Exposición de las focas comunes al ruido de los barcos del Mar de Wadden

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6187 (2023) Citar este artículo

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El Mar del Norte se enfrenta a un intenso tráfico marítimo debido al aumento de las actividades humanas en el mar. Como las focas comunes (Phoca vitulina) son abundantes depredadores superiores en el Mar del Norte, se plantea la hipótesis de que experimentan exposiciones repetidas y de gran amplitud en embarcaciones. Aquí, probamos esta hipótesis cuantificando la exposición al ruido de los buques debido al despliegue de etiquetas de movimiento y sonido a largo plazo (DTAG) en nueve focas de puerto del Mar de Wadden. Se desarrolló una herramienta automatizada para detectar intervalos de ruido elevado en las grabaciones sonoras. Se realizó una evaluación por parte de múltiples evaluadores para clasificar la fuente como vasos u otros sonidos. Se identificaron un total de 133 pasos de embarcaciones con niveles recibidos > 97 dB re 1 µPa RMS en la banda de decisión de 2 kHz y con ruido ambiental > 6 dB por debajo de este umbral de detección. Las focas marcadas pasaron la mayor parte de su tiempo dentro de Áreas Marinas Protegidas (89 ± 13%, media ± DE) y estuvieron expuestas a pases de embarcaciones de alta amplitud 4,3 ± 1,6 veces por día. Sólo el 32% de los pasos de embarcaciones estuvieron asociados de manera plausible con una embarcación registrada en el AIS. Concluimos que las focas en aguas industrializadas están expuestas repetidamente al ruido de los barcos, incluso en áreas designadas como protegidas, y que los datos del AIS predicen mal las exposiciones.

El tráfico marítimo mundial ha aumentado sustancialmente en las últimas décadas, lo que ha provocado un aumento de los niveles de ruido ambiental submarino1,2. El ruido submarino de los barcos es ahora el principal contribuyente antropogénico al paisaje sonoro de los océanos del Antropoceno3,4. El Mar del Norte se caracteriza por un intenso tráfico marítimo y otras actividades antropogénicas5,6. Las principales rutas marítimas atraviesan el Mar del Norte y conectan los puertos europeos con el mercado comercial mundial. El aumento constante de las instalaciones marinas, en particular los parques eólicos marinos7, también contribuye al tráfico marítimo, ya que los buques apoyan la construcción y el mantenimiento de estas instalaciones. Además, la pesca en el Mar del Norte es intensa, lo que contribuye aún más a la alta densidad del tráfico marítimo8. Sin embargo, a pesar de este uso intenso, existe una clara falta de conocimiento sobre con qué frecuencia los animales sensibles al ruido, como los mamíferos marinos, están expuestos al ruido de los barcos y qué riesgo esto puede representar para ellos.

La foca común (Phoca vitulina) es uno de los mamíferos marinos más abundantes en el Mar del Norte, y una gran subpoblación habita en la región del Mar de Wadden9,10. Aunque son principalmente una especie costera, las focas comunes realizan viajes de alimentación de varios días desde sus sitios de pesca costeros en el Mar de Wadden hasta el Mar del Norte11,12,13. La foca común está protegida bajo los Anexos II y V de la Directiva de Hábitats de la Unión Europea (UE) (92/43/CEE). Por lo tanto, los estados miembros de la UE deben proteger las áreas principales de la especie y designar esos sitios como Áreas Especiales de Conservación ( ZEC) en el marco de Natura 2000.

Los pinnípedos, como las focas comunes, han desarrollado capacidades auditivas sensibles en el aire y bajo el agua de acuerdo con su estilo de vida semiacuático14. Las focas comunes tienen su mejor audición bajo el agua entre 0,2 y 40 kHz14,15. El sonido subacuático procedente de los buques es de banda ancha y los niveles más altos del espectro de la fuente se producen en frecuencias bajas (por debajo de 200 Hz)4,16. Sin embargo, debido a la característica de banda ancha de los buques con hélices cavitantes4,17, gran parte del espectro de origen del ruido de los buques se superpone con el mejor rango de audición de las focas comunes. Por lo tanto, es relevante evaluar el ruido de los buques como un posible factor estresante antropogénico de las focas de puerto.

Varios estudios han estimado la exposición de las focas en libertad al ruido de los barcos combinando seguimientos de telemetría satelital de animales individuales con las posiciones de los barcos transmitidas a través del Sistema de Identificación Automática (AIS), por ejemplo,18,19,20. Luego se utiliza el modelo de propagación del sonido para predecir el nivel recibido de ruido del barco y el riesgo resultante de discapacidad auditiva. Este enfoque supone un desafío en las zonas costeras porque las focas pueden viajar a través de entornos con características de propagación acústica muy variables. Además, sólo los buques que superan un determinado tamaño y eslora deben llevar AIS, lo que lleva a una subestimación desconocida de la exposición al ruido de los buques, especialmente en relación con los buques más pequeños21. Además, los buques pesqueros pueden apagar sus transpondedores AIS para ocultar los caladeros22,23. A pesar de estas importantes limitaciones, ha habido pocos esfuerzos para comparar las tasas de exposición modeladas con datos de campo18. Por lo tanto, sigue faltando información fiable sobre las tasas de exposición reales y los niveles de ruido que experimentan las focas comunes en libertad.

Un enfoque directo para medir la exposición individual es registrar los niveles de ruido in situ en los animales utilizando etiquetas de registro biológico de registro de sonido y movimiento como dosímetros de ruido24,25,26. Hasta hace poco, la memoria y la capacidad limitadas de la batería limitaban estos dispositivos a sólo unos pocos días de tiempo de grabación. Pero los avances tecnológicos ahora permiten grabar sonido de forma continua durante varias semanas27. Estas etiquetas contienen además un sensor GPS que proporciona ubicaciones precisas durante el transcurso de la implementación. Además, estas etiquetas registran los movimientos tridimensionales del animal, lo que puede arrojar luz sobre el contexto conductual y cualquier cambio en el comportamiento del animal durante la exposición al ruido24,26,27.

En este estudio, implementamos etiquetas de grabación de movimiento y sonido (DTAG) de larga duración en nueve focas de puerto en la región del Mar de Wadden en el Mar del Norte para cuantificar la tasa y los niveles de exposición al ruido de las embarcaciones que experimentan los individuos en libertad. Utilizamos un enfoque de detección automatizado con un umbral de detección fijo para identificar sistemáticamente eventos de ruido de alta amplitud. Posteriormente, estos se clasificaron en ruido de embarcaciones y otros sonidos, lo que proporcionó información precisa sobre las tasas de exposición en la región. Finalmente, buscamos identificar las embarcaciones fuente potenciales combinando datos de seguimiento de embarcaciones del AIS con las ubicaciones de las focas durante cada paso de las embarcaciones para establecer qué tipos de embarcaciones tenían más probabilidades de interactuar con las focas en el área.

Nueve focas comunes fueron capturadas durante la marea baja en Lorenzensplate, un banco de arena en el Mar de Wadden alemán (54,44° N, 8,64° E) (Tabla 1), desplegando y recuperando una red de cerco con dos barcos adyacentes a los sitios de arrastre28 ,29. Una vez que la red fue arrastrada a tierra, las focas fueron transferidas de la red grande a redes tubulares y sujetadas manualmente para su posterior muestreo y etiquetado. Cada individuo estaba equipado con un DTAG-4 (tamaño: 40 × 33 × 180 mm incluida la flotación, peso: 206 g)27. Se pegaron etiquetas al pelaje dorsal entre los omóplatos, utilizando resina epoxi de dos componentes (Ergo® 7211, Kisling, Suiza) o superpegamento (Loctite® 422, Henkel Corp., EE. UU.). Los DTAG se programaron para desprenderse de los animales después de cuatro semanas y posteriormente se reubicaron mediante un transmisor ARGOS integrado (SPOT 6, Wildlife Computers, EE. UU.).

Todas las capturas, muestreos y marcado se llevaron a cabo de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes. Todos los procedimientos fueron aprobados por el comité de ética gubernamental responsable del Ministerio de Energía, Agricultura, Medio Ambiente y Áreas Rurales de Schleswig Holstein, Alemania, bajo los números de permiso de ética animal Az V312‐ 72241.121‐19 (70‐6/07) y V244‐3986. /2017 (17‐3/14). La empresa estatal de Schleswig-Holstein para la protección de costas, parques nacionales y protección de los océanos concedió el acceso al lugar de captura situado dentro del parque nacional y declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO "Mar de Wadden".

El DTAG-4 consta de un hidrófono, acelerómetros y magnetómetros de tres ejes, sensores de presión (es decir, profundidad) y temperatura, así como un GPS. Los datos de sonido se almacenaron con una frecuencia de muestreo de 64 kHz (2016) y 48 kHz (2017) utilizando compresión sin pérdidas30. El GPS utiliza el método de instantánea (similar a Fastloc™,31) en el que una adquisición de 64 ms de la señal de radio de banda GPS demodulada se almacena en la memoria durante la salida a la superficie y las posiciones se calculan en el posprocesamiento. Los sensores de movimiento se muestrearon a 200 Hz (aceleración) y 50 Hz (magnetómetro y profundidad). En el posprocesamiento, los datos de movimiento se calibraron y diezmaron a una frecuencia de muestreo común de 5 Hz utilizando herramientas personalizadas (//www.animaltags.org) en Matlab R2018b (The Mathworks, Natick, MA, EE. UU.). Se pueden encontrar detalles técnicos adicionales del DTAG, incluido el procesamiento a bordo y el método de separación, en Mikkelsen et al.27.

Como los DTAG registraron datos de sonido y movimiento de forma continua durante hasta cuatro semanas, se desarrolló un método automatizado para estimar el nivel de sonido recibido y detectar períodos transitorios de ruido de alta amplitud en las grabaciones de sonido. Estos eventos de alto ruido luego se clasificaron manualmente para identificar los pasos de los buques. En la Fig. 1 se ofrece una descripción general del flujo de trabajo para la detección y clasificación de pasos de vasos. El procesamiento de sonido se realizó con funciones personalizadas desarrolladas en Matlab R2018b.

Flujo de trabajo de detección y clasificación de pasos de embarcaciones, y definición de periodos de esfuerzo y fuera de esfuerzo.

Las grabaciones de sonido realizadas por un dispositivo acoplado a un animal contienen sonidos del movimiento del animal además del sonido ambiental bajo el agua26. Por lo tanto, el análisis de las grabaciones de etiquetas requiere pasos de procesamiento diferentes a los de las grabaciones realizadas por un registrador fijo, por ejemplo 32. Para estimar los niveles de sonido recibidos, se calcularon niveles de banda de década33, también conocidos como niveles de banda de tercera octava, siguiendo los métodos de Mikkelsen et al.27 y Wisniewska et al.24. En resumen, la grabación de sonido se dividió en segmentos consecutivos de 30 s, eliminando segmentos cuando el animal estaba cerca de la superficie (es decir, <1 m de profundidad en cualquier momento durante el segmento). Se calcularon sucesivas transformadas rápidas de Fourier (FFT) de 2048 puntos (ventana de Hann, superposición del 50%) en cada segmento, lo que dio como resultado un conjunto de espectros de potencia (1405 para datos muestreados de 48 kHz y 1874 para datos de 64 kHz). Para evitar sonidos transitorios (por ejemplo, de burbujas de aire o movimientos repentinos), se promedió un subconjunto de estos espectros de potencia para dar una estimación espectral única de mayor precisión para cada segmento de 30 s. Los espectros para promediar se seleccionaron sumando primero la potencia entre 3 y 20 kHz de cada espectro de potencia y luego seleccionando el 10% de los espectros de potencia con la potencia más baja en esta banda. Este enfoque minimiza el impacto de los transitorios de banda ancha y proporciona una estimación sólida del ruido ambiental continuo dentro de cada segmento de 30 s. Los niveles de la banda decidécada se estimaron para cada segmento integrando la potencia en contenedores espectrales que caen en cada banda decidécada. Finalmente, los niveles de potencia se convirtieron en niveles de presión sonora bajo el agua (dB re 1 µPa RMS) utilizando el nivel de clip calibrado de las etiquetas de 176 dB re 1 µPa.

Los niveles resultantes de la década incluyen tanto el ruido ambiental como el ruido de flujo generado por el movimiento del animal marcado en el agua24,34. A bajas frecuencias, el ruido del flujo puede exceder el ruido ambiental, lo que hace necesario seleccionar una banda de frecuencia para el análisis que sea lo suficientemente alta como para tener un ruido de flujo mínimo pero lo suficientemente baja como para seguir teniendo una energía sonora considerable de los buques. Se encontró que la banda decidécada de 2 kHz era la banda de frecuencia más baja que mostraba poca correlación entre los niveles de presión sonora y la actividad del animal, medida por el log cuadrático medio (RMS) (ms-3) (sensu Wisniewska et al.24; Figuras complementarias S1 y S2). Por lo tanto, esta banda se utilizó para detectar y cuantificar los pasos de los vasos en pasos posteriores del análisis.

Se aplicó un buscador de picos a los niveles de decisión de 2 kHz para detectar eventos de alta amplitud que potencialmente podrían ser pasos de vasos (Fig. 1). En la monitorización acústica pasiva, normalmente se utiliza un umbral de detección variable, establecido en un número predeterminado de decibelios por encima del nivel de ruido ambiental, para detectar sonidos transitorios, por ejemplo, 35. Como el objetivo del presente estudio es cuantificar sistemáticamente las tasas de exposición al paso de embarcaciones, elegimos un umbral de detección fijo en todos los registros. Esto tiene la ventaja de permitir la comparación de tasas de exposición dentro y entre implementaciones. El uso de un umbral variable probablemente produciría más detecciones de embarcaciones, incluidas algunas embarcaciones débiles y distantes, pero las tasas de detección resultantes dependen de las condiciones de ruido ambiental predominantes y, por lo tanto, no se pueden comparar fácilmente. El uso de un umbral fijo es similar al uso de un ancho de franja en muestreos de transectos desde barcos o aviones36. El objetivo en ambos casos no es recopilar tantas detecciones como sea posible, sino hacerlo mediante un esfuerzo estandarizado, que permita una estimación sólida de las tasas de encuentro.

Para seleccionar el umbral de detección fijo, las grabaciones se anotaron inicialmente para todos los pasos audibles del barco en una evaluación preliminar mediante la escucha y la visualización del espectrograma de los archivos de sonido. Luego se realizó un análisis de la curva operativa del receptor (ROC) basado en niveles de decisión de 2 kHz durante los pasos de embarcaciones anotados y niveles fuera de estos períodos (consulte Métodos complementarios: 'Derivación del umbral de detección fijo' para obtener una descripción detallada). Un umbral de 97 dB re 1 µPa RMS en la banda decidida de 2 kHz proporcionó la mejor combinación de selectividad y especificidad en los datos anotados. Al aplicar este umbral de detección al conjunto de datos completo, cualquier segmento de 30 s con niveles de banda decidida de 2 kHz por encima de 97 dB re 1 µPa RMS se consideró un evento de alto ruido. Con base en la duración mínima probable del paso de una embarcación, los eventos de alto ruido con una separación menor a 5 minutos se combinaron en un solo evento.

Los niveles de ruido ambiental se estimaron a partir de los niveles de la banda decidécada de 2 kHz tomando el percentil 25 de los niveles de la banda de 30 s en intervalos de 20 min con una superposición de 10 min (Fig. 1). Se eligió este intervalo porque los pasos de los barcos generalmente duraban menos de 20 minutos, de modo que la estimación del nivel de ruido ambiental se vería mínimamente afectada por estos pasos pero aún reflejaría las condiciones de ruido ambiental predominantes. El nivel de ruido ambiental estimado varió ampliamente durante los despliegues y hubo períodos ocasionales en los que el nivel ambiental se acercó o superó el umbral de detección, por ejemplo, debido a la lluvia o el viento. Para estimar de manera confiable las tasas de exposición de las embarcaciones, definimos los períodos de "esfuerzo" como intervalos en las grabaciones cuando el nivel de ruido ambiental estaba más de 6 dB por debajo del umbral de detección, tomando prestada la terminología de los estudios visuales (Fig. 1). Esta regla garantiza que los eventos de alto ruido detectados durante el esfuerzo tengan una relación señal-ruido con respecto al ambiente en la década de decisión de 2 kHz de al menos 6 dB, lo que facilita una discriminación confiable del ruido del barco de otras fuentes de ruido. Los períodos con niveles más altos de ruido ambiental se consideraron "fuera de esfuerzo" y no se incluyeron al estimar la tasa de encuentros con embarcaciones (Figura complementaria S3).

Tres evaluadores capacitados (DAN, LRD y CRF) clasificaron de forma independiente los eventos de alto ruido (tanto dentro como fuera del esfuerzo) mediante escucha y visualización de espectrograma. Se visualizó una sección de 60 s alrededor del pico de cada evento como un espectrograma (1024 FFT, 50% de superposición, ventana de Hann). A los evaluadores se les ofrecieron eventos para clasificarlos en un orden aleatorio y eligieron una de seis clasificaciones: "embarcación", "embarcación potencial", "otro antropogénico", "clima/lluvia", "ruido de etiqueta" y "desconocido". Para los eventos clasificados como "recipiente", los evaluadores tuvieron que proporcionar un razonamiento para su decisión, por ejemplo, una firma del Espejo de Lloyd en el espectrograma o el sonido rítmico de la maquinaria giratoria (consulte Métodos complementarios: "Clasificación de eventos de alto ruido" para obtener una descripción completa).

Los resultados de clasificación de los tres evaluadores se analizaron utilizando el kappa de Cohen para evaluar la concordancia. El acuerdo entre los evaluadores fue muy alto, con un acuerdo promedio del 88% entre las 9 focas etiquetadas.

Utilizamos datos AIS para identificar los buques potenciales que dan lugar a cada paso de buque clasificado. En Europa, los buques de más de 300 toneladas brutas, los buques pesqueros con una eslora superior a 15 m y todos los buques de pasajeros, independientemente de su tamaño, deben llevar transmisores AIS para garantizar la seguridad marítima (por ejemplo, 8). A través de AIS, los barcos informan su posición GPS, así como el rumbo, la velocidad y la eslora a intervalos regulares mientras navegan. Cada buque se identifica con un número único de identidad del servicio móvil marítimo (MMSI) y transmite un código estandarizado para su tipo de buque.

La asociación de cada exposición al ruido detectada acústicamente con una posible embarcación AIS se basó en la forma de la exposición al ruido (es decir, los tiempos de subida y bajada). Una embarcación cercana y/o que se mueve rápidamente provocará una exposición al sonido, que sube y baja rápidamente, mientras que una embarcación lenta y/o distante producirá un sonido transitorio que sube y baja lentamente. Por lo tanto, la forma de exposición esperada se caracteriza por la distancia de aproximación más cercana, c en metros, y la velocidad de la embarcación, v en m/s. Un análisis de propagación sugiere que un parámetro de forma relevante que combina estas métricas es γ = c/v, que tiene unidades de segundos. Este parámetro es igual al tiempo de subida y bajada de -3 dB de la exposición, suponiendo una dispersión esférica (consulte Métodos complementarios: 'Asociación entre la exposición al ruido de los buques y los datos AIS' para obtener una explicación detallada). Por lo tanto, se puede estimar γ para cada barco candidato a partir de sus informes AIS (denominado γv) y, de forma independiente, para cada exposición al ruido en la grabación de sonido (denotado γn), lo que permite realizar una prueba de asociación.

Aunque γn puede estimarse en la grabación de sonido a partir del tiempo de subida y bajada de la exposición al ruido, utilizamos un procedimiento de ajuste de curvas más robusto. Primero calculamos los niveles de octava de 2 kHz (calculados a partir de los niveles de banda decidida) en una ventana de 10 minutos centrada alrededor del pico del paso del barco. Estas mediciones se normalizaron a la potencia de exposición máxima y se ajustó una función cuadrática a la inversa de la potencia normalizada. El ajuste de la función cuadrática se evaluó calculando el coeficiente de determinación, R2, y solo se utilizaron pasos de embarcaciones con un R2 ≥ 0,7 para el análisis posterior (consulte Métodos complementarios: 'Asociación entre la exposición al ruido de las embarcaciones y los datos AIS' para obtener más detalles). . La raíz cuadrada inversa del primer coeficiente polinómico se tomó como estimación de γn para la exposición al ruido.

Siguiendo el cálculo de γn para cada paso de embarcación, estimamos la ubicación del sello durante el evento. Suponiendo que el tiempo pico (es decir, el tiempo de máximo nivel recibido durante el paso del barco) corresponde al punto de aproximación más cercano (CPA), definimos la posición del sello durante el evento del barco detectando las ubicaciones GPS más cercanas en el tiempo antes. y después del tiempo CPA, y aplicando una interpolación lineal entre las dos posiciones. Como las ubicaciones de GPS se muestrearon de manera irregular y podían ocurrir intervalos de varias horas, solo consideramos ubicaciones interpoladas si la ubicación de GPS más cercana estaba dentro de los 60 minutos de la hora pico (consulte Métodos complementarios: 'Cálculo de las ubicaciones de los sellos durante la hora pico de cada paso de embarcación). ').

Luego identificamos todas las embarcaciones AIS que informaron dentro de un período de 5 minutos antes y después de la hora pico de cada paso de la embarcación (es decir, 10 minutos en total) y dentro de un radio de 20 km de la ubicación interpolada del sello en la hora CPA. Este radio se eligió en función del umbral de detección de ruido del barco y los niveles recibidos previstos de diferentes tipos de barcos (consulte Métodos complementarios: 'Pérdida de propagación del sonido del barco para determinar el radio para la comparación de datos AIS'). Esto resultó en un conjunto de vasos candidatos, para los cuales calculamos γv en función de su posición más cercana a la ubicación del sello en la exposición máxima, y su velocidad media durante una ventana de tiempo de 10 minutos centrada en el tiempo de exposición máxima.

Los parámetros de forma, γv y γn, derivados del AIS y la grabación de sonido deben coincidir si el barco es la fuente correcta de exposición. Suponiendo que el vaso más cercano suele ser la fuente de exposición, se estableció una relación lineal entre γv y γn agrupando todas las exposiciones (R2 = 0,28, p < 0,001). Luego, este modelo se utilizó para identificar qué embarcación AIS era probablemente la embarcación fuente real para cada exposición: las embarcaciones AIS que caían dentro de 2 veces la desviación estándar alrededor de la línea de regresión lineal se consideraron "embarcaciones fuente probable" (consulte Métodos complementarios: "Asociación entre exposición al ruido de los buques y datos AIS' para más detalles).

Los buques AIS se clasificaron en categorías de tipos de buques según sus códigos AIS (consulte la Tabla complementaria S1 para la traducción de los códigos AIS a tipos de buques). Se obtuvo información adicional sobre cada buque AIS de bases de datos en línea disponibles públicamente (www.myshiptracking.com, www.vesselfinder.com y www.marinetraffic.com; URL consultadas el 02.03.2022).

Siete de nueve individuos realizaron uno o dos viajes de varios días a alta mar en el Mar del Norte y regresaron al Mar de Wadden para su transporte (Fig. 2, Vance et al.11). Dos individuos (hs17_109c y hs17_109d) realizaron solo viajes cortos hacia la costa en las zonas de marea del Mar de Wadden durante todo el despliegue. La mayoría de las focas mostraron un alto grado de fidelidad al sitio y regresaban regularmente a Lorenzensplate para ser arrastradas (Fig. 2).

Huellas de focas comunes (n = 9) en el Mar del Norte. Los puntos rojos ilustran las ubicaciones de los pasos de embarcaciones de alto nivel durante los períodos de esfuerzo (n = 133). El sitio de etiquetado Lorenzensplate está indicado con una estrella negra. Se marcaron focas comunes en tres capturas durante dos años consecutivos. El mapa fue creado usando ESRI ArcGIS, versión 10.5.

Las focas comunes marcadas pasaron el 89 ± 13 % (media ± DE) de su tiempo en AMP, es decir, el Parque Nacional y Sitio del Patrimonio Mundial de la UNESCO 'Mar de Wadden' y las Áreas Especiales de Conservación (ZEC) 'Arrecife exterior de Sylt' y ' Mar del Norte meridional' (Fig. 2). Ocasionalmente, las focas pasaban por parques eólicos marinos, pero los individuos pasaban relativamente poco tiempo en las proximidades de estos sitios (Fig. 2).

El proceso de detección arrojó 560 eventos de alto ruido, de los cuales 321 (57,3%) fueron clasificados como paso de embarcaciones. 133 de los 321 pases de embarcaciones ocurrieron durante períodos de esfuerzo, es decir, cuando el ruido ambiental estaba > 6 dB por debajo del umbral de detección. Los 188 pases de embarcaciones restantes no se tuvieron en cuenta en el cálculo de la tasa de exposición ya que ocurrieron durante períodos de alto ruido ambiental (Tabla 2). Los períodos de esfuerzo comprendieron un total de 735 h (es decir, el 39% de los tiempos de registro agrupados).

En promedio, las focas estuvieron expuestas a 4,3 ± 1,6 pases de embarcaciones por día (Tabla 2) durante los períodos de esfuerzo. Los niveles máximos de decisión recibida, es decir, los niveles de presión sonora media cuadrática (RMS) en la banda de decisión de 2 kHz, variaron entre las exposiciones de los vasos con un promedio de 103 ± 6 dB re 1 µPa RMS @ 2 kHz (Fig. 3). El nivel recibido más alto registrado durante el paso de una embarcación en esfuerzo fue de 127 dB re 1 µPa RMS a 2 kHz (promedio de 30 s) (Fig. 4). Las focas de puerto encontraron embarcaciones tanto durante sus viajes a alta mar como mientras estaban cerca de la costa en el Mar de Wadden (Fig. 2).

Distribución de niveles de decisión de 2 kHz (dB re 1 µPa RMS), es decir, el nivel de presión sonora RMS en la banda de decisión de 2 kHz, para cada sello mostrado como gráficos de violín. Los pequeños diagramas de caja dentro de los violines indican la mediana y el rango intercuartil de las distribuciones. La línea discontinua roja ilustra el umbral (97 dB re 1 µPa) para las detecciones de vasos. Los puntos rojos representan los niveles máximos recibidos de cada paso de embarcación durante los períodos de esfuerzo (n = 133); los puntos se distribuyen aleatoriamente horizontalmente para aumentar la visibilidad.

El barco pasa con el nivel máximo de decisión recibida de 2 kHz en el estudio. La imagen superior muestra un espectrograma de la densidad espectral de potencia (PSD, es decir, potencia por banda de 1 Hz). El ruido del barco en la grabación se interrumpe varias veces debido al surgimiento de la junta. La imagen inferior muestra los niveles de banda de decisión de 2 kHz correspondientes (línea azul), calculados como promedios de 30 s como se describe en el texto, así como los niveles de presión sonora ponderados de banda ancha (SPL; línea naranja) de 500 Hz a 20 kHz siguiendo la frecuencia. ponderación para focas fócidas en agua (PCW) por Southall et al.37. La línea discontinua roja ilustra el umbral de detección de 97 dB utilizado para detectar eventos de ruido elevado en la banda decidécada de 2 kHz.

La mayoría de los encuentros con embarcaciones ocurrieron dentro de AMP (en promedio 93 ± 7%). Al agrupar los pases de embarcaciones y los períodos de esfuerzo de todos los individuos, las tasas de exposición de las embarcaciones parecieron ser más altas dentro de las AMP (4,5 pases de embarcaciones por día) en comparación con las fuera de las AMP (3,0 pases de embarcaciones por día). Sin embargo, dado el pequeño tiempo agregado que pasan las focas fuera de las AMP, esta diferencia puede no ser confiable.

El parámetro de forma γn se calculó para los 321 pasos de embarcaciones (tanto con esfuerzo como sin esfuerzo) a partir de las exposiciones al ruido. Con base en la bondad de ajuste de la función cuadrática (R2 ≥ 0,7) y la estimación de la ubicación del sello en el momento pico (consulte Métodos complementarios para obtener más detalles), se retuvieron 148 pases de embarcaciones para la asociación con los datos AIS. .

En 33 de 148 pasos de embarcaciones (22%), ninguna o solo embarcaciones estacionarias registradas con AIS estuvieron presentes dentro de los 20 km del sello y dentro de una ventana de tiempo de 10 minutos alrededor del momento de máxima exposición. En los 115 casos restantes (78%), al menos un barco AIS viajaba en un radio de 20 km alrededor de la foca (Fig. 5).

Descripción general de la asociación entre las exposiciones al ruido de embarcaciones registradas (n = 148) y los datos AIS. El azul muestra la proporción en la que no había ningún buque AIS o sólo buques estacionarios presentes en un radio de 20 km. El verde claro ilustra la proporción de exposiciones en las que una embarcación registrada con AIS probablemente fue la fuente real de exposición al ruido según parámetros de forma consistentes, mientras que el naranja indica la proporción de exposiciones en las que la exposición al ruido registrada no se puede atribuir a ninguna de las embarcaciones AIS actuales. .

En la mayoría de los casos, había más de una embarcación AIS cerca de las focas, con un máximo de 24 embarcaciones. Para evaluar cuál de los buques AIS cercanos a la foca, si alguno, podría haber causado la exposición, comparamos el parámetro de forma de la exposición al ruido, γn, con el parámetro de forma esperado para cada buque, γv, derivado de los datos de AIS. En 47 exposiciones (32% de 148 pases de embarcaciones), al menos una embarcación AIS tuvo un valor de γv consistente con la exposición γn, siendo así la fuente probable de exposición al ruido. En 123 casos (46% de los 148 pasos de embarcaciones), ninguna embarcación AIS tenía una velocidad y una distancia de aproximación estimada consistentes con el parámetro de forma derivado de la exposición al ruido en los datos de sonido DTAG (Fig. 5).

Según las 47 exposiciones en las que los buques de origen probablemente podrían identificarse a partir de los datos del AIS, las focas de puerto encontraron buques de carga con mayor frecuencia (23 pases de buques; 46%) (Fig. 6), seguidos por embarcaciones de alta velocidad (7 pases de buques; 46%) (Fig. 6). ; 14%) y otros buques (6 pases de buques; 12%), categoría que incluye buques de investigación y buques de apoyo en alta mar. (Figura 6). También se detectaron varios encuentros con pesqueros, petroleros y buques de pasaje.

Gráfico circular de tipos de barcos basado en aquellos pasos de barcos donde los barcos de origen probable podrían identificarse a partir de los datos AIS (n = 47).

Las focas comunes son recolectoras de lugares centrales que dividen su tiempo entre descansar en su lugar central (es decir, su "colonia" en tierra) y buscar alimento en el mar11,12,38. Las focas marcadas en este estudio mostraron los mismos patrones de comportamiento, y la mayoría de las focas viajaban entre zonas costeras del Mar de Wadden y zonas costeras del Mar del Norte. Al utilizar un enfoque sistemático de detección y clasificación, encontramos una tasa de exposición promedio de 4,3 exposiciones de embarcaciones por día para focas en el mar. Esta tasa de exposición solo incluye exposiciones al ruido medias a altas debido al umbral de 97 dB re 1 µPa (2 kHz decidécada) utilizado para la detección y, por lo tanto, no tiene en cuenta exposiciones menos intensas de embarcaciones más silenciosas o más distantes. Sin embargo, cuantificar la tasa de exposición a un factor estresante determinado, como los pasos de embarcaciones de gran amplitud, es un primer paso esencial para informar a los modelos sobre las consecuencias de las perturbaciones y, por lo tanto, mejorar nuestra comprensión sobre los impactos de las perturbaciones antropogénicas en las poblaciones de mamíferos marinos39.

Las grabaciones de sonido realizadas directamente en las focas del puerto nos permitieron cuantificar tanto las tasas de exposición de las embarcaciones como los niveles de ruido recibidos. Los niveles máximos recibidos durante los pases de la embarcación fueron en promedio 103 dB re 1 µPa RMS en la banda decidécada de 2 kHz y el nivel máximo recibido de cualquier paso de la embarcación fue 127 dB re 1 µPa RMS en la misma banda. Los niveles de banda ancha correspondientes de estas exposiciones no pudieron medirse directamente en este estudio debido al ruido de flujo de baja frecuencia variable inherente a las grabaciones de sonido en animales. Los niveles de banda ancha ponderados por audición serían sustancialmente más altos que los niveles en la banda decidécada de 2 kHz porque los vasos producen mayor energía sonora en frecuencias bajas (Fig. 4, MacGillivray y de Jong16). Aunque puede ser posible predecir hasta cierto punto los niveles de sonido ponderados por la audición a partir de los niveles de banda de frecuencia más alta que se pueden medir con etiquetas, la ventaja del enfoque dosimétrico basado en etiquetas utilizado aquí es que proporciona una medida directa de la capacidad del vaso. tasa de exposición al ruido de animales individuales.

Los enfoques alternativos para cuantificar las tasas de exposición de los buques y los niveles de ruido recibidos combinan datos de seguimiento de animales con informes AIS de los movimientos de los buques y se basan en predicciones del nivel de la fuente y modelos de propagación del sonido, los cuales requieren una variedad de suposiciones (por ejemplo, elección de la propagación del sonido y la fuente del buque). modelos de nivel, resolución de ubicaciones de sellos y barcos, datos ambientales, etc.)18,19,20. Además, estos estudios predictivos dependen de la integridad de los datos AIS y no pueden tener en cuenta los buques sin AIS, que pueden ser numerosos en las zonas costeras21. En nuestro estudio, la mayoría de las exposiciones al ruido de los buques no pudieron conciliarse con un buque AIS dentro de un radio de 20 km alrededor de las focas. Sólo el 32% de los eventos de ruido de embarcaciones se asociaron con una embarcación AIS que tenía una velocidad y una distancia de aproximación consistentes con la forma de la exposición al ruido. El bajo potencial predictivo de los datos AIS para las exposiciones registradas al ruido de los buques es sorprendente, pero podría explicarse por (1) lagunas espaciales y temporales en los datos AIS40, (2) la presencia de buques pequeños sin AIS21 y (3) buques AIS. que han apagado su transmisor AIS, por ejemplo, barcos pesqueros que potencialmente ocultan actividades de pesca ilegal22,23. Nuestro método para asociar informes AIS con exposiciones al ruido también puede producir algunos errores, por ejemplo, debido a la compleja y variable propagación del sonido en ambientes de aguas poco profundas, así como a los movimientos de la foca durante la exposición, y se necesita una validación adicional. Sin embargo, la profunda falta de una conexión simple uno a uno entre los pasos audibles de los buques y los buques AIS que se encuentran aquí, resalta el riesgo de errores sustanciales al predecir la exposición al ruido de los animales basándose únicamente en los buques AIS en las proximidades de sus líneas de seguimiento.

Aunque una gran proporción de la exposición al ruido de los buques no pudo atribuirse a un buque AIS, las coincidencias entre los pasos de buques detectados y los buques AIS indican que las focas portuarias marcadas encontraron una variedad de tipos de buques en consonancia con el uso humano diverso del Mar del Norte6. Entre los buques AIS, las focas de puerto marcadas se encontraron con mayor frecuencia en buques de carga (46%) y naves de alta velocidad (14%). Ambos suelen viajar por rutas predefinidas entre puertos o entre el puerto y las instalaciones marinas, como los parques eólicos marinos. Las embarcaciones de alta velocidad suelen participar en el mantenimiento de instalaciones marinas y en el transporte de tripulación y material. La expansión de la energía renovable marina fomentará un aumento en el tráfico de servicios, lo que potencialmente conducirá a una mayor exposición de los buques en el futuro. Los frecuentes encuentros con buques de carga y embarcaciones de alta velocidad, así como con buques pesqueros y de pasajeros, sugieren que los hábitats atractivos para las focas se encuentran en las proximidades de las principales rutas marítimas y zonas de pesca. Por lo tanto, las focas de puerto pueden enfrentarse a un equilibrio entre zonas de alimentación o descanso favorables y una exposición frecuente al ruido de los barcos que pasan.

Los estudios sobre los efectos del ruido de los barcos en las focas son escasos, pero se han informado anecdóticamente respuestas de comportamiento ante la exposición en el mar y en tierra27. Se necesitan de manera crítica umbrales para las respuestas conductuales, como el cese de las actividades de alimentación que conducen a la pérdida de oportunidades de búsqueda de alimento, para evaluar las consecuencias ecológicas del ruido de los barcos sobre las focas comunes. La metodología y las herramientas desarrolladas en este estudio para las detecciones automáticas de paso de embarcaciones y la asignación de AIS proporcionan un paso adelante fundamental, ya que el análisis manual no es factible para las grabaciones de larga duración necesarias para estudiar exposiciones casuales. Cuantificar las exposiciones al ruido de los buques con etiquetas de movimiento y sonido a largo plazo nos permite estudiar los cambios en el comportamiento como siguiente paso y, por lo tanto, son especialmente útiles para evaluar el impacto acumulativo de las exposiciones de los buques.

Las focas comunes en el presente estudio pasaron la mayor parte de su tiempo en AMP. En las AMP se permiten múltiples actividades antropogénicas basadas en barcos: rutas marítimas las atraviesan, un parque eólico marino en funcionamiento ('Butendiek') está ubicado dentro del SAC Sylt Outer Reef y las actividades de pesca comercial tienen lugar en estas áreas protegidas con poca regulación41. 42. El propósito fundamental de las AMP es preservar el hábitat y proporcionar refugio a especies sensibles con el fin de estabilizar los niveles de población. Por lo tanto, la protección conferida por estos sitios debería extenderse a las perturbaciones antropogénicas que impactan comportamientos biológicamente importantes (por ejemplo, descanso, alimentación y reproducción). En este estudio destacamos el potencial de que las focas de puerto estén expuestas repetidamente al ruido de los barcos de gran amplitud dentro de sitios protegidos. Si dichas exposiciones evocan respuestas conductuales energéticas, su repetición frecuente durante períodos prolongados podría tener consecuencias para la aptitud individual de las focas, lo que a su vez puede afectar el estado de conservación de las poblaciones de focas comunes dentro de estos sitios protegidos si se adoptan medidas de gestión adecuadas para reducir la exposición de los buques y el ruido. no se toman.

El presente estudio cuantificó las tasas de exposición de nueve focas de puerto en libertad al ruido de embarcaciones de amplitud moderada a alta en el Mar de Wadden y el Mar del Norte adyacente. Utilizando un enfoque sistemático para detectar el ruido de los barcos en grabaciones acústicas de animales a largo plazo, demostramos que las focas de puerto están expuestas en promedio a 4,3 pasos de barcos con alto nivel de ruido por día. Los datos AIS simultáneos permiten asociar la exposición al ruido con embarcaciones específicas en algunos casos (32%), proporcionando información sobre qué clases de embarcaciones contribuyen más a los niveles recibidos por los animales. Sin embargo, en la mayor proporción de los casos (68%), ya sea porque no había ninguna embarcación AIS presente o porque la exposición al ruido registrada no podía atribuirse de manera plausible a ninguna de las embarcaciones AIS presentes, no pudimos asociar la exposición al ruido de la embarcación con una embarcación AIS. buque registrado, destacando que la estimación de la exposición al ruido de los animales basada únicamente en datos AIS puede ser propensa a errores sustanciales.

La mayoría de los encuentros con embarcaciones tuvieron lugar dentro de AMP, lo que destaca el uso antropogénico potencialmente extensivo de estas áreas a pesar de su estado protegido. La cuantificación de las tasas de exposición al ruido de los buques es el primer paso para evaluar la relevancia ecológica del ruido de los buques para las focas, que pueden ser particularmente vulnerables debido a su buena audición de bajas frecuencias. Esta información será esencial para evaluar el impacto fisiológico y ecológico acumulativo de los pasos de los barcos sobre las focas de puerto para informar las medidas de mitigación adecuadas.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles en el repositorio de Dryad en https://doi.org/10.5061/dryad.mkkwh714m.

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El estudio fue financiado por la Agencia Federal Alemana para la Conservación de la Naturaleza (BfN) en el marco de los proyectos “Efectos del ruido submarino en los vertebrados marinos” (Grupo 7, Z1.2-53302/2010/14) y “Efectos del ruido submarino – UWE”. (FKZ 3515822000), y como parte del proyecto SATURN, que ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n.º 101006443. Las capturas de focas fueron financiadas y apoyadas por la empresa estatal de Schleswig-Holstein para Protección Costera, Parques Nacionales y Protección Oceánica (LKN). Nos gustaría agradecer a todos los que ayudaron durante la captura de focas y la recuperación de marcas. Estamos especialmente agradecidos con Heather Vance por su ayuda en la preparación y calibración de etiquetas. Agradecemos a Mirko Hauswirth (BfN) y Emily Griffiths (Universidad de Aarhus) por proporcionar datos AIS de aguas alemanas y danesas, respectivamente. MJ recibió apoyo para el desarrollo de las etiquetas de una Beca de Integración Profesional Marie Curie-Sklodowska (EU-FP7) y de MASTS, la Alianza Marina para la Ciencia y la Tecnología de Escocia. Agradecemos a dos revisores anónimos por sus comentarios constructivos que han mejorado sustancialmente nuestro manuscrito.

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Instituto de Investigación de la Vida Silvestre Terrestre y Acuática, Universidad de Medicina Veterinaria de Hannover, Fundación, Werftstraße 6, 25761, Büsum, Alemania

Dominic Andrew Nachtsheim, Tobias Schaffeld, Abbo van Neer, John Baltzer, Andrew Ruser, Ursula Siebert y Joseph G. Schnitzler

Instituto de Estudios Avanzados de Aarhus, Universidad de Aarhus, 8000, Aarhus, Dinamarca

Marcos Johnson

Zoofisiología, Departamento de Biología, Universidad de Aarhus, 8000, Aarhus, Dinamarca

Mark Johnson, Peter T. Madsen, Charlotte R. Findlay y Laia Rojano-Doñate

Investigación sobre Mamíferos Marinos, Departamento de Ecociencia, Universidad de Aarhus, 4000, Roskilde, Dinamarca

Laia Rojano-Doñate, Jonas Teilmann y Lonnie Mikkelsen

Instituto Polar Noruego, Fram Centre, 9296, Tromsø, Noruega

Lonnie Mikkelsen

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DAN, MJ, PTM, JS, JT, AR y US concibieron las ideas y diseñaron la metodología, AvN, JT, LM, US, TS y DAN recopilaron los datos; DAN, TS, MJ, LRD y CRF analizaron los datos del DTAG para detectar y clasificar embarcaciones; DAN, JB y AR analizaron los datos AIS; DAN dirigió la redacción del manuscrito. Todos los autores contribuyeron críticamente a los borradores y dieron la aprobación final para su publicación.

Correspondencia a Dominik André Nachtsheim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Nachtsheim, DA, Johnson, M., Schaffeld, T. et al. Exposición al ruido de los barcos de las focas comunes del Mar de Wadden. Representante científico 13, 6187 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33283-z

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Recibido: 09 de mayo de 2022

Aceptado: 11 de abril de 2023

Publicado: 15 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33283-z

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