Fibre existante

Sep 04, 2023

Publié le 16 juillet 2022 à 23h38 par Gemini News

[Par Nancy Bazilchuk]

Les baleines sont énormes, mais elles vivent dans un environnement encore plus vaste : les océans du monde. Les chercheurs utilisent une gamme d'outils pour étudier leur localisation, y compris le suivi par satellite, les relevés aériens, les observations et le déploiement d'hydrophones individuels pour écouter leurs appels.

Mais maintenant, pour la toute première fois, des chercheurs ont réussi à écouter passivement les baleines – essentiellement, à les écouter – en utilisant les câbles à fibres optiques sous-marins existants.

La technique, appelée Distributed Acoustic Sensing, ou DAS, utilise un instrument appelé interrogateur pour puiser dans un système à fibre optique, transformant les fibres supplémentaires inutilisées du câble en un long réseau virtuel d'hydrophones. La recherche a été menée dans l'archipel du Svalbard, dans une zone appelée Isfjorden, où les baleines à fanons, telles que les baleines bleues, sont connues pour se nourrir pendant l'été.

Ce schéma montre comment fonctionne la détection acoustique distribuée, appelée DAS. Une impulsion laser est envoyée depuis la station côtière via un câble à fibre optique par un interrogateur (a). La fibre contient de minuscules impuretés, appelées défauts (b). Les sons sous-marins provoquent un léger déplacement des défauts dans la fibre, ce qui retarde la rétrodiffusion d'un signal vers l'interrogateur, qui interprète alors le retard comme une contrainte sur la fibre. Cela peut à son tour être interprété comme des données acoustiques, enregistrées physiquement à intervalles réguliers, appelées canaux. Graphisme : Marte Finsmyr/Léa Bouffaut

"Je pense que cela peut changer le domaine de la bioacoustique marine", a déclaré Léa Bouffaut, la première auteure d'un article qui vient d'être publié dans Frontiers in Marine Sciences. Bouffaut était postdoctorante à NTNU lorsqu'elle a travaillé sur cette recherche et est maintenant au K. Lisa Yang Center for Conservation Bioacoustics de l'Université Cornell, où elle continue d'étendre ce travail.

Les câbles à fibre optique sont partout

Bouffaut a déclaré que la beauté du système est qu'il pourrait permettre aux chercheurs de tirer parti d'un réseau mondial existant.

Avec ce système, qui est ce que nous pouvons essentiellement appeler un réseau d'hydrophones, nous avons la possibilité de couvrir une zone de surveillance beaucoup plus grande.

"Le déploiement d'hydrophones coûte extrêmement cher. Mais les câbles à fibres optiques sont partout dans le monde et sont accessibles", a-t-elle déclaré. "Cela pourrait être un peu comme la façon dont la couverture d'imagerie satellite de la Terre a permis aux scientifiques de nombreux domaines différents de faire de nombreux types d'études de la Terre. Pour moi, ce système pourrait devenir comme des satellites dans l'océan."

Bouffaut a déclaré que d'autres types de surveillance des baleines qui reposent sur le son ne fournissent souvent qu'un seul ou quelques points d'informations de localisation à partir d'un hydrophone. Les emplacements ponctuels offrent une couverture limitée d'une zone et, bien sûr, ne sont pas répartis uniformément sur tous les océans, ce qui peut rendre difficile pour les chercheurs l'étude des routes migratoires, par exemple.

En revanche, le DAS permet non seulement aux chercheurs de détecter les vocalisations des baleines, mais ils peuvent également utiliser le réseau de fibres pour localiser où se trouvent les baleines dans l'espace et dans le temps, avec une résolution spatiale sans précédent, a-t-elle déclaré.

"Avec ce système, qui est ce que nous pouvons essentiellement appeler un réseau d'hydrophones, nous avons la possibilité de couvrir une zone beaucoup plus grande pour la surveillance. Et parce que nous recevons le son sous plusieurs angles, nous pouvons même dire où se trouvait l'animal - la position de l'animal. Et c'est un énorme avantage. Et si on va encore plus loin, ce qui nécessite encore un peu de travail supplémentaire, cela pourrait se faire en temps réel, ce qui changerait vraiment la donne pour le suivi acoustique des baleines », a déclaré sa collègue Hannah Joy Kriesell, l'une des co-auteurs de l'article.

Peut entendre des bateaux, des tremblements de terre

La technologie permet également aux chercheurs "d'entendre" d'autres sons transportés dans l'eau, des grandes tempêtes tropicales aux tremblements de terre en passant par les navires, a déclaré Martin Landrø, un géophysicien du NTNU qui était co-auteur de l'article. Landrø est également à la tête du Centre de prévision géophysique, un centre d'innovation basé sur la recherche financé par le Conseil norvégien de la recherche.

"Si quelque chose se déplace à proximité ou fait un bruit acoustique à proximité de cette fibre, qui est enfouie dans le fond marin, nous pouvons le mesurer", a-t-il déclaré. "Donc, ce que nous avons vu, c'était beaucoup de trafic maritime, bien sûr, beaucoup de tremblements de terre, et nous avons également pu détecter des tempêtes lointaines. Et enfin, des baleines. Nous avons détecté au moins 830 vocalisations de baleines au total."

Landrø a déclaré que la détection de tempêtes éloignées était possible grâce aux signaux sismiques à basse fréquence générés par les vagues des grosses tempêtes. Cette méthode de détection de grandes tempêtes à partir d'ondes à basse fréquence à de grandes distances a été établie par l'océanographe Walter Munk en 1963, lorsqu'il a mesuré les vagues des tempêtes antarctiques sur l'île pacifique des Samoa, a déclaré Landrø.

"Nous avons pu voir les tempêtes qui se sont produites dans l'Atlantique Sud à 13 000 kilomètres sur la partie basse fréquence des données, et nous avons pu déterminer la distance jusqu'à la tempête", a-t-il déclaré. "Nous avons détecté au moins quatre ou cinq grandes tempêtes différentes qui se sont produites et nous avons pu revenir aux données météorologiques et les identifier par leur nom."

COVID-19 et un voyage à Svalbard

Les chercheurs ont travaillé avec Sikt, l'Agence norvégienne pour les services partagés dans l'éducation et la recherche, qui a donné accès à 250 km de câble à fibre optique à Svalbard, enfouis dans le fond marin entre la ville principale de l'archipel, Longyearbyen, et Ny-Ålesund, une colonie de recherche. sur une péninsule au nord-ouest. Le câble part d'un fjord abrité, appelé Isfjorden, et se rend en pleine mer, où 120 km de câble ont été utilisés comme réseau hydrophonique.

L'expérience de détection et d'observation des baleines DAS montre une utilisation complètement nouvelle de ce type d'infrastructure à fibre optique, résultant en une science excellente et unique.

Le groupe de recherche comprenait également Alcatel Submarine Networks Norway, qui a fourni les interrogateurs - les instruments qui ont permis au groupe de puiser dans le câble à fibre optique Sikt.

Deux chercheurs se sont rendus à Longyearbyen en juin 2020, au début de la pandémie de COVID-19, et ont pu utiliser l'interrogateur pendant 40 jours, écoutant le long du câble de 120 km de long.

"Le câble à fibre optique entre Longyearbyen et Ny-Ålesund, qui a été mis en production en 2015 après 5 ans de planification et de travaux préparatoires et principalement financé par notre ministère, était destiné à desservir la communauté de recherche et la station géodésique de Ny Ålesund avec une haute et résiliente capacité de communication », a déclaré Olaf Schjelderup, responsable du réseau national R&E de Sikt et autre co-auteur de l'article. "L'expérience de détection et d'observation des baleines DAS montre une utilisation complètement nouvelle de ce type d'infrastructure à fibre optique, résultant en une science excellente et unique."

Schjelderup a noté qu'un autre avantage de l'expérience était la capacité de communication de données à haute capacité fournie par le réseau norvégien R&E (nommé Uninett), qui permettait une diffusion en temps quasi réel des données brutes de l'unité de détection DAS à Longyearbyen jusqu'à Trondheim.

"Les chercheurs pourraient, depuis Trondheim, presque instantanément, commencer à étudier les enregistrements de signaux provenant de la mer à l'extérieur de Svalbard. C'est un très bon exemple d'un changement de paradigme dans la collecte de données distribuées", a-t-il déclaré. "Ce qui a été fait à Svalbard ici ouvre la voie au déploiement d'un plus grand nombre de ces types de capteurs à fibre optique en tant qu'infrastructure permanente - collectant et traitant des données provenant de différentes zones géographiques et emplacements en temps quasi réel - à la fois pour la recherche et à différentes fins opérationnelles."

7 téraoctets par jour

Bouffaut et Kriesell, chercheur au département des systèmes électroniques de NTNU, ont travaillé sur l'analyse des 40 jours de données 24 heures sur 24 de l'expérience. Au total, ils devaient analyser 7 téraoctets par jour, soit environ 250 téraoctets de données pour toute la période. Ils ont commencé par examiner les signaux provenant d'emplacements sur la fibre distants de 10 km, ce qui "l'a rendu gérable", a déclaré Bouffaut.

Le défi, en plus de la quantité de données impliquées, était que "nous recherchons des signaux sans savoir exactement à quoi nous attendre. C'est une nouvelle technologie et un nouveau type de données que personne n'a consulté pour trouver des baleines", a déclaré Bouffaut. a dit.

Le travail a été minutieux, mais "c'était très, super excitant, surtout quand nous avons commencé à voir des signaux de baleines", a déclaré Bouffaut. "Mais je reçois souvent cette question, même de la part de bioacousticiens : comment savez-vous que c'est une baleine ? Et je dis, 'comment savez-vous que c'est une baleine alors que vous avez enregistré à partir d'un hydrophone ? Nous avons reconnu la fréquence, le motif , la répétition, et nous l'avons écouté.'"

Bouffaut a ajouté que maintenant que les chercheurs connaissent mieux les données, ils pourraient former des modèles d'apprentissage automatique pour simplifier et automatiser le processus d'analyse des données.

Bouffaut et Kriesell ont identifié ce qu'on appelle des appels stéréotypés pour les baleines bleues de l'Atlantique Nord à l'extérieur d'Isfjorden. Ces types d'appels sont associés aux vocalisations masculines. Ils ont également vu ce qu'on appelle des appels D, qui sont des vocalisations dans lesquelles le son s'abaisse et qui peuvent être émis par des mâles, des femelles et des veaux. Ils ont détecté ces appels à l'intérieur des eaux abritées du fjord. Des chercheurs antérieurs ont lié les appels D à la recherche de nourriture ou à des contextes sociaux, ont déclaré les chercheurs.

L'Arctique en mutation

Bouffaut a déclaré que la valeur de ce type de système était particulièrement évidente dans l'Arctique, où le réchauffement dû au changement climatique se produit deux à trois fois plus rapidement que la moyenne.

"L'Arctique change très rapidement. Et l'utilisation animale et humaine de la région change aussi vite que la glace fond", a déclaré Bouffaut.

Les baleines telles que les baleines bleues ne sont pas encore des utilisateurs de la région toute l'année, mais à mesure que la glace fond, cela pourrait changer, a-t-elle noté. En même temps, la disparition de la couverture de glace ouvre l'Arctique à l'augmentation de la navigation, de la pêche et d'autres activités, comme le tourisme.

"Donc, si les baleines changent leurs utilisations de cette zone, et utilisent peut-être cette zone pour plus que pour la recherche de nourriture ou pour des activités où elles sont très vulnérables, alors disposer de ce type de technologie peut nous aider à surveiller ces changements", a déclaré Bouffaut.

Il est possible de voir des baleines quand elles remontent à la surface pour respirer, mais le son est reconnu comme le meilleur moyen d'étudier les baleines car elles sont par ailleurs très insaisissables.

"Ainsi, en étudiant leur production sonore, leurs appels et leurs vocalisations, nous pouvons en apprendre beaucoup sur eux. Nous pouvons savoir où ils se trouvent à différentes saisons, et comment et où ils migrent. Nous obtenons donc beaucoup d'informations en écoutant eux », a déclaré Kriesell.

Et si le DAS peut être mis en place afin que les informations puissent être analysées en temps réel, les informations pourraient être relayées aux navires voyageant dans les eaux où les baleines se nourrissent ou socialisent, et informer les parties prenantes pour une action de conservation directe, a déclaré Bouffaut.

"Nous pourrions potentiellement réduire le risque de collisions avec des baleines. Ce serait un très gros problème", a ajouté Kriesell. "La glace arctique fond et le trafic maritime a considérablement augmenté dans l'Arctique. Et c'est un problème pour les animaux. Donc, si nous avons un moyen d'informer les navires de l'emplacement des baleines en temps réel, nous pourrions arrêter ou au moins réduire le risque de collision avec les navires.

Cet article apparaît avec l'aimable autorisation de Gemini News et peut être trouvé dans sa forme originale ici.

Les opinions exprimées ici sont celles de l'auteur et pas nécessairement celles de The Maritime Executive.