WESTERN GRAY WHALE ADVISORY PANEL WGWAP 12/10

12th Meeting 5-7 November 2012

PUBLIC

Тихоокеанский океанологический институт имени В.И. Ильичева

Дальневосточное отделение Российской Академии Наук

г. Владивосток, Российская Федерация

Акустико-гидрофизические исследования на

северо-восточном шельфе о. Сахалин

с 1 августа по 5 октября 2011 г.

о. Сахалин, Российская Федерация С.В. Борисов В.А. Гриценко Р.А. Коротченко A.Н. Рутенко В.А. Соснин В.Г. Ущиповский Подготовлено для «Эксон Нефтегаз Лимитед»

и «Cахалин Энерджи Инвестмент Компани», г. Владивосток, Российская Федерация Март Содержание Общая пояснительная записка

1. Введение

1.1. Цели программы акустических исследований

1.2. Стратегия и методология исследований

1.3. Ареал обитания западной популяции серых китов

1.3.1. Расположение точек акустического мониторинга

1.4. Акустические данные, собранные в экспедиции 2011 г.

1.5. Статистический анализ акустических данных

1.5.1. Расчет процентного распределения спектральной плотности мощности в 1/3 октавных полосах

1.6. Используемая в отчете терминология и алгоритмы

2. Оборудование для акустико-гидрофизических измерений

2.1. Автономный подводный акустический регистратор (АПАР)

2.1.1. Измерение характеристик АПАР

2.1.2. Собственные шумы АПАР

2.1.3. Динамический диапазон АПАР

2.1.4. Амплитудно-частотные характеристики АПАР

2.1.5. Результаты измерений характеристик АПАР

2.2. Гидрологические и батиметрические измерения

2.2.1. Регистрация и архивирование навигационной и батиметрической информации

3. Акустическая обстановка на северо-восточном шельфе о. Сахалин летом 2011 г.

3.1. Фоновые и антропогенные шумы

3.2. Результаты спектрального анализа акустических измерений, проведенных в точках мониторинга Odoptu-S-10 и Odoptu-S-20,

3.3. Антропогенные шумы, измеренные около платформ ПА-Б и Моликпак... 4. Результаты мониторинга акустических шумов, генерируемых при строительстве подводного трубопровода "берег - пл. Аркутун-Даги".

4.1. Введение

4.2. Результаты акустического мониторинга на южной границе прибрежного Пильтунского района кормления серых китов.

4.3. Анализ акустических шумов, измеренных на северной границе Морского района кормления серых китов.

4.4. Кумулятивная энергия антропогенных шумов в контролируемой акватории

5. Анализ акустических сигналов во временной области

6. Гидрологическая обстановка в прибрежном Пильтунском и Морском районах кормления серых китов

6.1. Метеорологические особенности 2011 г

6.2. Гидрологические условия в августе 2011 года.

6.3. Гидрологические условия в сентябре 2011 года.

6.4. Мониторинг межгодовой изменчивости гидрологических характеристик в Пильтунском районе

7. Основные результаты

8. Выводы

9. Планы на 2012 г

10. Благодарности

11. Авторы

12. Список литературы

Приложение А – Список суточных сонограмм, находящихся на приложенном DVD

Приложение В - Сертификаты калибровки

Приложение C. Определение области кормления Охотско-Корейской популяции серых китов.

Приложение D – результаты взаимной калибровки

Таблица 1.1 – Название, номер и координаты точек, в которых проводятся акустические измерения.

Таблица 1.2(a) – Параметры постановки АПАР в точках № 1- 11.

Таблица 1.2(b) – Параметры постановки АПАР в точках № 12 – 15.

Таблица 1.3(a) – График работы АПАР в точках мониторинга в июне-июле 2011 г.

Таблица 1.3(b) – График работы АПАР в точках мониторинга в августе-сентябре 2011 г.

Таблица 2.1 – Характеристики АПАР, измеренные во время лабораторного........ Таблица 2.2 – Технические характеристики – зонда Valeport MIDAS CTD + 500.... Таблица D.1 - Результаты расчета погрешностей АПАР №№ 5, 6, 8, 11 и сквозного АПАР №3 в частотных диапазонах 10-1000 Гц и 10Гц -15 кГц.

Таблица D.2 - Результаты расчета погрешностей АПАР №№ 13, 17, 21, 27 и сквозного АПАР №3 в частотных диапазонах 10-1000 Гц и 10 Гц-15 кГц.............. Таблица D.3 - Результаты расчета погрешностей АПАР №№ 2, 4, 7 и сквозного АПАР №3 в частотных диапазонах 10-1000 Гц и 10 Гц-15 кГц.

Таблица D.4 - Результаты расчета погрешностей АПАР №№ 16, 26 и сквозного АПАР №3 в час-тотных диапазонах 10-1000 Гц и 10 Гц-15 кГц.

Таблица D.5 - Результаты расчета погрешностей АПАР № 9 и сквозного АПАР № в частотных диапазонах 10-1000 Гц и 10 Гц-15 кГц.

Рис. 1.1 - Автономный подводный регистратор - АПАР.

Рис. 1.2 - Научно исследовательское судно Игорь Максимов.

Рис. 1.3 – Карта северо-восточного шельфа острова Сахалин с указанием местоположения платформ «Лун-А», «ПA-Б», «Моликпак» и «Орлан», а также точек, в которых устанавливались АПАР

Рис. 1.4 – Карта северо-восточного шельфа о. Сахалин с указанием маршрутов, на которых в 2011 г. были проведены батиметрические измерения – (а.) и точек, в которых 2011 г. были проведены гидрологические зондирования – (b.)................... Рис. 1.5 - Постановка АПАР с борта судна Игорь Максимов

Рис. 1.6 - Подъем АПАР краном на борт НИС Игорь Максимов.

Рис. 1.7 - Карта с указанием точек установки АПАР и границ районов кормления серых китов, рассчитанных по результатам авиа учетов 2001-2005 гг., судовых учетов 2002-2006 гг., береговых учетов со станций наблюдения за поведением 2001-2006 гг. и береговых автомобильных учетов 2004-2006 гг

Рис. 1.8 - Сонограмма спектров - и графики значений дисперсий -, рассчитанные по 1 суточному сегменту акустических данных, полученных 7 сентября 2011 г. с помощью АПАР установленного в точке мониторинга – ОФА.

Рис. 1.9– Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ), рассчитанные по 1 суточному сегменту акустических данных, полученных сентября 2011 г. с помощью АПАР установленного в точке акустического мониторинга – OФА.

Рис. 1.10 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, полученным в точке мониторинга – Контрольная в августе и сентябре 2011 г.

Рис. 1.11 - Пример графического представления результатов статистического анализа измерений акустических шумов произведенных в сентябре 2011 г. в точке мониторинга Molikpaq.

Рис. 2.1 – Спектры собственных шумов АПАР измеренные при коэффициенте усиления в аналоговом тракте равном 2 – (а.) и 38 – (b.) c флеш-диском (график черного цвета) и при записи на ЖД без пауз (график красного цвета)

Рис. 2.2 – Гидрофон, применяемый в АПАР

Рис. 2.3 - Схемы постановки АПАР в море.

Рис. 2.4 – Якорь, акустический размыкатель и всплывающий буй.

Рис. 2.5 - Частотные зависимости чувствительности гидрофонов, использовавшихся в полевом сезоне 2011 г.: (a.) - гидрофоны типа ГИ-50 с чувствительностью 50 мВ/Па, (b.) – гидрофоны типа ГИ-50 с чувствительностью мВ/Па и 5 мВ/Па.

Рис. 2.6- Собственный шум измерительно-регистрационного тракта АПАР в полосе частот 0–15000 Гц - (a.) и в полосе частот 0–350 Гц - (b.)

Рис. 2.7 – Результаты измерения динамического диапазона измерительнорегистрационного тракта АПАР.

Рис. 2.8 – Нормированная на коэффициент усиления на частоте 1 кГц амплитудно-частотная характеристика аналогового тракта АПАР, измеренная с помощью сигнала «белый шум» при коэффициентах усиления 2, 8 и 38............... Рис. 2.9 - Нормированные амплитудно-частотные характеристики аналоговых трактов с коэффициентом усиления К=2, 8 АПАР, используемых в экспедиции 2011 года: (а.) - АЧХ аналогового тракта АПАР в диапазоне частот до 18000 Гц;

(b.) - участок АЧХ в диапазоне частот 2 - 200 Гц

Рис. 2.10 – Гидрологический зонд.

Рис. 2.11 – Навигационная информация на дисплее ЭВМ

Рис. 2.12 - Диалоговое окно программы AISViewer

Рис. 2.13 - Окно работы с АИС-информацией в БД

Рис. 3.1 – Сонограммы спектров - G ( f, t ), рассчитанных по акустическим данным, полученным в августе и сентябре 2011г.

Рис. 3.2 – Карта района с указанием положения сейсмо-разведывательного судна Pacific Explorer и трасс вдоль которых распространялись сейсмоакустические импульсы, показанные на Рис. 3.3 и Рис. 3.4

Рис. 3.3 – Вариации акустического давления - p (t ) измеренные в точке мониторинга Сontrol и их спектры - G ( f )

Рис. 3.4 – Вариации акустического давления - p (t ) измеренные в точке мониторинга Odoptu-N-20 и их спектры - G ( f ).

Рис. 3.5 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, полученным в точке мониторинга – Odoptu-N-20 в августе и в сентябре 2011 г

Рис. 3.6 – Спектры акустических шумов синхронно измеренных в точках мониторинга Odoptu-N-10 и Odoptu-N-20.

Рис. 3.7 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, полученным в точке мониторинга – Odoptu-N-20 в августе и сентябре 2011 г

Рис. 3.8 – Вариации акустического давления и спектр импульса измеренные в точке мониторинга Odoptu-S-20 в 26 сентябре 2011 г.

Рис. 3.9 – Результатов статистического анализа измерений акустических шумов проведенных точках мониторинга Control, Odoptu-N-20 и Odoptu-N-10

Рис. 3.10 – Фотографии индустриального городка – Odoptu-N расположенного на Пильтунской косе на траверзе точки акустического мониторинга Odoptu-N-20...... Рис. 3.11 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, полученным в точке мониторинга – OFA в августе и в сентябре 2011 г

Рис. 3.12 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, полученным в точке мониторинга – Lunskoye в августе и в сентябре 2011

Рис. 3.13 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, записанным 13 сентября 2011г. в точке мониторинга – OFA

Рис. 3.14 – Результатов статистического анализа измерений акустических шумов проведенных точках мониторинга OFA и Lunskoye.

Рис. 3.15 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, записанным в 2011г. в точках мониторинга Odoptu-S-20 и Odoptu-S-10.

Рис. 3.16 – Результатов статистического анализа измерений акустических шумов проведенных в точках мониторинга Odoptu-S-20 и Odoptu-S-10

Рис. 3.17 – Результатов статистического анализа измерений акустических шумов проведенных в точке мониторинга Odoptu-PA-B в 2005 и 2008 г.г

Рис. 3.18 – Карта района с указанием точек, в которых установлены нефтегазодобывающие платформы PA-B, Molikpaq и точек ежегодного акустического мониторинга PA-B-20, PA-B-10, Piltun и Molikpaq.

Рис. 3.19 – Нефтегазодобывающая платформа PA-B

Рис. 3.20 – Нефтегазодобывающая платформа Моликпак

Рис. 3.21 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий D(f, t ), рассчитанные по акустическим данным, полученным в точках акустического мониторинга PA-B-20, PA-B-10 и Piltun

Рис. 3.22 – Сонограммы спектров и графики значений дисперсий, рассчитанные по акустическим данным, полученным в точке акустического мониторинга Molikpaq. Рис. 3.23 – Результаты статистического анализа акустических сигналов измеренных в точке ежегодного мониторинга PA-B-20, PA-B-10, Piltun и Molikpaq.

Рис. 4.1 - Карта района с указанием маршрута прокладки трубопровода "берег пл. Аркутун-Даги", точек в которых проводились акустические измерения и расстояний от них до трубопровода

Рис. 4.2 - Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ) в частотном диапазоне f = 20-15000 Гц, полученные в результате усреднения за 30 мин, т.е. по 1800 одно секундным реализациям акустических данных полученных синхронно в период с 26.06 по 18.08.2011г. в точках мониторинга А и Piltun-S.

Рис. 4.3 - Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ) в частотном диапазоне f = 20-15000 Гц, полученные в результате усреднения за 30 мин, т.е. по 1800 одно секундным реализациям акустических данных полученных в период с 19.08 по 15.09.2011г. в точке мониторинга А11 и в период с 18.08 по 29.09 в точке Piltun-S

Рис. 4.4 - Спектры - G ( f ) акустических шумов синхронно измеренных 14 сентября 2011 г. в точках акустического мониторинга А11 и Piltun-S

Рис. 4.5 - Распределение скорости звука - C ( z, r ) и глубины водного слоя на акустическом профиле TLP-6

Рис. 4.6 - Графики значений TL, рассчитанных в четырех характерных третьоктавных полосах частот, в зависимости от расстояния между излучателем и точкой приема Piltun-S на профиле TLP-6.

Рис. 4.7 - Процентные распределения усредненных за 30 мин значений спектральной плотности мощности в 1/3- октавных диапазонах акустических шумов измеренных в период с 26.06 по 15.09.2011г. в точке мониторинга А11 и в период с 26.06 по 29.09.2011г. в точке ежегодного акустического мониторинга Piltun-S.

Рис. 4.8 - Процентные распределения усредненных за 30 мин значений спектральной плотности мощности в 1/3- октавных диапазонах акустических шумов измеренных в точке ежегодного акустического мониторинга Piltun-S в и 2008 г.г.

Рис. 4.9 - Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ) в частотном диапазоне f = 20-15000 Гц, полученные в результате усреднения за 30 мин, т.е. по 1800 одно секундным реализациям акустических данных полученных синхронно в период с 24.06 по 16.08.2011г. в точке мониторинга Orlan и Arkutun-Dagi.

Рис. 4.10 - Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ) в частотном диапазоне f = 20-15000 Гц, полученные в результате усреднения за 30 мин, т.е. по 1800 одно секундным реализациям акустических данных полученных в период с 18.08 по 29.09.2011г. в точке мониторинга Orlan............... Рис. 4.11 - Процентные распределения усредненных за 30 мин значений спектральной плотности мощности в 1/3- октавных диапазонах акустических шумов измеренных в период с 24.06 по 29.09.2011г. в точке акустического мониторинга Orlan.

Рис. 4.12 - Процентные распределения усредненных за 30 мин значений спектральной плотности мощности в 1/3- октавных диапазонах акустических шумов измеренных в точке акустического мониторинга Orlan в 2011 и 2008 г.г..... Рис. 4.13 - Процентные распределения усредненных за 30 мин значений спектральной плотности мощности в 1/3- октавных диапазонах акустических шумов измеренных в точке акустического мониторинга Arkutun-Dagi в 2011 и г.г.

Рис. 4.14 - Интегральные за 24 часа значения уровней энергии акустических полей в частотном диапазоне 20-15000 Гц, измеренных в четырех точках акустического мониторинга в 2011 г. Синим цветом отмечены штормовые дни

Рис. 5.1 - Акустические импульсы и их спектр, зарегистрированные в точке ежегодного мониторинга Odoptu-N-10 22 августа 2011 г. в 05:36

Рис. 5.2 - Акустические импульсы и их спектр, зарегистрированные в точке ежегодного мониторинга Odoptu-N-10 22 августа 2011 г. в 05:58

Рис. 5.3 - Вариации акустического давления представленные на сайте “Discovery of Sound in the Sea”, как голос серого кита и спектры двух акустических импульсов.

Рис. 6.1 - Карта района работ и расположение гидрологических станций в августесентябре 2011 г. Красными точками указаны места многолетнего мониторинга гидрологической обстановки.

Рис. 6.2 - Розы ветров (в %) у северо-восточного побережья о.Сахалин в июле, августе и сентябре 2009, 2010 и 2011 гг. (по метеоданным с платформы Орлан). Рис. 6.3 - Пространственное распределение температуры и солености воды на поверхности 1-20 августа 2009 г., 3-10 августа 2010 г и 4 21 августа 2011 г........... Рис. 6.4 - Пространственное распределение температуры и солености воды у дна в августе 2009, 2010 и 2011 гг.

Рис. 6.5 - Пространственное распределение температуры и солености воды на поверхности 4-20 сентября 2010 г и 24 сентября–04 октября 2011 г

Рис. 6.6 - Пространственное распределение температуры и солености воды у дна 4-20 сентября 2010 г и 24 сентября–04 октября 2011 г.

Рис. 6.7 - Пространственное распределение растворенного кислорода (в %) в поверхностном слое в августе и сентябре 2011 года.

Рис. 6.8 - Пространственное распределение мутности (в условных единицах) в поверхностном слое в августе и сентябре 2011 года.

Рис. 6.9 - Межгодовые различия температуры и солености в точке мониторинга в районе залива Пильтун в 2009, 2010 и 2011 гг. (начало августа).

Рис. D.1 – Организация и проведение кросс-калибровки АПАР на борту НИС Игорь Максимов.

Рис. D.2 - Результаты синхронных измерений акустических сигналов, проведенных с помощью АПАР №№ 5, 6, 8, 11 и сквозным АПАР №3, показанные в частотных диапазонах 10 Гц-15 кГц (a.), 10-1000 Гц (b.) и 1-15 кГц (c.).

Рис. D.3 - Результаты синхронных измерений акустических сигналов, проведенных с помощью АПАР №№ 13, 17, 21, 27 и сквозным АПАР №3, показанные в частотных диапазонах 10 Гц-15 кГц (a.), 10-1000 Гц (b.) и 1-15 кГц (c.)................. Рис. D.4 - Результаты синхронных измерений акустических сигналов, проведенных с помощью АПАР №№ 2, 4, 7 и сквозным АПАР №3, показанные в частотных диапазонах 10 Гц-15 кГц (a.), 10-1000 Гц (b.) и 1-15 кГц (c.).

Рис. D.5 - Результаты синхронных измерений акустических сигналов, проведенных с помощью АПАР №№ 16, 26 и сквозным АПАР №3, показанные в частотных диапазонах 10 Гц-15 кГц (a.), 10-1000 Гц (b.) и 1-15 кГц (c.).

Рис. D.6 - Результаты синхронных измерений акустических сигналов, проведенных с помощью АПАР № 9 и сквозным АПАР №3, показанные в частотных диапазонах 10 Гц-15 кГц (a.), 10-1000 Гц (b.) и 1-15 кГц (c.).

Общая пояснительная записка В 2011 году для проведения акустико-гидрофизических исследований в северо-восточной части шельфа о. Сахалин использовались 16 автономных подводных акустических регистратора (АПАР). Главной целью исследований являлся сбор акустических и гидрологических натурных данных, позволяющих оценить влияние подводных шумов и их вариаций на зоны кормления ОхотскоКорейской популяции серых китов (Eschrichtius robustus)1.

Комплексная биолого-акустическая экспедиция 2011 г. проводилась с использованием НИС "Игорь Максимов" водоизмещением 929.2 тонн, причем было принято решение на 30 дней (с 22 августа по 22 сентября) отдать приоритет в полевых работах отряду из 5 человек для проведения мечения серых китов и соответственно на это время отряд акустико-гидрофизических измерений высадился на берег, но благодаря увеличению срока автономности АПАР с 25 до 52 суток, акустический мониторинг в 2011 г. проводился непрерывно в период всей экспедиции. Кроме того, с целью мониторинга уровней антропогенных шумов, генерируемых во время строительства подводного трубопровода, который свяжет установленную в будущем платформу Аркутун-Даги с берегом, в четырех точках Аркутун-Даги, Орлан, Пильтун-С и А11 акустические измерения были начаты 24 и 26 июня 2011 г.

В связи со сходом отряда на берег, программа гидрологических измерений в 2011 г. была значительно сокращена. Тем не менее, удалось произвести зондирований, которые позволяют, примерно, охарактеризовать гидрологическую обстановку, которая наблюдалась в 2011 г. в районах кормления серых китов на северо-восточном шельфе о. Сахалин.

Длина батиметрического профиля измеренного в районе исследований составляет 3352 км.

1 Охотско-Корейская популяция занесена в Красную книгу РФ как исчезающая, и считается критически угрожаемой по классификации Международного союза охраны природы.

1. Введение Мелководная (6-15 м) область шельфа о-ва Сахалин, начинающаяся к югу от входа в Пильтунский залив и продолжающаяся в северном направлении вдоль побережья о-ва Сахалина, является наиболее важным районом летне-осеннего нагула охотско-корейской (западной) популяции серых китов. Необходимо отметить, что в этом - Пильтунском районе в пределах 10 м изобаты наблюдаются пары мать-детеныш. Акустические исследования в Пильтунском районе проводятся с 1999 г., поскольку некоторые районы добычи нефти и газа расположены вблизи этого района. В 2001 году был обнаружен другой Морской район нагула серых китов расположенный в более глубоководной (30-60 м) акватории, примерно в 20 км к юго-востоку от входа в залив Чайво.

Программа акустических исследований, проведенных на северо-восточном шельфе о-ва Сахалин в 2011 году, имела следующие задачи:

Расширенная программа акустического мониторинга, начатая в 2003 году. Эта программа нацелена на изучение временных и пространственных изменений амплитудных и частотных характеристик естественных и антропогенных шумов на границах Пильтунского и Морского районов нагула серых китов.

В дополнение к программе мониторинга фоновых акустических шумов проводилось детальное исследование характеристик шумов, генерируемых во время прокладки подводного трубопровода с берега к будущей платформе Аркутун-Даги. Акустический мониторинг проводился на границах районов кормления серых китов В дополнение к программе мониторинга фоновых шумов, компании ЭНЛ и СЭИК проводят сбор батиметрических и гидрологических данных в пределах пространственно-временных вариаций гидрологических полей, вызываемых изменениями погодных условий (например, при прохождении тайфунов).

В 2005 году было начато, а в 2011 г. продолжено совместное исследования с участием группы по изучению бентоса, направленное на изучение зависимости между распределением бентоса и батиметрическими и гидрологическими характеристиками в изучаемой акватории [Фадеев, 2011].

В данном отчете представлены основные результаты выполнения программы акустических и гидрологических исследований проведенных в году. Сформулированы задачи программы 2011 года, стратегия и методология проведения, дано описание модернизаций старого [Борисов и др., 2006, Борисов и др. 2007, Борисов и др. 2008] оборудования, использованного в полевом сезоне 2011 года, приведены результаты его испытаний и калибровок, а также приведена методология обработки и анализа данных. В этот отчет включен диск DVD, содержащий сонограммы в двух форматах по 24-часовым сегментам для всех акустических данных, собранных в 2011 году, а также батиметрические и гидрологические данные, полученные в течение полевых сезонов 2004- годов. В основном отчет посвящен анализу данных и включает выводы и рекомендации для проведения будущих работ. Анализ данных включает следующие разделы:

Программа изучения западной популяции серых китов – акустические исследования 1. Количественный спектральный анализ изменения уровня фоновых шумов в зависимости от погодных условий (включая циклоны).

2. Спектрально-временной анализ акустических данных, зарегистрированных на различных участках Сахалинского шельфа 2.

3. Анализ спектральных характеристик акустических шумов измеренных в разные годы в характерных точках двух районов кормления серых китов расположенных на северо-восточном шельфе о. Сахалин.

4. Сравнительный анализ гидрологических данных (скорость звука, температура и соленость воды), полученных в 2004 - 2011 годах.

5. Экспериментальное изучение зависимости между распределением бентоса и гидрологическими и батиметрическими характеристиками изучаемой акватории, проводимое совместно с группой изучения бентосных сообществ [Фадеев, 2011] 2 Использование автономных подводных акустических регистраторов (АПАР) в ходе экспедиции 2011 г. позволило получить высокую точность измерения шумов в точках акустического мониторинга. Однако, поскольку исследовательское судно («Игорь Максимов») часто находилось на большом расстоянии от точек постановки АПАР, идентификация и местоположение источников антропогенных шумов, в общем случае, остаются неизвестными.

Акустические измерения проводились с помощью 16 модернизированных цифровых автономных подводных акустических регистраторов - АПАР (см. Рис.

1.1), рассчитанные на работу в течение 52 суток. Данное измерительное средство, разработано в ТОИ ДВО РАН3 и обеспечивает точную регистрацию вариаций акустического давления в диапазоне частот 2-15000 Гц, который включает и инфразвуковой диапазон4.].

Постановки в море черытех АПАР в июне 2011 г., были произведены с борта буксира Пасифик Энтерпрайс, а их подъем и постановка в море 16 АПАР в августе были проведены с борта НИС Игорь Максимов, показанного на Рис. 1.2.

Синхронные акустические измерения проводились в точках, расположенных на акватории простирающейся от северной части лицензионного участка Одопту до южной границы Морского района нагула (Рис. 1.3), т.е. на площади, простирающейся на 180 км вдоль северо-восточного шельфа о. Сахалин.

3 ТОИ ДВО РАН – Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии Наук.

4 Инфразвуковой диапазон – диапазон звуковых частот ниже 20 Гц.

Рис. 1.1 - Автономный подводный регистратор - АПАР.

Рис. 1.2 - Научно исследовательское судно Игорь Максимов.

Предшествующие исследования показали, что результаты акустического моделирования являются чувствительными к батиметрическим и акустическим характеристикам морского дна, а также пространственному распределению параметров гидрологических полей вдоль рассматриваемого в исследованиях профиля. Поэтому были проведены комплексные батиметрические и гидрологические измерения с использованием, установленного на судне эхолота и гидрологического зонда. Общая длина батиметрического профиля, измеренного в 2011 году, составляет 3352 км. За время экспедиции с борта НИС Игорь Максимов было выполнено 90 гидрологических зондирования (включающих скорость звука, температуру, соленость, мутность воды, концентрация кислорода, значения pH)5. На Рис. 1.4 приведены две карты с указанием маршрутов, на которых в 2011 г. были проведены батиметрические измерения - (а.) и точек, в которых были выполнены гидрологические зондирования – 90 (b.).

5 Из них 56 были сделаны в августе, 33 в сентябре и 1 в октябре.

Рис. 1.3 – Карта северо-восточного шельфа острова Сахалин с указанием местоположения платформ «Лун-А», «ПA-Б», «Моликпак» и «Орлан», а также точек, Рис. 1.4 – Карта северо-восточного шельфа о. Сахалин с указанием маршрутов, на которых в 2011 г. были проведены батиметрические измерения – (а.) и точек, в которых 2011 г. были проведены гидрологические зондирования – (b.).

1.1. Цели программы акустических исследований Программа акустических исследований, проведенных в 2011 г. на северовосточном шельфе острова Сахалин, преследовала решение пяти основных задач.

1. Первая задача заключалась в изучении с помощью автономных акустических станций, установленных по всей площади разробатываемых месторождений, временных и пространственных вариаций амплитудных и частотных характеристик акустического фона и акустических сигналов антропогенного происхождения. В основаном, акустические станции были расположены на ближайшем от предполагаемого индустриального объекта наружном крае района нагула серых китов или внутри района их кормления. Цель этой ежегодной программы акустического мониторинга заключается в оценке изменений суммарного акустического уровня шумов в районах нагула серых китов вследствие разработки нефтяных месторождений и деятельности людей связанной с добычей нефти.

2. Вторая задача, в период с 24 июня по 29 сентября мониторинг в четырех генерируемых во время строительства подводного трубопровода "берег - пл.

Аркутун-Даги".

получаемых при движении судна, и проведении гидрологических зондирований в исследуемой акватории с целью оценки пространственных и временных объединены с результатами 2101 гидрологических зондирований и 63055 км батиметрических измерений, проведенными в 2004-2010 г.

4. Четвертая задача заключалась в оценке по 1 минутным реализациям значений дисперсии в диапазоне 20-15000 Гц и спектральной плотности в третьоктавных расположенных в прибрежном Пильтунском и Морском районах кормления 5. И, наконец, последняя задача заключалась в сборе гидрологических данных с целью изучения связи между распределением и развитием бентоса и гидрологическими и батиметрическими характеристиками данного района [Фадеев, 2011].

1.2. Стратегия и методология исследований Район мелководья (5 - 15 м) северо-восточного шельфа о. Сахалин, простирающийся от пункта южнее устья залива Пильтун на север вдоль берега Сахалина, является одним из наиболее важных районов летнего нагула западной популяции серого кита. По этой причине в этом районе начиная с 1999 г.

проводятся акустические исследования.

В 2011 г., основной комплекс работ в рамках программы акустикогидрологических исследований осуществлялся под руководством д.ф.-м.н.

Александра Рутенко (находился на берегу) и начальника полевого отряда на НИС предусматривалось проведение с борта НИС Игорь Максимов, под руководством гидрофизических исследований параллельно с взятием проб бентоса и проведением фото идентификационных исследований и судовых учетов. В период проведения мечения китов (с 22 августа по 22 сентября 2011 г.) отряд акустикогидрофизических измерений находился на берегу.

выполняемых на судах, и обеспечить проведение синхронных акустических измерений на значительно расширенном пространстве в 2011 г. было задействовано 16 АПАР, разработанных в ТОИ ДВО РАН. АПАР, которые могли быть установлены на глубине до 50 м (два – до 100 м) и осуществлять непрерывную запись акустических сигналов в диапазоне частот от 2 до 15000 Гц в течение 52 дней. Подробное описание АПАР приведено в отчете [Борисов и др., 2006]. В 2011 г. была произведена их модернизация в результате, которой время непрерывных акустических измерений производимых в море АПАР увеличилось с 25 до 52 суток.

Одним из важных эксплуатационных преимуществ НИС Игорь Максимов является возможность его работать при глубине моря 10 м. Постановка АПАР осуществлялась с бака судна при его движении на малом ходу (см. Рис. 1.5).

Извлечение АПАР выполнялось вручную с помощью электролебедки установленной на Зодиаке, спускаемого с борта судна Игорь Максимов. После подъема АПАР к поверхности моря Зодиак его буксировал к борту судна и затем с помощью судового крана АПАР поднимался на его борт (Рис. 1.6).

Рис. 1.5 - Постановка АПАР с борта судна Игорь Максимов Рис. 1.6 - Подъем АПАР краном на борт НИС Игорь Максимов.

1.3. Ареал обитания западной популяции серых китов исследовательской программы по изучению западной популяции серых китов состояла в измерении и определении характеристик фонового шума на северовосточном шельфе о. Сахалин. Выполнение этой текущей программы было начато в 2003 и продолжалось в 2011 г. Эти данные, совместно с измерениями параметров шумов существующих и будущих производственных объектов, позволят более эффективно оценить кумулятивное воздействие работ по разработке месторождений и добыче нефти на акустический фон в районе, а также на популяцию серых китов.

При стратегическом планировании расположения станций наблюдения в 2003 - 2006 гг. и для будущих программ критически важно оценить ареал обитания серых китов на северо-восточном шельфе о. Сахалин. В 2003 г. такая оценка была произведена и места расположения станций наблюдения были выбраны с использованием данных авиаучетов 2001 и 2002 годов [Борисов и др., 2004 г.], однако в 2001 г. был проведен более значительный объем авиаучетных работ, сконцентрированных в менее продолжительном временном интервале.

Результаты авиаучетов, проведенных в 2001 годы не были скорректированы на объем проведенных работ. В 2004 г. оценка ареала распространения оценивалась по данным авиаучетов 2003 и 2004 годов, и использовались взвешенные данные наблюдений с учетом объема работ по наблюдению7.

Для визуального представления районов с наибольшей плотностью наблюдений серых китов и изучения изменений в расположении районов наибольшей активности животных с течением времени были использованы вероятностные изолинии8. Для построения вероятностных изолиний были выбраны значения 50% и 95%. Вероятностная изолиния 50% обозначает границу 6 Данный раздел подготовлен компанией LGL Ltd (Robin Tamasi, Peter Wainwright, Judy Muir, Sergei Yazvenko, Sonya Meier, Steve Johnson) 7 Под плотностью понимается число китов на единицу площади. Больший объем наблюдений может привести к увеличению числа животных, зарегистрированных в каждой из ячеек, если при расчете плотности не производится коррекция на объем наблюдений.

8 Вероятностные изолинии были вычислены независимо для Пильтунского и морского районов нагула серых китов.

акватории на которой наблюдались 50% от всех зарегистрированных китов. В 2003 г. была выполнена оценка вероятностных изолиний ядра при помощи контуров распределения, полученных по методу ядерных оценок9. Метод ядерных оценок использует процесс разбиения с использованием координатной сетки, устойчивый к ошибкам для малых выборок, если только вариации северно-южной и западно-восточной компонент распределения не разнятся очень значительно, что применимо к Пильтунскому району кормления.

В Пильтунском районе кормления распределение наблюдений китов сориентировано параллельно берегу со значительно большим разбросом в направлении, параллельном береговой линии, чем в направлении, перпендикулярном береговой линии. По этой причине в 2004 г. была разработана пространственная сетка для Пильтунского района нагула серых китов, которая была сориентирована по направлению вдоль берега и размеры ячеек сетки в направлении, параллельном береговой линии, были выбраны большими чем в направлении, перпендикулярном береговой линии (т.е. каждая ячейка имела размеры 4 км на 0,5 км). Затем для каждой ячейки вычислялось значение пространственной плотности китов, которое определялось как число зарегистрированных в данной ячейке животных скорректированных с учетом объема работ по наблюдению, поделенное на площадь акватории внутри ячейки, на которой проводились учетные работы. Эта же методология использовалась для Морского района нагула серых китов, за исключением того, что в этом случае удовлетворялись требования к обычным допущениям относительно распределения и использовалась сетка обычного типа с ячейками размером 1 км на 1 км.

Оценки параметров участка обитания, сделанные в 2003, 2004, 2005 и 2006, значительно разнятся. Чтобы компенсировать этот разброс и получить более стабильную оценку параметров участка обитания для использования при планировании экспериментов, в 2007 г. был выполнен дополнительный анализ плотности распределения с использованием имеющихся данных систематических наблюдений. При этом были использованы данные авианаблюдений за период с 9 Контуры плотности распределения по методу ядерных оценок были построены при помощи программы Arcview 3.1 с расширением Animal Movement 2.04 [Хууг и др., г.]. Контур плотности распределения по методу ядерных оценок определяет вероятность нахождения животного в каждой точке пространства с использованием распределения использования пространства.

2001 по 2005 г., результаты судовых учетов, проведенных в 2002-2006 г., данные береговых станций наблюдения за поведением за период с 2001 по 2006 г. и данные наблюдений, выполненных с использованием транспортных средств в 2004-2006 г. Подробный алгоритм расчета приведен в приложении С.

1.3.1. Расположение точек акустического мониторинга Сеть точек систематических акустических наблюдений была разработана в 2003 и дополнена в 2004 - 2006 годах. Ее целью являлся контроль за изменениями акустических полей на северо-восточном шельфе о. Сахалин и, что наиболее важно, – изменениями шумов антропогенного происхождения, способных привести к значительному увеличению уровней шумов как в Пильтунском, так и в Морском районе нагула серых китов.

Для регистрации акустической информации было выделено три типа точек:

Станции наблюдения – в этих точках будут систематически контролироваться акустического поля с течением времени. На них будут повторно проводиться установки АПАР (несколько раз в сезон в течение нескольких сезонов).

Станции наблюдения, как правило, располагаются на границах районов нагула серых китов в месте, наиболее близком к предполагаемому индустриальному объекту или в месте, где ожидается наблюдение наибольшего суммарного эффекта от нескольких объектов.

Контрольная станция(и) – д-р Джон Ричардсон (LGL Limited) рекомендовал организацию контрольной станции или станций на достаточно большом расстоянии от предлагаемых мест индустриальной активности, т.е. в районе, в котором не предполагается увеличение уровня шума антропогенного происхождения. Эта станция будет контролировать любые изменения акустического фона - поля шума окружающей среды, не связанные с деятельностью по разработке нефтяных месторождений.

Акустические станции – эти точки будут контролироваться редко и их происхождения, генерируемых известным источником в заданный момент акустических сигналов при их распространении.

До начала полевых работ сезона 2003 г. было выбрано местоположение одиннадцати точек; семь из них являлись станциями наблюдения, три – акустическими станциями и одна – контрольной станцией. Для работ сезона г. были выбраны местоположения шести дополнительных станций наблюдения и семи акустических станций. В 2005 г. была определена еще одна акустическая станция. В 2006 году были определена одна дополнительная станция наблюдения наименования, номера и места расположения этих станций10.

Местоположения станций наблюдения были определены по отношению к основным концентрациям серых китов (Рис. 1.7)11. В случае морского района нагула станции (за исключением ГЗК) располагались на изолинии вероятности наблюдения в период с 2004 по 2011 г. не менялось12. Пильтунский район нагула серых китов определеляется батиметрией, поскольку большинство китов кормится приблизительно между изобатами 8 и 12 м. Пары «мать-детеныш» в Пильтунском районе нагула наблюдались в водах глубиной от 5 до 10 м, и лишь незначительное число китов наблюдалось за пределами изобаты 20 м. Поэтому 10 По мере возможности для обеспечения ясности изложения информации номера и наименования станций мониторинга будут сохраняться неизменными из года в год 11 Проводились различные биологические исследования, как с борта судна (наблюдения морских млекопитающих, фотоидентификация, исследования бентоса), так и на суше (наблюдения за поведением китов с использованием автомобиля) на той же акватории, что обеспечивает возможность оценки влияния любых изменений акустического поля на распределение серых китов.

12 2004: Станция «Орлан» находится на изолинии суммарной вероятности 95% (по данным 2003 г.) ближе всего к предлагаемому местоположению платформы «Орлан», станция «Лунское» – на южном краю морского района нагула, станция ГЗК – приблизительно в центре морского района нагула, а станция «Аркутун-Даги» – на северовосточном краю морского района нагула. 2005: Станции «Одопту-Ю-10», «Одопту-С-10», «Одопту-С-20» и «Одопту-Ю-20» располагались на изобатах 10 м и 20 м напротив двух предлагаемых буровых площадок Одопту. Станция «Пильтун» находится на изобате 20 м между платформой «Моликпак» и местом сосредоточения серых китов напротив Пильтунского маяка. Станции ПА-Б располагались на ближайших изобатах 10 м (ПА-Б-10) и 20 м (ПА-Б-20) к предлагаемому месту расположения ПА-Б. Станция «Пильтун-Ю»

расположена на изолинии суммарной вероятности 95% на южном батиметрическом контуре Пильтунского района нагула серых китов, а станция Одопту-ПА-Б – на изобате м между предполагаемыми местами расположения буровых площадок Одопту-Ю и платформы ПА-Б. 2006: Точка «Моликпак» на 20 м изобате между платформой «Моликпак» и Пильтунской зоной кормления.

(рассматриваемой в качестве границы распределения) и на изобате 10 м (рассматриваемой в качестве центра распределения).

Местоположение контрольной станции осталось неизменным по сравнению с 2003 г.13 Это место имеет подобные с Пильтунским районом нагула серых китов гидролого-батиметрические характеристики и расположена на не слишком большом удалении, чтобы затруднить ее эксплуатационное обслуживание. В г. АПАР не устанавливались в точках А1-А10 и А12-А15, эти точки использовались предыдущие годы.

1.4. Акустические данные, собранные в экспедиции 2011 г.

В экспедиции 2011 г., так же как и раньше, АПАР применялись для проведения синхронных акустических измерений на акватории протяженностью около 180 км и простирающейся от северной границы лицензионного участка Одопту до южной границы Морского района кормления серых китов (Рис. 1.7).

В данном разделе обсуждается объем и представление данных собранных в ходе акустического мониторинга в 2011 года. Приводятся даты постановок, время работы, координаты и глубины АПАР и их операционные параметры (Табл.

1.2), а в Табл. 1.3 указаны дни во время которых в заданных точках акустического мониторинга проводились измерения.

Все акустические данные, полученные в ходе экспедиции 2011 года представлены в виде суточных сонограмм14 с цветовым кодированием уровней спектральной плотности мощности звукового давления G ( f, t ) 15. Каждый суточный сегмент сопровождается синхронными графиками значений дисперсии D(f, t ) в различных частотных диапазонах. Для удобства визуального анализа сонограммы построены в двух форматах. В первом, сонограммы построены в диапазоне 2 Гц – 15 кГц с логарифмической осью частот (Рис. 1.8). На представленной сонограмме хорошо видны псевдо шумы в частотной области 13 Контрольная станция располагается на 20-метровой изобате приблизительно в 40 км на север от Северного «куста» скважин Одопту.

14 Сонограмма представляет собой графическое представление вариаций спектральной плотности мощности звукового давления G ( f, t ) во времени и по частоте.

15 Цветовая шкала позволяет отображать значения от 37 до 120 дБ отн мкПа2/Гц с шагом в 3 дБ.

ниже 20 Гц, которые вызываются обтеканием гидрофона приливным течением со скоростью более 1 м/с, наблюдаемым в данном районе дважды в сутки. Этот пример показывает, что данные в инфразвуковой области должны анализироваться в периоды отсутствия приливных течений (приблизительно часа).

Рис. 1.7 - Карта с указанием точек установки АПАР и границ районов кормления серых китов, рассчитанных по результатам авиа учетов 2001-2005 гг., судовых учетов 2002-2006 гг., береговых учетов со станций наблюдения за поведением 2001гг. и береговых автомобильных учетов 2004-2006 гг.

Таблица 1.1 – Название, номер и координаты точек, в которых проводятся Станции наблюдения:

Акустические станции:

Таблица 1.3(a) – График работы АПАР в точках мониторинга в июне-июле 2011 г.

Таблица 1.3(b) – График работы АПАР в точках мониторинга в августе-сентябре 2011 г.

плотности мощности звукового давления, вызванные изменениями уровней шумов антропогенного и природного происхождения, включая изменяющиеся погодные соответствующими коррекциями. По просьбе Сахалин Энерджи Компани эти же данные представлены в другом виде. В диапазоне 2 Гц – 15 кГц с логарифмической осью частот и линейной осью в диапазоне 2 - 1000 Гц (см. Рис.

1.9). В приложении А содержится список сонограмм, находящихся на DVD, приложенном к настоящему отчету.

В этом году нам было известно, что в данной акватории будут производиться работы связанные со строительством подводного трубопровода, сейсморазведывательные исследования с применением мощных пневматических излучателей, поэтому при постановках АПАР в точках ежегодного мониторинга, мы старались установить оптимальным коэффициент усиления в аналоговом чувствительностью (5, 10 или 50 mV/Pa) что бы не произошло ограничения амплитуды (клипирования) регистрируемого акустического сигнала, даже во время проведения сейсморазведки.

Точка ежегодного акустического мониторинга Control расположена вне зоны работ проводимых компаниями Эксон Нефтегаз Лимитед и Сахалин Энерджи Компани и поэтому полученные в ней акустические данные, результаты спектрального анализа которых представлены на Рис. 1.10, характеризуют влияние на формируемое на северо-восточном шельфе о. Сахалин акустическое производственно-исследовательской деятельности других компаний.

Рис. 1.8 - Сонограмма спектров - и графики значений дисперсий -, рассчитанные по 1 суточному сегменту акустических данных, полученных 7 сентября 2011 г. с помощью АПАР установленного в точке мониторинга – ОФА.

Рис. 1.9– Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D(f, t ), рассчитанные по 1 суточному сегменту акустических данных, полученных 7 сентября 2011 г. с помощью АПАР установленного в точке акустического мониторинга – OФА.

Рис. 1.10 – Сонограммы спектров - G ( f, t ) и графики значений дисперсий - D( f, t ), рассчитанные по акустическим данным, полученным в точке мониторинга – 1.5. Статистический анализ акустических данных В разделе 1.4 было показано, что все акустические данные полученные в точках ежегодного мониторинга проходят спектральный анализ результаты, которого представляются на DVD в виде сонограмм G ( f, t ) иллюстрирующих вариации уровней спектральной плотности мощности звукового давления в частотном диапазоне 2-15000 Гц, вызванные изменениями уровней шумов антропогенного и природного происхождения, включая изменяющиеся погодные условия, перемещение судов и индустриальную активность. Значения, соответствующими коррекциями и получены в результате усреднения значений периодограмм рассчитанных с помощью БПФ за 1 минуту. При проведении такого анализа специально проводились дополнительные преобразования. Оценка спектра - G ( f, t 1min) полученная в результате усреднения за 1 минуту значений периодограмм рассчитанных с помощью БПФ по 1 секундным реализациям ( f 1 Гц) пересчитывалась в оценку 1/3 октавного спектра G1 / 3okt ( f, t 1min) и соответствующие значения спектральной плотности мощности вариаций акустического давления в 1/3 октавных полосах с заданными центральными частотами: 5, 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 79, 100, 126, 158, 200, 251, 316, 398, 501, 631, 794, 1000, 1259, 1585, 1995, 2512, 3162, 3981, 5012, 6310, 7943,10000 Гц, запоминались в специальном файле. Кроме того, в этом файле запоминались средние за 1 минуту значения дисперсий D (f, t 1min).

1.5.1. Расчет процентного распределения спектральной плотности мощности в 1/3 октавных полосах строительных работ важным параметром является процентное распределение за данный анализируемый период значений спектральной плотности мощности в 1/ октавной полосе с соответствующей центральной частотой. При построении таких оценок мы используем следующую методику. Синхронные ряды значений G1 / 3okt ( f f i, t 30 min) соответствующие 1/3 октавной полосы с центральной частотой f i анализируются не зависимо от других частот. На заданном интервале анализа с помощью перебора определялось наименьшее и наибольшее значение, а затем с шагом 0.1 дБ определялись значения соответствующие 10, 25, 50, 75 и 90%. Например, если в результате сравнительного перебора для частоты fi получилось, что величина 95 дБ отн. 1 мкПа2 соответствует 50%, то это означает, что ровно половина всех измеренных значений G1 / 3okt ( f f i, t 30 min) 95 дБ отн.

1 мкПа2.

На Рис. 1.11 приведен пример графического представления результатов такого анализа, проведенного по значениям G1 / 3okt ( f f i, t 30 min), полученным с помощью спектрального анализа акустических сигналов измеренных с помощью АПАР установленного в точке ежегодного акустического мониторинга Molikpaq.

Под графиками указывается время начала и конца непрерывных измерений. В данном случае использовались акустические данные, измеренные в период с 22:30 08.08 до 00:00 01.09. Статистический анализ проведен по значениям продолжительностью 23.1 суток.

Рис. 1.11 - Пример графического представления результатов статистического анализа измерений акустических шумов произведенных в сентябре 2011 г. в точке На Рис. 1.11 видны характерные особенности в процентном распределении.

На частотах меньше 20 Гц разница между минимальными и максимальными значениями достигает 60 дБ, что обусловлено псевдошумами обтекания (см. Рис.

1.8 и Рис. 1.10). Существенное превышение на 15-20 дБ графиком максимальных значений кривой соответствующей 90%, объясняется проходом судна вблизи данной точки мониторинга. Расхождение графиков на частотах больше 200 Гц, повидимому, обусловлено шумами от удаленных судов, например, от судна обеспечивающего работу платформы Моликпак и вариациями шумов, генерируемых поверхностным волнением и ветром. По-видимому, источником шумов на частотах 32 и 158 Гц для данной точки мониторинга являются относительно стабильно работающие механизмы на платформе Моликпак, поэтому разность между значениями соответствующими 90% и минимуму на этих частотах в августе 2011 года не превысила 23 дБ.

1.6. Используемая в отчете терминология и алгоритмы Шумы окружающей среды и антропогенный шум, зарегистрированные АПАР, записывались на жесткий диск АПАР в относительном формате, а после перезаписи в компьютер на борту НИС Игорь Максимов (или во время анализа) преобразовывались и нормировались в микропаскали (мкПа)16. Для описания зависимости акустической мощности шума от частоты используется акустический спектр в децибелах. В данном отчете результаты спектрального анализа акустических данных изображены в виде графиков спектра плотности мощности звукового давления G(f) (дБ отн. 1 мкПа2/Гц)17. Сонограммы G(f,t) представляют собой графики иллюстрирующие с помощью цвета уровень спектральной плотности мощности шума в зависимости от частоты и времени. Сонограммы сопровождаются синхронными графиками вариаций усредненных за 48 секунд значений дисперсии18 - D (f, t ) G ( f, t )df = (дБ отн. мкПа2). Сответственно, уровень среднего за 48 секунд (по 48 реализациям) среднеквадратичного значения акустического шума в заданных частотных диапазонах - f равен SPLrms (f, t ) 20 lg (дБ отн. 1 мкПа), p0 =1 мкПа. Масштаб цветовой палитры отображает изменения уровня от 37 до 120 дБ по отношению к мкПа2/Гц (см. Рис. 1.8). Спектры показаны в частоотном диапазоне от 2 до Гц.

Спектральный уровень акустического сигнала определяется по отношению к уровню акустической мощности в полосе частот 1 Гц. Этот термин относится только к звукам с непрерывным частотным спектром19. Эти спектры усредняются по множеству окон длительностью в одну секунду20 для повышения 16 Данные нормировались (с учетом чувствительности гидрофона, коэффициента усиления и амплитудно-частотной характеристики измерительного тракта) для их преобразования в стандартные единицы давления – мкПа.

17 Оценки спектров плотности мощности приводились к полосе 1 Гц вне зависимости от длины реализации.

18 Дисперсия – интегральный уровень акустической мощности в заданном частотном диапазоне.

19 Непрерывный частотный спектр – это спектр, в котором сигнал присутствует на всех частотах.

20 Среднее значение X 1-секундных оценок спектров.

статистической устойчивости данных о шуме окружающей среды21. В случае проведения усреднения число односекундных окон, использовавшихся при усреднении, когда это важно, приведено в верхней части графика.

Подробное описание методологии и алгоритмов используемых при нормировке акустических данных и расчета оценок их спектров представлено в работе Бориссов и др. 2006г.

21 Усреднение спектров уменьшает доверительный интервал у оценки спектральной плотности.

2. Оборудование для акустико-гидрофизических измерений Акустические измерения проводились с помощью 16 цифровых автономных подводных акустических регистраторов (АПАР), разработанных в Тихоокеанском океанологическом институте Дальневосточного отделения Российской Академии Наук (Рис. 1.1). Подробное описание АПАР приведено в отчете [Борисов и др., 2006].

Гидрофизические исследования проводились с помощью автономного комбинированного зонда Гидрофизические исследования проводились с помощью автономного комбинированного зонда “MIDAS-CTD+500” фирмы Valeport (Великобритания), который обеспечивает в режиме вертикального зондирования измерение гидростатического давления (глубины), скорости звука, температуры, электропроводности (солености), концентрации кислорода, значения pH и мутности.

2.1. Автономный подводный акустический регистратор (АПАР) Корпус АПАР22 (см. Рис. 1.1) изготовлен из титанового сплава и может применяться для акустических измерений на глубинах до 50 м (два АПАР могут устанавливаться на глубинах до 100 м). К АПАР могут подключаться два наружных датчика (гидрофоны, акселерометры или гидрологическое измерительное оборудование). Внутри АПАР расположены батарейные блоки питания, а также блок электроники и преобразователей электропитания. В экспедиции 2011 г. после лабораторных и натурных испытаний все АПАР были переведены на непрерывную запись акустических сигналов без 22 минутных пауз, как это было раньше. Для этого в бортовой ЭВМ пришлось отказаться от применения флеш-дисков емкостью 1 Гб и соответственно запись данных производится на жесткий диск блоками по 10 Мб. Два ЖД установлены на резиновом амортизаторе, что обеспечило их механическую развязку с корпусом АПАР. Графики спектров собственных шумов АПАР с флешдиском и прямой записью на ЖД для коэффициентов усиления в аналоговом тракте равных 2 и 38 показаны на Рис. 2.1. Автономность АПАР при питании от батареек составляет 52 суток. Компьютер Prometheus может определять жесткий диск емкостью не более 137 Гб, поэтому для увеличения его автономности применяются два жестких диска, что обеспечивает суммарную емкость равную 274 Гб и позволяет АПАР работать непрерывно в течение 52 суток.

22 Габариты АПАР (2003/2005/2006/2007/2009гг.): длина - 0,8 м, диаметр - 0,38 м, вес в воздухе ~155 кг.

Во всех АПАР применяются цилиндрические гидрофоны - модель № GI- (ГИ-50) со встроенными в них предварительными усилителями, изготовленными специально для применения в АПАР. На Рис. 2.2 показан гидрофон, применяемые в АПАР.

Рис. 2.1 – Спектры собственных шумов АПАР измеренные при коэффициенте усиления в аналоговом тракте равном 2 – (а.) и 38 – (b.) c флеш-диском (график черного цвета) и при записи на ЖД без пауз (график красного цвета).

Цифровые регистрирующие блоки АПАР изготовлены на основе одноплатных компьютеров «Прометеус», имеющих встроенный 16-битовый аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для рационального использования динамического диапазона, реализуемого с помощью 16- разрядного АЦП, желательно чтобы амплитуды сигналов были примерно одинаковыми во всем частотном диапазоне измерений. Однако, обычно фоновые шумы имеют наибольшую амплитуду в диапазоне низких частот, и она уменьшается с повышением частоты шума. В ряде случаев, данное АЦП может не обеспечить динамический диапазон, необходимый для корректных акустических измерений фоновых и антропогенных акустических шумов в частотном диапазоне от 1 Гц до 15 кГц. Поэтому необходимое уменьшение на низких частотах чувствительности, используемых в АПАР гидрофонов, обеспечивает предварительный усилитель гидрофона. Такая коррекция выравнивает амплитуды сигналов (аналоговое напряжение) с разными частотами поступающих на вход АЦП. При спектральном анализе акустических данных, полученных с помощью АПАР, осуществляется обратная частотная коррекция.

В 2006 году с помощью увеличения разрешения системного таймера операционной системы QNX и периодической программной коррекции аппаратных часов удалось добиться расхождения компьютерных часов с реальным временем не превышающего 1 минуты за 52 дней работы АПАР в море. Правильность загрузки после включения ЭВМ АПАР подтверждается проигрыванием мелодии. Перед каждой постановкой АПАР в море обязательно записывается эталонный тональный звуковой сигнал, что позволяет при анализе данных проверить правильность установленного в АПАР масштабного коэффициента усиления.

предотвращения искажения акустического поля за счет дифракции или затенения, вызываемых контейнером АПАР в диапазоне высоких частот, гидрофон удален от АПАР на 15 м. Гидрофон размещается внутри металлической пирамидальной рамы, к которой он крепится с помощью резиновых амортизаторов, обеспечивающих его наилучшую изоляцию от воздействия морского дна. В 2011 г. при постановках всех АПАР в море применялись акустические размыкатели (Рис. 2.4). Такая постановка (см. Рис. 2.3) практически исключает возможность несанкционированного подъема АПАР и максимально «изолирует» гидрофон от влияния поверхностных волн.

Рис. 2.4 – Якорь, акустический размыкатель и всплывающий буй.

В АПАР 2011 г. были применены гидрофоны типа ГИ-50. Частотные зависимости чувствительности этих гидрофонов представлены на Рис. 2.5. У всех этих гидрофонов низкочастотная коррекция осуществляется в предварительном усилителе гидрофона, что дополнительно низкочастотной коррекции в аналоговых трактах АПАР [Борисов, 2006]. Список актов метрологической поверки всех гидрофонов примененных в экспедиции 2011 г. представлен в Приложении В, сами акты находятся на приложенном DVD.

Для сравнения уровней шумов, измеренных разными АПАР, все используемые нами в экспедиции акустические измерительные системы должны быть откалиброваны для измерения абсолютных значений акустического давления.

Гидрофоны были изготовлены с известными (сертификаты калибровки представлены в Приложении В) значениями чувствительности, а коэффициенты усиления в аналоговых трактах, устанавливались на месте проведения исследований. Для подтверждения точности калибровки оборудования во время экспедиции была проведена взаимная калибровка (кросс-калибровка).

Дополнительная информация о применяемых в экспедиции 2011 года АПАР мест и глубины их установки, а также параметрах системы регистрации, приведена в Табл.

1.2. Детальное описание характеристик и процесса калибровки акустического регистрирующего оборудования представлено в отчете [Борисов и др., 2007].

Рис. 2.5 - Частотные зависимости чувствительности гидрофонов, использовавшихся в полевом сезоне 2011 г.: (a.) - гидрофоны типа ГИ-50 с чувствительностью 50 мВ/Па, (b.) – гидрофоны типа ГИ-50 с чувствительностью 10 мВ/Па и 5 мВ/Па.

2.1.1. Измерение характеристик АПАР Для того чтобы убедится, что все АПАРы соответствуют заданным характеристикам и производят абсолютные измерения в заданном частотном диапазоне был разработан набор инструментальных тестов (собственные шумы, динамический диапазон и амплитудно-частотная характеристика).

Измерения АЧХ, динамического диапазона и собственных шумов АПАР проводились в 2011 г. в соответствии с методикой, приведенной в отчете [Борисов и др., 2007]. Ниже приведены графики, количественно характеризующие основные параметры АПАР, используемых в полевом сезоне 2011 г.

2.1.2. Собственные шумы АПАР При измерениях собственных шумов АПАР использовался специально изготовленный в 2005 г. эквивалент гидрофона ГИ–50, у которого к входу предварительного усилителя подключен конденсатор, имеющий ту же электроемкость, что и керамика гидрофона. Измерения проводились согласно методике, утвержденной в 2006 г. и представленной в отчете [Борисов и др., 2007].

Результаты измерений собственного шума одного из АПАР показаны на Рис. 2.623.

Рис. 2.6- Собственный шум измерительно-регистрационного тракта АПАР в полосе 23 Результаты измерений не корректировались на сквозную АЧХ.

2.1.3. Динамический диапазон АПАР Результаты измерений динамического диапазона измерительнорегистрационного тракта АПАР, включенного с максимальным масштабным коэффициентом усиления равным 38, показаны на Рис. 2.7. Предельным уровнем звукового давления, воздействующего на гидрофон, считается такой, при котором динамический диапазон ограничен уровнем нелинейных искажений сигнала на выходе измерительно-регистрационного тракта, равным -60 дБ относительно уровня первой гармоники (синий график). При уменьшении уровня входного сигнала на дБ (зеленый график) динамический диапазон АПАР увеличивается до 75 дБ и определяется уровнем третей и пятой гармоник выходного сигнала. Уровень собственных электрических шумов измерительного тракта АПАР с эквивалентом ГИкрасный график) в диапазоне 50-15000 Гц составляет 27 дБ отн. 1 мкПа2/Гц, а максимальное значение 35 дБ отн. 1 мкПа2/Гц, имеет в диапазоне 12 – 30 Гц.

Поскольку уровень нелинейных искажений превышает уровень собственных шумов АПАР, то именно нелинейные искажения и ограничивают динамический диапазон АПАР.

Рис. 2.7 – Результаты измерения динамического диапазона измерительнорегистрационного тракта АПАР.

2.1.4. Амплитудно-частотные характеристики АПАР Амплитудно-частотные характеристики измерительных трактов всех АПАР были измерены в лабораторных условиях с применением широкополосного сигнала типа «белый шум» и на их основе были построены индивидуальные нормированные на значение коэффициента усиления на частоте 1 кГц амплитудно-частотные функции - АЧХ=K(f)/K(1кГц) для их аналоговых трактов (см. Рис. 2.8). Измерения были проведены для 3 коэффициентов масштабного усиления: 2, 8 и 38. На Рис. 2. видна зависимость величины уменьшение K(f) на частотах меньше 15 Гц от коэффициента масштабного усиления, что обусловлено наличием разделительного конденсатора величиной 1 мкФ на выходе предварительного усилителя гидрофона и соответствующим уменьшением входного сопротивления масштабного усилителя при увеличении его коэффициента усиления. Эти функции (см. Рис. 2.9) в совокупности с функцией частотной зависимости чувствительности, применяемого в данном АПАР гидрофона – M(f) (см. Рис. 2.5), применяются для построения сквозных амплитудно-частотных функций, с помощью которых результаты измерений аналогового напряжения приводятся к абсолютным значениям акустического давления в диапазоне частот от 2 Гц до 15 кГц.

Рис. 2.8 – Нормированная на коэффициент усиления на частоте 1 кГц амплитудночастотная характеристика аналогового тракта АПАР, измеренная с помощью сигнала Рис. 2.9 - Нормированные амплитудно-частотные характеристики аналоговых трактов с коэффициентом усиления К=2, 8 АПАР, используемых в экспедиции 2011 года: (а.) АЧХ аналогового тракта АПАР в диапазоне частот до 18000 Гц; (b.) - участок АЧХ в 2.1.5. Результаты измерений характеристик АПАР Характеристики АПАР подтверждаются путем регулярного их измерения согласно методике, представленной в отчете [Борисов и др., 2007]. Результаты индивидуальных испытаний 16 АПАР, проведенных в лабораторных условиях представлены в Табл. 2.1 из которой видно, что основные характеристики всех АПАР соответствуют их спецификациям.

Таблица 2.1 – Характеристики АПАР, измеренные во время лабораторного AUAR serial number Номер АПАР Собственный шум (дБ отн. 1 мкПа/Гц) (1-200 Hz) (200 Hz - 15 kHz) Динамический диапазон, дБ AUAR serial number Номер АПАР Собственный шум (дБ отн. 1 мкПа/Гц) (1-200 Hz) (200 Hz - 15 kHz) Динамический диапазон, дБ 2.2. Гидрологические и батиметрические измерения Акустические исследования сочетаются с эхолотным промером глубин и гидрологическими зондированиями, которые проводятся с помощью автономного гидрологического зонда (Рис. 2.10). Для контроля гидрологической обстановки в двух районах кормления серых китов расположенных на северо-восточном шельфе о.

Сахалин, с помощью этого зонда, проводятся ежегодные гидрологические наблюдения по специальной схеме и разрезам. Эти измерения нужны для оценки временной изменчивости гидрологических характеристик в районах кормления китов и влияния на них метеорологических условий, приливных течений, прибрежного апвеллинга, поступления распресненных вод из Амурского лимана и вод из залива Пильтун.

Основным гидрологическим измерительным устройством был автономный комбинированный зонд – MIDAS CTD +500 производства компании Valeport Limited, Англия. Зонд обеспечивает измерения основных параметров - температуры, электропроводности, скорости звука и давления. Дополнительно он оснащен датчиками растворенного кислорода, мутности и pH. Характеристики зонда приведены в Табл. 2.2, свидетельства периодических калибровок датчиков зонда приведены в Приложении А.

Таблица 2.2 – Технические характеристики – зонда Valeport MIDAS CTD +