחב
אם חיישנים של תדר יחיד מספקים תמונה של האוקיאנוס הדומה לטלוויזיה בשחור-לבן, הרי ש-Stanton, Lavery ועמיתיהם בנו מערכות אקוסטיות הדומות לצפייה בטלוויזיה צבעונית ברזולוציה גבוהה. המכשירים החדשים מודדים את התפזרות הקול לא רק בתדרים בודדים, אלא בתחום רציף של תדרים, היוצרים ספקטרום אקוסטי רחב-פס. שנים של עבודה תיאורטית ומידול מעבדתי של Stanton, Lavery וחוקרים אחרים הניחו את הבסיס לפענוח ספקטרומים אלה.
Stanton מצא שלגבי דגים, מרבית הפעולה האקוסטית מתרחשת בתדרים נמוכים מאוד. בדומה לנשיפה בפיה של בקבוק סודה היוצרת צליל יחיד, גלי קול בתדר נמוך יוצרים תהודה עם האוויר בשלפוחית השחייה של הדג ויוצרים אות פיזור אופייני. בספקטרום רחב, אות זה נראה כמו שיא הממורכז בתדר בין 1 ל-10 קילו-הרץ עבור דגים קטנים. מאחר שרוב מדי-ההד מודדים תדרים ב-38 או 120 קילו-הרץ, הם מחמיצים את סימן-המפתח הזה.
דבר חשוב, תדר התהודה בשיא משתנה עבור גדלים שונים של דגים, אך איננו תלוי בכיוון התנועה של הדגים בתוך המים. כמו כן, מעט מאוד יצורים ימיים אחרים מפזרים קול בתדרים נמוכים אלה. פירוש כל זה הוא שאותות רחבי-םס יכולים לשמש לא רק כדי להבחין בים דגים ויצורים ימיים אחרים, אלא גם לשם זיהוי הגודל והצפיפות של הדגה.
בתדרים גבוהים יותר, החוקרים בוחנים היבטים אחרים של צורת הספקטרום האקוסטי כדי לקבוע מה פיזר את גל הקול. לדוגמה, שיפוע כלפי מטה מ-150 ל-600 קילו-הרץ מסמל רמות גבוהות של מערבולות. באותו תחום תדרים, עקומה בעלת שיפוע הפוך, כלפי מעלה, פירושה שהמים מלאים ב-zooplankton זעירים. יתרה מזו, התדר בו השיפוע הופך לשטוח מצביע על גודל ה-zooplankton.
לתחום הרציף של תדרים המשמש למערכות רחבות-פס יש לא רק יתרון של שיפור הפענוח, אלא הם גם מספקים הרבה יותר מידע, כך ש-Stanton ו-Lavery יכלו להשתמש באלגוריתמי עיבוד מתוחכמים. שיטה המכונה דחיסת הפולסים מפחיתה את הרעש של האות בהשוואה לזה של בוחני-הד מסורתיים, ומגדילה את המרחק בו הם יכולים לגלות את היצורים. אותו עיבוד מתקדם משפר גם את רזולוציית הטווח, ומביא את התמונות האקוסטיות בפוקוס חד כך שניתן להבחין בין בעלי-חיים קרובים זה לזה אחד מהשני.
התקדמות זו תאפשר למדענים לחקור תהליכים ביולוגיים, כגון אינטראקציה בין תוקף וקורבן, (כלומר לקבוע :”מי אוכל את מי”) בדיוק הרבה יותר טוב. אלמנט חיוני של חקר התהליך הביולוגי הוא לאפיין ראשית את ההתפלגות בזמן ובמרחב של בעלי-החיים. איכות לימוד התהליך טובה בדיוק כמו איכות האפיון של התפלגות בעלי-החיים. אם מדען משתמש במערכת אקוסטית בעלת תדר יחיד כדי לחקור בעלי-חיים ומפרש לא נכון הד מערבולת בתור זה של zooplankton , או קורא לא נכון הד מדג גדול בתור הד מדגים קטנים רבים, אזי לימוד התהליך הביולוגי ישתבש בצורה יסודית. שימוש במערכות רחבות-פס חדשות אלה יקל בצורה ניכרת על אפיון ההתפלגות של בעלי-החיים, ימנע רבות מהכפילויות וישפר את הדיוק.
החבילה השלמה
Stanton ו-Lavery כללו את כל השיפורים התיאורטיים ושל תהליך בשתי מערכות אקוסטיות רחבות-פס חדשות, והדגימו את השימוש בהן באוקיאנוס. לשם גילוי הדגה פותח מכשיר הפועל בתדרים נמוכים (1.5 קילו-הרץ עד 100 קילו-הרץ). חבילה אחרת האוספת מדידות בתדרים גבוהים יותר (150 עד 600 קילו-הרץ) נבנתה כדי להבדיל בין zooplankton ומערבולות. בשתי המערכות הוכנסו שינויים מיוחדים של מערכות מסחריות המתוכננות לשם לימוד רצפת הים על-ידי EdgeTech. הפיתוחים נעשו בשיתוף עם מהנדסי EdgeTech אשר ביצעו את השינויים הדרושים בחומרה.
בשימוש הראשון, חבילת התדר הנמוך יותר נגררה דרך מצבור של הרינג באורך 1 קמ’ מחוץ ל-Cape Cod, MA שם היא רשמה שיא תהודה עקבי ב-3.7 קילו-הרץ בקירוב. עבור Stanton ועמיתיו פירוש הדבר היה שהדגים היו כולם בעלי אותם ממדים (כ-24 סמ’) ושרק צפיפות הדגים תרמה להבדלים באות המפוזר. Stanton זיהה נכון חלק מהלהקה שם הצפיפות הייתה גדולה עד שני דגים במטר מעוקב וכה נמוכה עדו 0.05 דגים במטר מעוקב. Lavery ועמיתיה השיקו תחילה את המערכת בתדר יותר גבוה מעל האזור היבשתי של New Jersey. בקטע מים אחד, צורת הספקטרום רחב-הפס הצביעה על נוכחות zooplankton. ניתוח נוסף הראה שבעלי החיים היו כנראהcopepods – סרטנים קטנים באורך 1 עד 2 ממ’. בקטע אחר, השיפוע הבולט כלפי מטה של הספקטרום הראה שמערבולות, ולא zooplankton גרמו לאות. Stanton מדגיש “אלה נתונים ראשוניים מסוגם. הקול רחב-הפס לא שימש לזיהוי מערבולות לפני כן”.
עתיד הפס הרחב
“אנחנו לא מתכוונים לעצור עם שני מכשירים אלה”, אומר Stanton. שני החוקרים מתכננים לפתח מערכות רחבות-פס חדשות המכסות תחומים יותר רחבים של תדרי קול כדי לגלות zooplankton יותר קטן ודגים יותר גדולים. מכשירים חדשים אלה יותקנו על ספינות, כלי-רכב תת-מימיים אוטומטיים (automatic underwater vehicles – AUVs) ומעגנים כדי לחקור מגוון סביבות בקני מידה שונים של זמן ומקום.
בקרב הקהילה המדעית, לטכנולוגיה רחבת-הפס ערך רגולטורי, מסחרי וצבאי חשוב. הסיווג והספירה של בעלי-חיים ימיים הם חיוניים למנהלי הדיג המבקשים לקבוע את היקפי המלאים. דייגים נהנים מהקביעה המדויקת של ממדי דגים וצפיפותם, כמו גם ממציאת מזון הדגים וה-zooplankton. הצי משתמש בטכנולוגיה רחבת-פס כדי ללמוד כיצד הדגים מתחברים למערכות התת-מימיות. Lavery מסבירה, “תקוותי היא שאחת החברות הגדולות הבונות מערכות אקוסטיות תאמץ את טכנולוגיית הפס-הרחב ותהפוך אותה לנגישה לשימוש הכללי של הציבור”.
Stanton מסכם את הישגי עשרים השנים של מחקר תיאורטי, מעבדתי ושל שדה בשעה שהוא אומד את פוטנציאל טכנולוגיית הפס-הרחב באוקיאנוס.“ אנחנו הקמנו גוף עובד. ולפנינו עדיין אבני דרך רבות”.
