Оптоволокно на дне океана научилось отслеживать движение «молчащих» китов

Подводные оптоволоконные кабели, которые обычно используются для передачи интернет-трафика, теперь могут служить инструментом для наблюдения за китами, даже когда те не издают звуков. Международная группа исследователей разработала метод, основанный на распределенном акустическом зондировании (DAS), который превращает обычные телекоммуникационные линии в гигантские подводные сейсмографы. Технология улавливает вибрации от движения китов, анализируя микроскопические деформации оптоволокна. Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Communications, открывают новые возможности для экологического мониторинга океана без установки дополнительного оборудования.

Как оптоволокно «слышит» китов

Принцип работы DAS основан на эффекте обратного рэлеевского рассеяния. Лазерный импульс длительностью в несколько наносекунд отправляется по оптоволокну. Часть света рассеивается на микронеоднородностях стекла и возвращается обратно. Если участок кабеля деформируется — например, из-за волн или движения морских животных — фаза отраженного света меняется. Сравнивая сигналы от последовательных импульсов, можно определить точку и величину деформации с пространственным разрешением до нескольких метров.

В эксперименте ученые использовали коммерческую систему DAS с частотой опроса 1 кГц, подключенную к 37-километровому оптоволоконному кабелю, проложенному на дне Согне-фьорда в Норвегии. Киты, даже когда молчат, создают заметные возмущения в воде: их плавные движения, взмахи хвоста и само тело, движущееся через толщу воды, порождают слабые акустические волны. Эти волны достигают дна и вызывают микроскопические колебания кабеля, которые DAS регистрирует с высокой точностью. Исследователи смогли идентифицировать проходы нескольких особей, включая финвалов и малых полосатиков, по характерным сигнатурам.

Почему оптоволокно может отслеживать китов, когда они молчат?

Традиционный пассивный акустический мониторинг (PAM) основан на записи звуков, издаваемых китами. Однако многие виды, особенно усатые киты, вокализируют не постоянно. Кроме того, фоновый шум от судов и других источников может заглушать сигналы. DAS же улавливает физическое движение, а не звук, поэтому он работает даже в шумной среде и при молчании животных. Это дает возможность отслеживать китов круглосуточно, независимо от их поведения. Отличие от традиционных методов — гидрофонов и акустических буев — в том, что DAS не требует установки специального оборудования в толще воды. Кабель уже лежит на дне, и для мониторинга достаточно подключить лазерный источник и анализатор на берегу. Это существенно снижает стоимость и сложность наблюдений.

Технические подробности: как работает DAS

Исследователи столкнулись с вызовом: сигнал от кита необходимо отделить от шума волн, течений и сейсмической активности. Для этого они применили алгоритмы машинного обучения, обученные на размеченных данных. Алгоритм выделял характерные паттерны — серию колебаний, соответствующих приближению, проходу и удалению кита. Точность идентификации составила более 90%. В эксперименте использовалась частота опроса 1 кГц, что позволяло регистрировать движения с частотой до 500 Гц — достаточно для улавливания даже быстрых взмахов хвоста.

Важно отметить, что DAS не требует дорогостоящего оборудования на дне: все компоненты, включая лазер и анализатор, располагаются на берегу. Это делает метод масштабируемым — при наличии оптоволоконной инфраструктуры его можно развернуть в любой точке мира. В перспективе существующие телекоммуникационные кабели могут быть использованы для создания глобальной сети мониторинга китов.

Кого затронет и как

Для морских биологов и экологов новый метод означает возможность непрерывного мониторинга китов в районах, где проложены оптоволоконные кабели. Это может помочь в изучении миграционных путей, поведения и численности популяций. Для судоходных компаний и строителей морских сооружений технология позволит заранее узнавать о присутствии китов и избегать столкновений. В России, где оптоволоконные линии связывают, например, Сахалин с материком, метод может быть применен для наблюдения за серыми китами у побережья. Правда, потребуется адаптация алгоритмов под местные виды.

Ограничение метода — он работает только вдоль линии кабеля. Однако с ростом числа подводных оптоволоконных сетей (включая проекты по прокладке кабелей в Арктике) зона охвата будет увеличиваться. Кроме того, DAS может одновременно использоваться для мониторинга землетрясений и течений, что делает его мультифункциональным инструментом.

Что будет дальше

Исследователи планируют расширить эксперимент на более длинные кабели и другие акватории. В перспективе — создание глобальной сети мониторинга китов на основе существующих телекоммуникационных кабелей. Для этого необходимо разработать стандартизированные алгоритмы обработки данных и обеспечить доступ ученых к инфраструктуре. Пока технология находится на стадии прототипа, но уже через несколько лет может стать рутинным инструментом океанологии.

Итог

Распределенное акустическое зондирование на оптоволокне открывает новую эру в наблюдении за морскими гигантами. Возможность отслеживать китов без их акустической активности и в реальном времени — значительный шаг вперед для экологии и сохранения биоразнообразия. Следите за развитием технологии: возможно, скоро каждый подводный кабель станет еще и «ушами» для ученых.