Âm học dưới nước: Khám phá Sonar và Giao tiếp trong Môi trường Biển

Đại dương, một thế giới rộng lớn và thường đầy bí ẩn, không phải là một thế giới im lặng. Âm thanh truyền đi cực kỳ tốt dưới nước, khiến âm học trở thành một công cụ quan trọng để hiểu và tương tác với môi trường biển. Hướng dẫn toàn diện này đi sâu vào thế giới hấp dẫn của âm học dưới nước, tập trung vào công nghệ sonar, giao tiếp của động vật biển và tác động của tiếng ồn do con người tạo ra. Chúng ta sẽ khám phá các nguyên tắc, ứng dụng và thách thức của lĩnh vực quan trọng này, mang đến một góc nhìn toàn cầu về tầm quan trọng của nó.

Âm học dưới nước là gì?

Âm học dưới nước là nghiên cứu về sự lan truyền và hành vi của âm thanh trong đại dương và các vùng nước khác. Nó bao gồm một loạt các chủ đề, bao gồm:

• Sự lan truyền âm thanh: Cách sóng âm thanh di chuyển trong nước, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, độ mặn và áp suất.
• Tiếng ồn môi trường xung quanh: Mức độ âm thanh nền trong đại dương, bắt nguồn từ các nguồn tự nhiên (sóng, sinh vật biển) và các hoạt động của con người.
• Giao tiếp bằng âm thanh: Việc sử dụng âm thanh của các loài động vật biển để giao tiếp, định vị và tìm kiếm thức ăn.
• Công nghệ Sonar: Sự phát triển và ứng dụng của các hệ thống sonar cho nhiều mục đích khác nhau, từ định vị đến lập bản đồ dưới nước.
• Tác động của ô nhiễm tiếng ồn: Ảnh hưởng của tiếng ồn do con người tạo ra đối với sinh vật biển và hệ sinh thái.

Các nguyên tắc cơ bản của sự lan truyền âm thanh trong nước

Không giống như không khí, nước là một môi trường đậm đặc hơn, cho phép âm thanh truyền đi nhanh hơn và xa hơn nhiều. Tốc độ âm thanh trong nước xấp xỉ 1500 mét mỗi giây, so với khoảng 343 mét mỗi giây trong không khí. Tuy nhiên, sự lan truyền âm thanh cũng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố:

• Nhiệt độ: Nước ấm hơn thường cho phép âm thanh truyền đi nhanh hơn.
• Độ mặn: Độ mặn cao hơn cũng làm tăng tốc độ âm thanh.
• Áp suất: Độ sâu và áp suất tăng lên dẫn đến tốc độ âm thanh nhanh hơn.

Những yếu tố này tạo ra các kênh âm thanh – các lớp trong đại dương nơi sóng âm có thể truyền đi những khoảng cách xa với sự suy hao tối thiểu. Kênh Âm thanh Sâu (kênh SOFAR) là một ví dụ điển hình, cho phép âm thanh lan truyền qua toàn bộ các lòng chảo đại dương. Hiện tượng này được một số loài động vật có vú ở biển sử dụng, dù là vô tình, để giao tiếp tầm xa.

Công nghệ Sonar: Công cụ chính để khám phá dưới nước

Sonar (Định vị và Đo khoảng cách bằng âm thanh) là một công nghệ sử dụng sóng âm để phát hiện, định vị và xác định các vật thể dưới nước. Nó hoạt động bằng cách phát ra các xung âm thanh và sau đó phân tích các tiếng vọng trở lại từ các vật thể trong nước. Có hai loại sonar chính:

• Sonar chủ động: Phát ra các xung âm thanh và lắng nghe tiếng vọng. Được sử dụng để định vị, phát hiện vật thể và lập bản đồ dưới nước.
• Sonar thụ động: Lắng nghe âm thanh do các vật thể khác phát ra. Được sử dụng để giám sát, theo dõi động vật có vú ở biển và nghiên cứu tiếng ồn dưới nước.

Các ứng dụng của Sonar

Công nghệ sonar có một loạt các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

• Định vị: Tàu thuyền và tàu ngầm sử dụng sonar để tránh chướng ngại vật và định vị dưới nước.
• Ngành thủy sản: Sonar được sử dụng để xác định vị trí các đàn cá và ước tính kích thước của chúng. Đây là một thông lệ phổ biến trên toàn cầu, tác động đến các hoạt động đánh bắt bền vững.
• Lập bản đồ dưới nước: Sonar quét sườn và máy đo độ sâu đa tia được sử dụng để tạo ra các bản đồ chi tiết của đáy biển, rất cần thiết để hiểu địa chất đại dương và lập bản đồ môi trường sống. Các tổ chức như Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO) đang tích cực tham gia vào việc tiêu chuẩn hóa các cuộc khảo sát đo độ sâu.
• Khảo cổ học biển: Sonar được sử dụng để xác định vị trí và nhận dạng các xác tàu đắm và các hiện vật dưới nước khác.
• Thăm dò dầu khí: Sonar được sử dụng để lập bản đồ đáy biển và xác định các mỏ dầu và khí tiềm năng.
• Quốc phòng: Sonar là một công cụ quan trọng trong chiến tranh hải quân, được sử dụng để phát hiện và theo dõi tàu ngầm và các mối đe dọa dưới nước khác.

Các ví dụ về hệ thống Sonar

• Sonar quét sườn (Side-Scan Sonar): Tạo ra hình ảnh của đáy biển bằng cách phát sóng âm sang hai bên của thiết bị kéo.
• Máy đo độ sâu đa tia (Multibeam Echosounder): Sử dụng nhiều chùm âm thanh để tạo ra một bản đồ 3D chi tiết của đáy biển. Được sử dụng rộng rãi trên các tàu nghiên cứu và khảo sát.
• Sonar khẩu độ tổng hợp (Synthetic Aperture Sonar - SAS): Tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của đáy biển bằng cách xử lý dữ liệu từ nhiều lần phát sonar.

Giao tiếp trong môi trường biển: Một bản giao hưởng của những âm thanh dưới nước

Đại dương là một môi trường âm thanh sôi động nơi các loài động vật biển dựa vào âm thanh cho các chức năng thiết yếu khác nhau:

• Giao tiếp: Cá voi, cá heo và các động vật có vú khác ở biển sử dụng các loại âm thanh phức tạp để giao tiếp với nhau, truyền đạt thông tin về giao phối, tương tác xã hội và các mối đe dọa tiềm tàng. Ví dụ, các bài hát của cá voi lưng gù rất phức tạp và khác nhau giữa các quần thể.
• Định vị: Một số loài động vật biển, như cá heo và cá voi có răng, sử dụng định vị bằng tiếng vọng để điều hướng và tìm con mồi. Chúng phát ra các tiếng click và sau đó lắng nghe tiếng vọng để tạo ra một hình ảnh tinh thần về môi trường xung quanh.
• Tìm kiếm thức ăn: Nhiều loài động vật biển sử dụng âm thanh để xác định vị trí con mồi. Ví dụ, một số loài cá có thể phát hiện âm thanh do cá nhỏ hơn hoặc động vật không xương sống tạo ra.
• Tránh kẻ săn mồi: Động vật biển cũng có thể sử dụng âm thanh để phát hiện và tránh kẻ săn mồi. Ví dụ, một số loài cá có thể phát hiện âm thanh của cá mập đang đến gần.

Các ví dụ về giao tiếp của động vật biển

• Cá voi lưng gù: Nổi tiếng với những bài hát phức tạp và ám ảnh, được sử dụng để giao phối và giao tiếp.
• Cá heo: Sử dụng nhiều loại tiếng click, tiếng huýt sáo và các cuộc gọi xung để giao tiếp với nhau.
• Hải cẩu: Sử dụng tiếng sủa và các âm thanh khác để giao tiếp trên cạn và dưới nước.
• Tôm gõ mỏ (Snapping Shrimp): Sử dụng các bong bóng khí tạo ra bằng cách khép càng nhanh để làm choáng con mồi và giao tiếp. Tiếng gõ của chúng tạo ra tiếng ồn đáng kể dưới nước.

Tác động của tiếng ồn do con người tạo ra đối với môi trường đại dương

Các hoạt động của con người ngày càng góp phần gây ô nhiễm tiếng ồn trong đại dương. Tiếng ồn này có thể có những tác động đáng kể đến sinh vật biển, làm gián đoạn các hành vi giao tiếp, định vị và kiếm ăn của chúng. Các nguồn tiếng ồn nhân tạo chính bao gồm:

• Vận tải biển: Các tàu thương mại tạo ra tiếng ồn đáng kể dưới nước, đặc biệt là từ chân vịt và động cơ của chúng.
• Sonar: Các hệ thống sonar quân sự và dân sự có thể tạo ra các sóng âm cường độ cao có thể gây hại cho động vật có vú ở biển.
• Thăm dò dầu khí: Các cuộc khảo sát địa chấn, sử dụng súng hơi để lập bản đồ đáy biển, tạo ra tiếng ồn dữ dội có thể lan truyền đi xa.
• Xây dựng: Đóng cọc và các hoạt động xây dựng khác cũng có thể tạo ra tiếng ồn đáng kể dưới nước. Việc mở rộng các trang trại điện gió ngoài khơi, mặc dù có lợi từ góc độ năng lượng tái tạo, cũng góp phần gây ra tiếng ồn dưới nước trong giai đoạn xây dựng.

Ảnh hưởng đến sinh vật biển

Ảnh hưởng của ô nhiễm tiếng ồn đối với sinh vật biển có thể đa dạng và sâu rộng:

• Tổn thương thính giác: Tiếng ồn lớn có thể gây tổn thương thính giác tạm thời hoặc vĩnh viễn ở động vật có vú ở biển và cá.
• Thay đổi hành vi: Tiếng ồn có thể làm gián đoạn hành vi bình thường của động vật biển, khiến chúng tránh một số khu vực nhất định, thay đổi mô hình kiếm ăn hoặc bị căng thẳng.
• Can thiệp giao tiếp: Tiếng ồn có thể cản trở khả năng giao tiếp của động vật biển với nhau, khiến chúng khó tìm bạn tình, phối hợp săn mồi hoặc cảnh báo nguy hiểm.
• Mắc cạn: Trong một số trường hợp, việc tiếp xúc với tiếng ồn cường độ cao có liên quan đến các vụ mắc cạn hàng loạt của động vật có vú ở biển.

Các chiến lược giảm thiểu

Có một số chiến lược có thể được sử dụng để giảm thiểu tác động của tiếng ồn do con người tạo ra đối với môi trường đại dương:

• Thiết kế tàu yên tĩnh hơn: Phát triển các thiết kế tàu tạo ra ít tiếng ồn dưới nước hơn.
• Giảm tốc độ tàu: Giảm tốc độ tàu có thể làm giảm đáng kể mức độ tiếng ồn.
• Rào cản tiếng ồn: Sử dụng các rào cản tiếng ồn để chặn hoặc giảm sự truyền tiếng ồn từ các hoạt động xây dựng.
• Khu bảo tồn biển: Thiết lập các khu bảo tồn biển nơi các hoạt động gây ồn bị hạn chế.
• Giám sát và Quy định: Giám sát mức độ tiếng ồn dưới nước và điều chỉnh các hoạt động gây ồn để giảm thiểu tác động của chúng đối với sinh vật biển. Các tổ chức như Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA) ở Hoa Kỳ và các cơ quan tương tự ở các quốc gia khác đang tích cực tham gia nghiên cứu và điều chỉnh tiếng ồn dưới nước.

Nghiên cứu hiện tại và các hướng đi trong tương lai

Âm học dưới nước là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng với các hoạt động nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trong một số lĩnh vực:

• Công nghệ Sonar tiên tiến: Phát triển các hệ thống sonar tiên tiến hơn với hiệu suất cải thiện và tác động môi trường giảm.
• Mạng lưới giám sát âm thanh: Thiết lập các mạng lưới hydrophone để giám sát mức độ tiếng ồn dưới nước và hoạt động của động vật biển.
• Phát hiện và giảm thiểu tác động đối với động vật có vú ở biển: Phát triển các công nghệ để phát hiện động vật có vú ở biển và giảm thiểu tác động của tiếng ồn đối với quần thể của chúng. Giám sát Âm thanh Thụ động (PAM) là một công nghệ quan trọng ở đây.
• Hiểu biết về tiếng ồn môi trường đại dương: Tiến hành nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các nguồn và đặc điểm của tiếng ồn môi trường đại dương.
• Âm sinh học: Nghiên cứu hành vi âm thanh của động vật biển để hiểu rõ hơn về các chiến lược giao tiếp, định vị và kiếm ăn của chúng.

Vai trò của Hợp tác Quốc tế

Giải quyết các thách thức của âm học dưới nước đòi hỏi sự hợp tác quốc tế. Các tổ chức như Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) và Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các tiêu chuẩn và thúc đẩy các thực hành tốt nhất để quản lý tiếng ồn dưới nước. Các dự án nghiên cứu hợp tác có sự tham gia của các nhà khoa học từ các quốc gia khác nhau là điều cần thiết để hiểu được tác động toàn cầu của các hoạt động của con người đối với môi trường biển.

Kết luận

Âm học dưới nước là một lĩnh vực quan trọng để hiểu và quản lý môi trường biển. Từ công nghệ sonar đến giao tiếp của động vật biển, âm thanh đóng một vai trò sống còn trong đại dương. Bằng cách hiểu các nguyên tắc của âm học dưới nước và tác động của tiếng ồn do con người tạo ra, chúng ta có thể làm việc để bảo vệ sinh vật biển và đảm bảo việc sử dụng bền vững các đại dương của chúng ta. Nghiên cứu liên tục, tiến bộ công nghệ và hợp tác quốc tế là điều cần thiết để giải quyết các thách thức và cơ hội trong lĩnh vực thú vị và quan trọng này.

Hy vọng rằng việc khám phá về âm học dưới nước này đã làm sáng tỏ sự phức tạp và tầm quan trọng của lĩnh vực này. Từ sự phát triển của các hệ thống sonar tinh vi đến các chiến lược giao tiếp phức tạp của động vật biển, thế giới dưới nước là một môi trường âm thanh sôi động xứng đáng được chúng ta quan tâm và bảo vệ.

Những hiểu biết có thể hành động:

• Hỗ trợ nghiên cứu: Đóng góp hoặc hỗ trợ các tổ chức tham gia vào nghiên cứu âm học dưới nước và bảo tồn biển.
• Thúc đẩy nhận thức: Giáo dục người khác về tầm quan trọng của việc giảm ô nhiễm tiếng ồn dưới nước.
• Vận động chính sách: Hỗ trợ các chính sách thúc đẩy các thực hành vận tải biển yên tĩnh hơn và điều chỉnh các hoạt động gây ồn trong đại dương.
• Cân nhắc lựa chọn hải sản bền vững: Hỗ trợ các ngành thủy sản sử dụng các phương pháp đánh bắt có trách nhiệm nhằm giảm thiểu tác động đến hệ sinh thái biển.