In den riesigen, geheimnisvollen Tiefen unserer Ozeane, die mit herkömmlichen Kartierungstechnologien kaum zu erreichen sind, haben Wissenschaftler einen unerwarteten Verbündeten entdeckt: Wale. Diese prächtigen Meeressäuger, bekannt für ihre eindringlichen und komplexen Gesänge, helfen Forschern nun dabei, detaillierte Karten des Meeresbodens auf eine Weise zu erstellen, die bisher für unmöglich gehalten wurde.
Dieser innovative Ansatz kombiniert Bioakustik, Ozeanografie und fortschrittliche Datenverarbeitung, um unser Verständnis des Meeresbodens zu verbessern und gleichzeitig neue Erkenntnisse über das Verhalten von Walen und marinen Ökosystemen zu liefern. Die als passive akustische Sensorik bekannte Technik revolutioniert unsere Tiefseekartografie, indem sie natürliche Geräusche anstelle störender aktiver Sonarsysteme nutzt, die das Meeresleben schädigen können.
Die Herausforderung, die Tiefen unserer Ozeane zu kartieren
Obwohl Ozeane über 70 % der Erdoberfläche bedecken, sind bisher weniger als 25 % des Meeresbodens hochauflösend kartiert. Herkömmliche Methoden zur Kartierung des Meeresbodens stoßen auf erhebliche Einschränkungen: Schiffsgestützte Sonarsysteme sind teuer im Betrieb, haben eine begrenzte Reichweite und können jeweils nur kleine Bereiche abdecken. Satellitengestützte Methoden bieten zwar eine breite Abdeckung, weisen aber für Bereiche unter etwa 1.5 Kilometern keine detaillierte Auflösung auf.
Diese technologischen Einschränkungen haben dazu geführt, dass weite Teile unseres Meeresbodens – insbesondere in abgelegenen oder tiefen Gebieten – weitgehend unerforscht und nur unzureichend verstanden sind. Diese Wissenslücke beeinträchtigt unser Verständnis geologischer Prozesse, mariner Lebensräume und sogar der Vorhersagen des Klimawandels, da die Topographie des Meeresbodens die Meeresströmungen beeinflusst, die die Wärme rund um den Planeten verteilen.
Die einzigartigen Eigenschaften der Wallaute
Die Lautäußerungen von Walen, insbesondere von Bartenwalen wie Blau-, Finn- und Buckelwalen, besitzen einzigartige Eigenschaften, die sie ideal für die akustische Kartierung machen. Diese Säugetiere produzieren einige der lautesten biologischen Laute der Erde. Ihre Rufe können 180 bis 190 Dezibel erreichen und Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern unter Wasser zurücklegen.
Im Gegensatz zu künstlichem Sonar, das typischerweise mit höheren Frequenzen arbeitet, enthalten Wallaute oft kräftige Niederfrequenzkomponenten (zwischen 10 und 200 Hz), die tief in den Meeresboden eindringen und dort Informationen über geologische Strukturen zurückwerfen können. Verschiedene Walarten erzeugen unterschiedliche Stimmmuster – vom komplexen „Gesang“ der Buckelwale bis zu den pulsierenden „20-Hz“-Rufen der Finnwale – und bieten Forschern damit ein vielfältiges akustisches Instrumentarium für die Untersuchung unterschiedlicher Tiefenbereiche und Meeresbodenbeschaffenheiten.
Wie Walgesänge mit dem Meeresboden interagieren
Wenn Wale vokalisieren, erzeugen sie Schallwellen, die sich durch das Wasser bewegen und auf komplexe Weise mit dem Meeresboden interagieren. Ein Teil dieser Schallenergie wird direkt vom Meeresboden reflektiert, während ein anderer Teil in Sediment und Grundgestein eindringt, von tieferen Schichten reflektiert wird oder durch verschiedene Materialien gebrochen wird. Durch die Analyse dieser reflektierten und gebrochenen Signale können Wissenschaftler Eigenschaften wie Meeresbodentiefe, Sedimentdicke und sogar Zusammensetzung bestimmen.
Dies funktioniert ähnlich wie medizinischer Ultraschall zur Erstellung von Bildern innerer Organe, jedoch in einem deutlich größeren Maßstab. Die unterschiedlichen Dichten und Strukturen des Meeresbodens erzeugen in den reflektierten Walgeräuschen charakteristische akustische „Signaturen“, die Forscher mithilfe ausgefeilter Signalverarbeitungsalgorithmen entschlüsseln können. Dieser Ansatz liefert nicht nur Informationen über die Topografie, sondern auch über die geologische Zusammensetzung – ein entscheidender Vorteil gegenüber vielen herkömmlichen Kartierungsmethoden.
Die Technologie hinter passivem akustischem Mapping
Die wissenschaftliche Nutzung von Walgesängen zur Ozeankartierung basiert auf einem Netzwerk von Hydrophonen – Unterwassermikrofonen, die an strategischen Standorten in den Ozeanen eingesetzt werden. Diese Hydrophone können an festen Verankerungen, treibenden Bojen, unbemannten Unterwasserfahrzeugen oder Meeresbodenobservatorien befestigt werden und so integrierte akustische Überwachungsnetzwerke bilden. Die aufgezeichneten Daten werden einer komplexen Signalverarbeitung unterzogen, um die Walstimmen von anderen Meeresgeräuschen zu isolieren und ihre Reflexionen zu analysieren.
Fortschrittliche Rechentechniken, darunter Algorithmen des maschinellen Lernens, helfen, zwischen Direktschall und Echos zu unterscheiden, selbst wenn diese sich überschneiden oder aus verschiedenen Richtungen eintreffen. Die Berechnung der Ankunftszeitdifferenz zwischen mehreren Hydrophonen ermöglicht eine präzise Triangulation der Walpositionen und der reflektierenden Punkte am Meeresboden. Diese Technologie hat sich in den letzten Jahren dramatisch weiterentwickelt. Verbesserungen in der digitalen Signalverarbeitung, der Batterielebensdauer und der Datenspeicherkapazität ermöglichen längere Einsätze und anspruchsvollere Analysen als je zuvor.
Pionierprojekte in der Meeresbodenkartierung anhand von Walen
Mehrere bahnbrechende Forschungsinitiativen haben das Potenzial der walbasierten Kartierung aufgezeigt. 2019 nutzte ein Team unter der Leitung von Forschern der Oregon State University im Nordostpazifik aufgezeichnete Finnwalrufe, um detaillierte Karten bisher unerforschter Tiefseeberge zu erstellen. Ihre in Science veröffentlichte Studie zeigte, dass passive akustische Daten Merkmale von nur 10 bis 15 Metern Größe auflösen konnten – eine weitaus bessere Auflösung als satellitengestützte Methoden in diesen tiefen Gewässern.
Ein weiteres bemerkenswertes Projekt ist das Southern Ocean Passive Acoustic Observatory. Es nutzt Aufnahmen von antarktischen Blauwalen, um abgelegene Regionen rund um die Antarktis zu kartieren, die aufgrund der rauen Bedingungen und der saisonalen Eisbedeckung mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu erfassen sind. Das LIDO-Netzwerk (Listen to the Deep Ocean), das sich über mehrere Ozeanbecken erstreckt, hat eine der größten Datenbanken mit Walstimmen und deren Reflexionen am Meeresboden aufgebaut und liefert Forschern wertvolle Daten für ökologische Studien und die Kartierung des Meeresbodens.
Vorteile gegenüber herkömmlichen Mapping-Methoden
Die Nutzung von Walstimmen zur Ozeankartierung bietet gegenüber herkömmlichen Methoden mehrere entscheidende Vorteile. Im Gegensatz zu aktivem Sonar, dessen laute Geräusche das Meeresleben stören können, hat die passive akustische Überwachung keine negativen Auswirkungen auf die marinen Ökosysteme. Wale durchqueren auf natürliche Weise riesige Meeresgebiete, darunter auch abgelegene Regionen, die selten von Forschungsschiffen angefahren werden, und liefern so Daten aus ansonsten unzugänglichen Gebieten. Die Technik ist zudem im Vergleich zu speziellen Kartierungsexpeditionen äußerst kostengünstig, da Hydrophonnetzwerke kontinuierlich Daten für mehrere Forschungszwecke gleichzeitig sammeln können.
Darüber hinaus können Wallaute Sedimentschichten besser durchdringen als manche herkömmliche Kartierungstechnologien und liefern so geologische Informationen über den Untergrund. Besonders wichtig ist dabei, dass dieser Ansatz nach dem Prinzip „Einmal sammeln, oft nutzen“ funktioniert: Dieselben akustischen Daten liefern Informationen über Walpopulationen, den Geräuschpegel im Ozean und die Eigenschaften des Meeresbodens. Dadurch wird der wissenschaftliche Nutzen der Investitionen in die Meeresbeobachtungsinfrastruktur maximiert.
Kombination von Walgesängen mit anderen Datenquellen
Um die Effektivität der Wal-basierten Kartierung zu maximieren, verlassen sich Forscher nicht allein auf akustische Daten. Sie integrieren Walgesangsdaten mit Informationen aus traditionellen Kartierungsquellen wie Fächersonar, Satellitenaltimetrie und geologischen Proben, um umfassende Modelle des Meeresbodens zu erstellen. Dieser multimodale Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, ihre Ergebnisse zu validieren, Lücken in der Abdeckung zu schließen und Unklarheiten in den akustischen Daten zu beseitigen.
Moderne Geographische Informationssysteme (GIS) erleichtern diese Integration und ermöglichen es Forschern, mehrere Datentypen zu überlagern und ihre Beziehungen zu analysieren. Algorithmen des maschinellen Lernens spielen dabei eine immer wichtigere Rolle. Sie helfen, Muster und Zusammenhänge in unterschiedlichen Datensätzen zu erkennen, die bei konventioneller Analyse möglicherweise nicht erkennbar sind. Diese kombinierten Ansätze haben sich insbesondere in Gebieten wie der Arktis als wertvoll erwiesen, wo sich verändernde Eisbedingungen neue Untersuchungsgebiete erschließen, aber auch traditionelle Untersuchungsmethoden vor besondere Herausforderungen stellen.
Ökologische Erkenntnisse durch akustische Kartierung
Diese Forschung liefert nicht nur die physischen Merkmale des Meeresbodens, sondern auch wertvolle ökologische Erkenntnisse. Verbreitung und Verhalten von Walen hängen oft eng mit der Topografie des Meeresbodens zusammen, die wiederum den Nährstoffauftrieb und die Nahrungsverfügbarkeit beeinflusst. Durch die gleichzeitige Untersuchung der Walbewegungen und der Meeresbodenmerkmale können Wissenschaftler diese ökologischen Zusammenhänge besser verstehen. Forschungen im Mittelmeerraum haben gezeigt, dass Pottwale ihre Nahrungssuche auf Unterwasserschluchten und Tiefseeberge konzentrieren, wo komplexe Meeresströmungen ertragreiche Jagdgründe schaffen.
Im Golf von Mexiko haben passive Akustikstudien gezeigt, wie Reiswale (früher bekannt als Brydewale) bestimmte bathymetrische Merkmale zur Nahrungsaufnahme und möglicherweise auch zur Fortpflanzung nutzen. Diese Erkenntnisse unterstützen den Meeresschutz, indem sie kritische Lebensräume identifizieren, die möglicherweise Schutz benötigen. Der doppelte Zweck dieser Studien – sie liefern sowohl geologische als auch biologische Informationen – macht sie in einer Zeit knapper Forschungsgelder und wachsender Umweltprobleme besonders wertvoll.
Technische Herausforderungen und Lösungen
Trotz ihrer vielversprechenden Aussichten steht die walbasierte Kartierung vor einigen technischen Hürden. Die Unterscheidung zwischen direkten Wallauten und ihren Echos erfordert eine komplexe Signalverarbeitung, insbesondere in akustisch komplexen Umgebungen mit mehreren Schallquellen. Veränderliche Meeresbedingungen wie Thermoklinen (Temperaturgrenzen) können Schallwellen brechen und verzerren, was die Interpretation der Daten erschwert. Die unregelmäßige und unvorhersehbare Natur der Wallaute kann dazu führen, dass die Erfassung im Vergleich zu systematischen Erhebungsmethoden uneinheitlich ist.
Forscher begegnen diesen Herausforderungen mit verschiedenen Innovationen: adaptiven Beamforming-Algorithmen, die Geräusche aus bestimmten Richtungen erfassen, maschinellen Lernmodellen, die darauf trainiert sind, überlappende akustische Ereignisse zu erkennen und zu trennen, und der Integration ozeanografischer Daten zur Modellierung der Schallausbreitung unter verschiedenen Bedingungen. Einige Projekte nutzen mittlerweile tiergetragene akustische Sender, die sowohl Wallaute als auch deren Echos von bekannten Positionen aus aufzeichnen und so Kalibrierungsdaten für größere passive akustische Netzwerke liefern. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien verbessern sich Zuverlässigkeit und Präzision der walbasierten Kartierung kontinuierlich.
Auswirkungen auf den Naturschutz und ethische Überlegungen
Der passive Charakter dieses Forschungsansatzes steht im Einklang mit Naturschutzwerten und ethischen Überlegungen der Meereswissenschaften. Im Gegensatz zu aktiven Sonaruntersuchungen, die mit Verhaltensstörungen und sogar körperlichen Schäden bei Meeressäugern in Verbindung gebracht werden, hat die passive akustische Überwachung keine direkten Auswirkungen auf die Tiere. Indem diese Forschung den wissenschaftlichen Wert lebender Wale anhand ihrer Lautäußerungen demonstriert, stärkt sie die Argumente für ihren Schutz als wesentliche Bestandteile gesunder Meeresökosysteme. Forscher müssen sich jedoch weiterhin mit ethischen Fragen zum Dateneigentum auseinandersetzen, insbesondere bei der Untersuchung von Populationen, die für indigene Gemeinschaften von kultureller Bedeutung sein können.
Es gibt auch Überlegungen, ob der zunehmende Einsatz von Hydrophonnetzen eine Form der akustischen Lebensraumveränderung darstellt, selbst wenn die Geräte selbst passiv sind. Führende Forscher auf diesem Gebiet haben bewährte Verfahren entwickelt, die die Konsultation indigener Wissensträger, die sorgfältige Bewertung der Hydrophonplatzierung zur Minimierung von Lebensraumstörungen und Open-Data-Richtlinien umfassen, die sicherstellen, dass die Forschungsergebnisse weit verbreitet sind.
Zukünftige Richtungen in der bioakustischen Kartierung
Das Feld der bioakustischen Kartierung entwickelt sich rasant, und es zeichnen sich vielversprechende Entwicklungen ab. Autonome Unterwasserfahrzeuge mit Hydrophon-Arrays können nun Walansammlungen verfolgen und konzentrierte akustische Daten in Gebieten mit hoher Lautaktivität sammeln. Fortschritte bei der Probenahme von Umwelt-DNA (eDNA) werden mit akustischen Studien kombiniert, um das Vorkommen und die Verbreitungsmuster von Arten ohne direkte Beobachtung zu verifizieren. Quantensensoren, die winzige Schwankungen im Gravitationsfeld erkennen können, werden entwickelt, um akustische Daten durch präzise Messungen der Dichteschwankungen des Meeresbodens zu ergänzen.
Internationale Kooperationen wie die UN-Dekade „Meereswissenschaften für nachhaltige Entwicklung“ (2021–2030) schaffen Rahmenbedingungen für die Standardisierung und den Austausch bioakustischer Daten zwischen Forschungseinrichtungen weltweit. Besonders spannend ist, dass einige Forscher das Potenzial der Nutzung anderer Meeresschallquellen jenseits der Wallaute – darunter Geräusche von Fischen, Krebstieren und sogar das knisternde Knacken und Knallen bestimmter Korallenriff-Ökosysteme – erforschen, um die Datenerfassung auf Gebiete auszuweiten, in denen Wale seltener vorkommen.
Auswirkungen auf unser Verständnis der Meeresgeologie
Die Erkenntnisse aus der Wal-basierten Kartierung verändern unser Verständnis der Meeresgeologie erheblich. Im Golf von Alaska hat die passive akustische Kartierung bislang unbekannte Verwerfungslinien aufgedeckt, die die regionale seismische Aktivität beeinflussen könnten. Vor der Westküste Afrikas haben Reflexionen von Walgesängen dazu beigetragen, Methanquellen zu identifizieren – wichtige Merkmale sowohl für das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs als auch für die Rohstoffsuche. In der Nähe von Hawaii lieferte die Technik neue Details über die unterirdische Struktur von Seebergen und verbesserte so Modelle von Unterwasservulkansystemen.
Diese Entdeckungen zeigen, wie die walbasierte Kartierung traditionelle Methoden ergänzen kann, insbesondere durch die Bereitstellung von Daten über Oberflächenmerkmale und geologische Strukturen im Untergrund. Die kontinuierliche passive akustische Überwachung ermöglicht es Forschern zudem, dynamische Prozesse wie Unterwasser-Erdrutsche oder die Entwicklung hydrothermaler Quellen zu beobachten, die bei seltenen, gezielten Erkundungsexpeditionen möglicherweise übersehen werden. Dieser wachsende Wissensschatz erweitert unser Verständnis der geologischen Prozesse der Erde und hilft, potenzielle Meeresgefahren wie Unterwasser-Erdrutsche, die Tsunamis auslösen könnten, zu identifizieren.
Fazit: Eine Symphonie aus Wissenschaft und Natur
Die Nutzung von Walgesängen zur Kartierung des Meeresbodens stellt eine gelungene Verbindung von Biologie, Akustik, Geologie und fortschrittlicher Informatik dar – ein wahrer interdisziplinärer Triumph der modernen Meeresforschung. Indem sie der natürlichen Symphonie der Ozeane lauschen, haben Forscher einen Weg gefunden, unser Wissen über die letzte große Grenze der Erde zu erweitern und gleichzeitig den menschlichen Einfluss auf die fragilen Meeresökosysteme zu minimieren. Dieser Ansatz verdeutlicht, wie Lösungen für komplexe wissenschaftliche Herausforderungen oft an der Schnittstelle scheinbar unabhängiger Fachgebiete entstehen.
Da passive akustische Netzwerke immer weiter ausgebaut und Analysetechniken immer ausgefeilter werden, wird die Kartierung von Walen wahrscheinlich eine immer wichtigere Rolle für unser umfassendes Verständnis der Ozeansysteme spielen. Die Verbindung dieser großartigen Meeressäuger mit der menschlichen wissenschaftlichen Forschung liefert nicht nur praktisches Wissen, sondern ist auch eine eindrucksvolle Metapher dafür, wie die sorgfältige Beobachtung natürlicher Prozesse tiefe Einblicke in unseren Planeten ermöglichen kann.
Von der Erkundung der Meereswunder der Azoren und dem Erleben der ausgedehnten Savannen Kenias bis hin zum Eintauchen in die reiche Artenvielfalt Südafrikas und der Durchquerung symbolträchtiger Landschaften in Australien und den USA wie Yellowstone – Chris hat weite Strecken hinter sich.
Da er eine Vorliebe für das Tauchen neben Haien hat, liegt ihm das Meer besonders am Herzen.
Mit seinen akademischen Erkenntnissen setzt er sich für den Artenschutz ein und bemüht sich mit „Animals Around The Globe“, eine tiefe Verbindung zwischen Mensch und Tier aufzubauen und unsere gegenseitige Wertschätzung zu stärken.
Kontaktieren Sie ihn unter Feedback@animalsaroundtheglobe.com.