Laute(r) Fische – Wie man in das Meer pingt, so (anders) schallt es zurück

Hintergrund und Zielsetzung

Jedes Objekt oder Lebewesen mit einer inneren Dichte und/oder inneren Schallgeschwindigkeit, die sich von der Dichte und der Schallgeschwindigkeit des umgebenden Mediums unterscheidet, besitzt eine charakteristische frequenzabhängige, akustische Signatur, d.h. ein charakteristisches „Echo“. Diese Signatur erlaubt es uns, akustische Signale in fischereibiologisch und ökologisch relevante Parameter umzurechnen. Die zurückgestrahlte Schallenergie (das Echo) wird mit der ausgesandten Schallenergie (vom Echolot) verglichen. Aus den beobachteten Unterschieden können dann mit einigen Einschränkungen Rückschlüsse auf die Art- und Größenzusammensetzung gezogen werden. So strahlt zum Beispiel ein Hering mit prall gefüllter Schwimmblase wesentlich mehr Schallenergie zurück als eine Makrele ohne Schwimmblase. Man muss sich hier vorstellen, dass sich die Dichte des Gases in der Schwimmblase sehr stark von der Dichte des umgebenden Mediums (Meerwasser) unterscheidet, während der Dichteunterschied zwischen Muskulatur und Skelett einer Makrele im Vergleich zum umgebenden Medium sehr viel geringer ist. Auch die Schallgeschwindigkeit ist sehr unterschiedlich: In der Luft beträgt sie ca. 300 m/s, was im Vergleich zu Meerwasser mit ca. 1.500 m/s oder der mittleren Schallgeschwindigkeit des Gewebes / Körpers einer Makrele von etwa 1.535 m/s sehr langsam ist.

Zielgruppe

Politische Entscheidungsträger im Bereich Meeresumweltpolitik und Fischereipolitik (GFP); Meereswissenschaftler; interessierte Öffentlichkeit

Vorgehensweise

Das Projekt stützt sich sowohl auf Daten, die im Rahmen von Standard-Hydroakustiksurveys erhoben werden, als auch auf hydroakustische Daten, die im Rahmen weiterer Forschungsreisen oder mit stationären Anlagen (in Fischtanks etc.) zusammengetragen werden. Die Echo-Signatur verschiedener Organismen hängt nicht nur von ihrer internen Schallgeschwindigkeit/Dichte ab, sondern auch von deren Verhalten und Form und der Frequenz der vom Echolot ausgesandten Schallsignale. Um diese Signatur zu charakterisieren, verwenden wir in unseren Datenerhebungen sowohl wissenschaftliche Multifrequenz-Echolote als auch Breitband-Echolote, um ein breites Frequenzspektrum abzudecken. Erweiternd verfolgen wir verschiedene physikalische, analytische und numerische Modellierungsansätze, um die erhobenen Schallsignale besser zu verstehen und die charakteristischen Echo-Signaturen besser beschreiben zu können.

Die charakteristische Echo-Signatur verschiedener Fischarten und anderer Meeresorganismen beinhaltet auch deren Zielmaßstärke, die sogenannte „Target Strength“, die eine Hauptgröße zur akustischen Charakterisierung solcher Organismen darstellt und von uns ermittelt wird.

Daten und Methoden

Wir erfassen Daten mit modernen wissenschaftlichen Echoloten mit verschiedenen Arbeitsfrequenzen und mit Breitbandecholoten. Damit ist es möglich, die „Echo-Signatur“ verschiedener Arten von Meeresorganismen über die frequenzabhängige Target Strength (=Zielmaßstärke) über ein breites Frequenzspektrum zu bestimmen.

Die Target Strength (TS) ist sozusagen der akustische Fingerabdruck dieser Arten. Sie kann auf verschiedene Art und Weise bestimmt werden.

• Messungen im Feld

Im Idealfall findet man die Art, von der man die Zielmaßstärke (sog. Target Strength (TS)) messen möchte, in einem nicht sehr dichten Schwarm (aus einer Fischart) oder als Einzeltier. Dann kann man die Echos der einzelnen Fische deutlich erkennen und akustisch gut voneinander trennen. Außerdem erhält man durch gezielte, repräsentative Netzfänge oder durch parallel erhobene optische Daten (Stereokameras etc.) gute Informationen über die Längenverteilung im Schwarm bzw. der einzelnen Fische. Diese so genannten In-situ Messungen der TS sind ideal, da sie die Realität im Feld am besten abbilden. Allerdings sind diese Daten für viele Arten nicht erfassbar, weil die Schwärme zu dicht sind, um Signale von einzelnen Fischen zu extrahieren, oder weil die Schwärme aus verschiedenen Arten bestehen. Oft ist es auch nicht möglich, gute biologische Daten zu erheben, die für die Bestimmung der Zielmaßstärke (TS) relevant und repräsentativ sind.

• Experimentelle Erfassung

Alternativ können kontrollierte Experimente zur Bestimmung der Zielmaßstärke (TS) durchgeführt werden. Dies kann in der Regel entweder in Aquarien oder im Feld mit Hilfe von Netzkäfigen oder ähnlichem erfolgen – und beinhaltet im Prinzip die gezielte und kontrollierte Erfassung der Echosignatur der so „fixierten“ Fische oder anderer mariner Organismen. Ex-situ-Experimente haben den Vorteil, dass Größe, Alter und Geschlecht der zu messenden Individuen genau bestimmt werden können. Es ist jedoch zu bedenken, dass durch das zeitweise Einsperren der Tiere für diese Messungen die Tiere möglicherweise nicht ihre natürlichen Verhaltensformen (Schwimmlage, Schwimmbewegung) zeigen: Parameter, die die Echosignatur beeinflussen! Die Experimente können auch sehr zeit- und kostenaufwendig sein.

• Modellierung

Die theoretische Zielmaßstärke (TS) kann durch verschiedene Modellierungsansätze abgeschätzt werden. Generell unterscheidet man zwischen analytischen, exakten Modellen (physikalisch exakt, aber nur für einfache Formen), approximativen Modellen (mathematisch einfacher, für komplexere Formen, eingeschränkte Rahmenbedingungen) und numerischen Modellen (rechnerisch aufwendig, komplexe Strukturen, sehr gute Annäherung an die Realität).

Unsere Forschungsfragen

Wie können wir verschiedene Organismen und Fischgruppen akustisch besser unterscheiden und aufgezeichnete Echos besser einzelnen Arten oder Längen zuordnen?

Wie können Daten moderner Fischerei-Echolote dazu beitragen, die hydroakustische Bestandsabschätzung zu verbessern und die Probenahme minimal-invasiv zu gestalten?

Vorläufige Ergebnisse

• Veröffentlichungen in internationalen Fachzeitschriften
• Vorträge bzw. Arbeitsgruppendokumente im Rahmen verschiedener ICES Arbeitsgruppen (z.B. ICES WGFAST, ICES WGIPS etc.)

• Entwicklung von R Paketen zur Modellierung vom akustischen Fingerabdruck

  • Schwach streuende marine Organismen (vorrangig Zooplankton) - Distorted Wave Born Approximation
  • Schwach oder stark streuende Arten (vorrangig Fische) – Kirchhoff-Ray Mode  –

• Fehler- und Unsicherheitsberechnung von aktuellen Seereisen

Forschende des Thünen-Instituts haben in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der ICES Arbeitsgruppe WGIPS (Working Group on International Pelagic Surveys) geostatistische Methoden entwickelt, um am Beispiel des Nordsee HERing Akustik Survey (HERAS) eine genauere Fehlerberechnung für bereits durchgeführte Surveys vorzunehmen. Die Simulation vieler Surveys ermöglicht es den Forschenden, die Unsicherheit in den Ergebnissen vorangegangener, historischer Surveys möglichst genau zu bestimmen. Dies erlaubt eine bessere Planung und Interpretation der bisherigen Ergebnisse. Diese vorläufigen Ergebnisse wurden auch auf der ICES-Fachtagung „Small Pelagic Fish International Symposium“ 2022 in Lissabon vorgestellt.

Links und Downloads

• Internationaler Rat für Meeresforschung (ICES)
• ICES Arbeitsgruppe für International Koordinierte Pelagische Bestandsaufnahmen (WGIPS)
• ICES Arbeitsgruppe für Fischereiakustik, -forschung und -Technologie (WGFAST)