CC BY
152
2011
Известия ТИНРО
Том 164
УДК 597-151:639.2.081.9
М.Ю. Кузнецов*
Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4
ДИСТАНЦИИ РЕАГИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ РЫБ НА ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ШУМЫ ПРОМЫСЛОВЫХ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ СУДОВ И ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ШУМА
Рассматривается один из аспектов проблемы судовых шумов, связанный с реакцией рыб на гидроакустическое поле судна. Обобщены характеристики слуховой функции промысловых видов рыб и характеристики шумового поля, создаваемого промысловыми и научно-исследовательскими судами. Показано, что частотные диапазоны с максимальной энергией спектра шумов судна и максимальной слуховой чувствительности большинства промысловых рыб совпадают. Приводятся результаты оценки дистанции реагирования различных видов рыб на гидроакустические шумы различных типов судов в зависимости от частоты излучаемого звука и слуховых способностей рыб. Стимулом, вызывающим двигательную реакцию рыб, является уровень звукового давления, создаваемый судном в диапазоне максимальной слуховой чувствительности рыб и превышающий слуховой порог на 18-35 дБ в зависимости от вида рыб (порог реакции рыб). Указаны стереотипы поведения различных видов рыб в акустическом поле судна, фазы избегательной реакции и соответствующие им скорости движения рыб. Предполагается, что направленность реакций на нарастающее акустическое поле, как правило, противоположна направлению на источник шума. Анализируются различные факторы, влияющие на реактивность (порог реакции) рыб. С учетом слуховых и ориентационных способностей рыб разных видов приводятся допустимые пределы уровня подводного судового шума, минимизирующие потери улова и погрешности оценки запасов. Отмечается важное значение полученных данных для моделирования двигательного поведения различных видов рыб в шумовом поле судна, а также разработки биотехнических критериев оценки подводных акустических шумов и нормативных требований при проведении акустической аттестации (сертификации) судов промыслового и научного назначения.
Ключевые слова: шум судна, реакция избегания, аудиограмма, слуховой порог, уровень шума, поведение рыб, дистанция реагирования, оценка запасов рыб, улов.
Kuznetsov M.Yu. Distance of certain fish species reaction to underwater noise from fishing and research vessels and admissible levels of the noise // Izv. TINRO. — 2011. — Vol. 164. — P. 157-176.
Reaction of fish to hydroacoustic field generated by a vessel is considered taking into account auditory function of various commercial fish species and parameters of noise field from fishing and research vessels. Frequency range with the maximum energy of vessel noise coincides with range of the highest acoustical sensitivity for
* Кузнецов Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией, e-mail: [email protected].
many commercial fishes. Distance of fish reaction to noise is estimated for certain species and types of vessels in dependence on the sound frequency and auditory ability of fish. The motional reaction is stimulated by sounds within the range of the best acoustical sensitivity if the sound pressure exceeds the auditory threshold (the threshold of fish reaction, different for different species) on 18-35 dB depending on the species. Stereotypes of fish behaviour are described for each species, phases of avoiding reaction and corresponding velocities of fish movement are determined. Direction of reactions to the growing acoustic field is supposed as usually opposite to the direction toward the noise source. Various factors influencing on fish responding to noise (on their reaction threshold) are analyzed. To minimize losses of commercial fishery and biases of marine resources surveys by research vessels, admissible levels of underwater noise are defined taking into account auditory and orientation abilities of the main fish species. Results of the study could be used for modeling of motional behaviour of fish in hydroacoustic field and for acoustic certification of fishing and research vessels.
Key words: vessel noise, avoiding reaction, audiogram, auditory threshold, noise level, fish behaviour, reaction distance, stock estimation, trawl catch.
Введение
Экспериментально доказано, что шум судна может оказывать существенное влияние на уловы промысловых судов и оценки запасов рыб, выполняемые научно-исследовательскими судами (Mitson, 1995; Коротков, 1998; Vabo et al., 2002; De Robertis et al., 2010). Эффекты влияния шумового поля судна на поведение рыб и искажения, таким образом, их естественного распределения и, как следствие, результатов эхо- и траловых съемок исследовались во многих публикациях (Кузнецов, Вологдин, 2009). Резюмируя обзорный материал, можно заключить, что как пелагические, так и придонные рыбы воспринимают шум судна как сильный раздражитель. Дистанция реагирования рыб на шум судна по данным различных исследователей существенно варьирует — от 40 до 500 м и более (чаще от 100 до 200 м) в зависимости от вида (слуховых способностей рыб), времени суток, сезона (физиологического состояния рыб), типа судна (уровня шума) и условий окружающей среды.
Реакция на приближающееся судно у рыб различных этологических групп может существенно различаться и во многом сходна с оборонительной реакцией этих рыб на приближение хищника (Fréon et al., 1993; Vabo et al., 2002; Ferno, Huse, 2003; Skaret et al., 2005). Реакция рыб сопровождается стремлением выйти из шумового поля судна, т.е. уходом рыб с траектории движения судна и заглублением стай. Изменение плотности рыбных скоплений на пути судна и искажение таким образом их естественного распределения показывают возможность погрешности в эхоинтеграционных оценках рыбных запасов. Аналогичные последствия влияния шума судна на поведение рыб могут иметь и траловые оценки. Правда, в некоторых ситуациях, как показывает опыт (Ona, Godo, 1990), избегательная реакция рыб, связанная с заглублением и уплотнением косяков, может, наоборот, повысить эффективность придонных тралений, если горизонтальное избегание невелико. Немаловажное значение имеет селектирующее влияние шумового поля судна (особенно в смешанных скоплениях рыб разных видов и возрастных классов) с искажением истинного размерно-видового состава рыб в траловых уловах и соответственно в акустических оценках. Чтобы повысить достоверность оценки обилия, влияние шумового поля судна на поведение рыб должно быть минимизировано или учтено в виде поправок, компенсирующих это влияние.
Для того чтобы выработать стратегию учета и компенсации шумов судна при оценке запаса рыб, необходимо создать модель двигательного поведения различных видов рыб в шумовом поле судна. Это довольно сложная задача, поскольку модель должна учитывать не только основные параметры акустического поля судна, но и условия, вызывающие реакцию рыб, а также стереотип и
механизм самой реакции предотвращения шумового поля судна, т.е. как эта реакция происходит в реальном масштабе времени. Поэтому на первом этапе целесообразно выполнить оценки дистанции реагирования в зависимости от вида (слуховых способностей) рыб и режима работы судна. Это, в свою очередь, даст основание для дальнейшего развития модели поведения рыб в шумовом поле судна и обоснования поправок, компенсирующих влияние шума на оценки запасов рыб. Влияние шумового поля на уловы промысловых судов может быть минимизировано только техническим снижением уровней подводного шума.
Установлено, что уровни судового шума значительно превышают слуховые пороги рыб (Mitson, 1995; Mitson, Knudsen, 2003). Это означает, что рыбы могут воспринимать шум судна на больших расстояниях. Некоторые виды рыб (например, тресковые и сельдевые) способны воспринимать (детектировать) шумы судов на расстоянии нескольких миль. Поэтому для проведения съемок и оценки запасов рыб траловым и тралово-акустическим методом предпочтительны суда с низким уровнем гидроакустического шума, особенно на наиболее чувствительных объектах (сельди, треске, минтае и др.).
Согласно рекомендации ICES, уровень шума судна на частотах ниже 1 кГц не должен превышать порог восприятия рыбами шума на расстоянии около 20 м (Mitson, 1995). Максимальный допустимый уровень шума — 132 дБ/1 мкПа/1 м — определен по отношению к двум объектам — атлантической сельди и треске — исходя из слуховой чувствительности этих рыб и отношения шум судна/слуховой порог на уровне 30 дБ. Подавляющее большинство промысловых и научно-исследовательских судов, за исключением новых, специально построенных для проведения научных исследований, имеют уровни гидроакустического шума, значительно превышающие рекомендованные ICES (Левашов, Яковленков, 2008; Кузнецов, Вологдин, 2009). Кроме этого, объекты исследований и промысла имеют различные характеристики слуха и соответственно уровни восприятия шумового поля судна. Это указывает на необходимость дальнейших исследований в этой области, в частности определения зон (дистанций) активного реагирования различных видов промысловых объектов в зависимости от уровня шума судов разного класса и назначения и слуховых способностей рыб, а также обоснования допустимых пределов уровня подводного шума, минимизирующих его влияние на поведение различных видов рыб для повышения достоверности оценки запасов и эффективности их промысла.
Цель данной работы — оценить дистанции реагирования основных промысловых видов рыб на шумовые поля судов различного класса и назначения, возможные двигательные реакции рыб, а также допустимые уровни шума судов, выполняющих оценки запасов разных видов рыб.
Материалы и методы
Чтобы показать различия характеристик судового шума и их влияния на поведение рыбных стай, нами выбраны три судна разного класса и назначения.
1. РТМС "Простор" — российское крупнотоннажное промысловое судно типа "Прометей".
2. "Miller Freeman" — американское научно-исследовательское судно. Использовалось Аляскинским центром рыбохозяйственных исследований (AFSC, NOAA USA) для проведения ресурсных исследований в Беринговом море до 2006 г.
3. "Oscar Dyson" — американское судно научно-исследовательского назначения. Построено в 2003 г. с учетом рекомендаций ICES № 209 по шуму. С 2006 г. используется Аляскинским центром рыбохозяйственных исследований (AFSC, NOAA USA) для проведения ресурсных исследований в Беринговом море.
Основные характеристики сравниваемых судов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики судов
Table 1
Technical specifications of vessels
Параметр РТМС "Простор" НИС "Miller Freeman" НИС "Oscar Dyson"
Длина, м 102 65,5 63,8
Ширина, м 15,2 12,8 15,0
Водоизмещение, т 5368 1920 2479
Мощность двигателя, л.с. 3880 2150 3084
Привод Дизель-редукторный Дизель-редукторный Дизель-электрический
Гребной винт ВРШ ВРШ ВФШ
Количество лопастей 3 4 5
Регистрация шумов РТМС "Простор" осуществлялась с помощью широкополосного гидроакустического приемника, расположенного в фиксированной точке акватории на определенной глубине при прохождении траулера на скорости 6 уз поочередно левым и правым бортом на различных траверсных расстояниях от точки регистрации. Методика и аппаратура регистрации и анализа шумов судна подробно изложена ранее (Кузнецов и др., 1979; Кузнецов, Кузнецов, 2007). Характеристики шумового поля и технические характеристики судов "Miller Freeman" и "Oscar Dyson" взяты из литературы (De Robertis, Wilson, 2006; De Robertis et al., 2008). Характеристики слуховой функции рыб (частотные диапазоны слуховой рецепции и уровни чувствительности рыб к звукам) обобщены нами на основе ряда работ в этой области, выполненных в России и за рубежом в разные годы.
Результаты и их обсуждение
Слуховые способности рыб
Слуховая система рыб является предметом биоакустических исследований на протяжении уже нескольких десятков лет. Эти исследования, различные по задачам и методическим подходам, показали, что большинство промысловых видов рыб — сельдевые, тресковые, лососевые и др. — обладают хорошими слуховыми способностями. Диапазон воспринимаемых частот составляет у различных рыб от 0,1 до 2000 Гц, реже — до 5000 Гц (Hawkins, 1981; Сорокин, 1984; Popper et al., 2003; Кузнецов, Кузнецов, 2007). Некоторые виды рыб способны обнаруживать более высокие частоты (> 10 кГц) и ультразвук высокой интенсивности (Astrup, Mohl, 1993; Mann et al., 2002).
На основе данных, взятых из различных источников, автором обобщены спектральные и пороговые характеристики слуховой функции основных промысловых видов рыб. На рис. 1 представлены аудиограммы — зависимости слуховых порогов рыб от частоты звука. Максимальная (пиковая) слуховая чувствительность большинства промысловых видов рыб приходится на частоты 201000 Гц. Слуховые пороги варьируют у различных видов промысловых рыб от 72 до 110 дБ в зависимости от строения внутреннего уха рыб и участия в слуховой рецепции плавательного пузыря и других структур. Плавательный пузырь, как известно, повышает чувствительность рыб к звуку и расширяет диапазон воспринимаемых частот, трансформируя звуковые волны более высокой частоты в низкочастотные колебания (смещения), воспринимаемые рецепторами внутреннего уха (Протасов, 1978). При этом очевидно, что в большей степени плавательный пузырь играет роль в звуковой рецепции, если он соединен с лабиринтом с помощью специализированных структур.
Рис. 1. Аудиограммы некоторых видов промысловых рыб: 1 — тихоокеанская сельдь Clupea pallasii (Сорокин, 1984); 2 — атлантическая сельдь Clupea harengus (Enger, 1967); 3 — дальневосточная сардина Sardinops sagax melanosticta (Сорокин, 1984); 4 — треска Gadus morhua (Chapman, Hawkins, 1973); 5 — минтай Theragra chalcogramma (Mann et al., 2009); 6 — пикша Melanogrammus aeglefinus (Chapman, 1973); 7 — сайда Pollachius pollachius (Chapman, 1973); 8 — атлантический лосось Salmo salar (Hawkins, Johnstone, 1978); 9 — японская скумбрия Scomber japonicus (Сорокин, 1984); 10 — желтоперый тунец Thunnus albacares (Iversen, 1967); 11 — пятнистый тунец Euthunnus affinis (Iversen, 1969); 12 — красноперка Leuciscus brandti (Сорокин, 1984); 13 — звездчатая камбала Pleuronectes stellatus (Сорокин, 1984); 14 — южный одноперый терпуг Pleurogrammus azonus (Сорокин, 1984)
Fig. 1. Audiograms of some commercial fish species: 1 — pacific herring Clupea pallasii (Сорокин, 1984); 2 — atlantic herring Clupea harengus (Enger, 1967); 3 — japanese sardine Sardinops sagax melanosticta (Сорокин, 1984); 4 — cod Gadus morhua (Chapman, Hawkins, 1973); 5 — walleye pollock Theragra chalcogramma (Mann et al., 2009); 6 — haddock Melanogrammus aeglefinus (Chapman, 1973); 7 — pollack Pollachius pollachius (Chapman, 1973); 8 — atlantic salmon Salmo salar (Hawkins, Johnstone, 1978); 9 — japanese mackerel Scomber japonicus (Сорокин, 1984); 10 — yellowfin tuna Thunnus albacares (Iversen, 1967); 11 — kawakawa tuna Euthunnus affinis (Iversen, 1969); 12 — eastern redfin Leuciscus brandti (Сорокин, 1984); 13 — starry flounder Pleuronectes stellatus (Сорокин, 1984); 14 — arabesque greenling Pleurogrammus azonus (Сорокин, 1984)
На рис. 1 видно, что сельдевые виды рыб (сельди и сардина) обладают высокой чувствительностью к звуку в наиболее широком диапазоне частот. Это связано с тем, что плавательный пузырь сельдевых имеет прямой контакт с внутренним ухом с помощью парных воздушных протоков, передающих колебания от плавательного пузыря к лабиринту (Denton, Blaxter, 1976). Плавательный пузырь является по сути усилителем звуковых волн и источником формирования вторичных волн смещения. Поэтому диапазон воспринимаемых звуков у сельдей гораздо протяженнее, чем у других рыб, преимущественно за счет высокочастотной области спектра, где происходит трансформация падающей на плавательный пузырь звуковой волны в волны смещения. Сельдевые виды рыб имеют большое сходство в слуховых способностях (рис. 2, А).
У рыб, не обладающих специализированной связью плавательного пузыря с внутренним ухом, диапазон воспринимаемых частот значительно уже. Например, у
130
С
и
s 120
S3 110
&
>s 100
о м о
и
ч 90
О
80
70
10 100 1000 10000
Частота, Гц
140
130
С
и
5 120
w
ч
S3 110
6
о
с
>S 100 о
м
о
и
ч 90
О
80
70
10 100 1000 10000
Частота, Гц
140
130
а
С
и
5 120
w
ч
S3 110
6
о
с
та 100 о
м
о
и
ч 90
О
80
70
10 100 1000 10000
Частота, Гц
Рис. 2. Аудиограммы рыб сгруппированные по представителям семейств: А — сельдевые, Б — тресковые, В — скумбриевые
Fig. 2. Audiograms of fishes by families: А — Clupeidae, Б — Gadidae, В — Scombridae
Треска -ж- Минтай -+- Пикш а -л- Сайда Б
ж
/ 1,
1
/п х / I
/ / +1 Л L— /к
т-1-1-1—i—i—i i -1-1-1-1—i—i—i i -1-1-1-1—i—i—i—г
тресковых восприятие высокочастотных звуков сильно ограничено, хотя слуховые пороги этих рыб в области максимальной чувствительности достаточно низки (около 80 дБ). Это может быть связано с наличием у плавательного пузыря тресковых направленных к лабиринту отростков, повышающих чувствительность рыб к звуку на частоте собственных колебаний плавательного пузыря. На более высоких частотах участие плавательного пузыря, не имеющего прямой или опосредованной связи с лабиринтом, в звуковой рецепции менее эффективно. По крайней мере 4 представителя тресковых имеют очень близкие сходные слуховые способности (рис. 2, Б).
Среди скумбриевых японская скумбрия Scomber japónicas имеет самый широкий диапазон воспринимаемых звуков (рис. 2, В). Японская скумбрия (род Pneumatophorus) отличается от рода Scomber наличием плавательного пузыря, пульсации стенок которого могут передаваться лабиринту по тканям и внутренним органам или элементам скелета рыб. У тунцов диапазон воспринимаемых частот несколько уже, предположительно из-за большого расстояния между пузырем и лабиринтом. Вместе с тем аудиограммы скумбриевых имеют сходную V-образную форму, но различаются по величине порогов.
У лососей, по имеющимся данным (Hawkins, Johnstone, 1978), характеристики слуховой функции исследованы только для атлантического лосося Salmo salar. Однако сходство анатомии внутреннего уха нескольких разновидностей лососевых (Popper, 1977) и поведения этих рыб, а также представленные на рис. 2 сравнения аудиограмм близкородственных видов позволяют предположить аналогичные слуховые способности, в частности диапазон воспринимаемых частот, и у других видов лососей. Что касается слуховых порогов, то такая экстраполяция может быть сделана с большой осторожностью, поскольку слуховые пороги лососей могут существенно различаться в зависимости от размеров, стадии развития и условий обитания этих рыб и в дальнейшем, видимо, должны быть уточнены экспериментально.
Характеристики шумового поля судна
На рис. 3 показаны спектральные характеристики подводного шума трех судов различного класса и назначения, используемых для промысла и ресурсных исследований. Уровни шума представлены в децибелах относительно 1 мкПа и приведены к расстоянию 1 м (полоса анализа 1 Гц).
Суда, выполняющие оценки запасов рыб, в идеале не должны влиять на поведение рыб, захватываемых эхоинтегрирующей аппаратурой и орудиями лова, или свести это влияние к минимуму. Согласно рекомендации ICES, уровень шума научно-исследовательского судна во время эхосъемки на частотах ниже 2 кГц не должен превышать порог восприятия рыбами шума на расстоянии 20 м (Mitson, 1995). Исходя из этого построена частотная характеристика допустимых уровней подводного шума, ниже которых влиянием шума судна на поведение рыб можно пренебречь (рис. 3).
Рыбопромысловое судно РТМС "Простор" очень шумное. Превышение уровня шума относительно рекомендованного ICES при скорости судна 6 уз достигается на частотах до 160 Гц 30 дБ (приблизительно в 30 раз). Выше 160 Гц шумы этого траулера также значительно превышают требования ICES (на 15-20 дБ), предположительно за счет высокой кавитации винта, состоящего из трех лопастей.
НИС "Миллер Фримен" также имеет высокий уровень шума. На частотах до 100 Гц при скорости 11 уз (скорость судна во время эхосъемки) оно создает шум намного выше рекомендованного (максимально на 30 дБ, частота 40 Гц). На частотах свыше 100 Гц шумы этого судна значительно ниже, чем у РТМС "Простор", но превышают на различных частотах рекомендуемый ICES уровень для научно-исследовательских судов на 3-10 дБ как на свободном ходу, так и во время траления (рис. 3). Только на частотах выше 1000 Гц уровни шума НИС "Миллер Фримен" не превышают требуемые значения.
160 150
S
a 140 С
и S
^ 130 w
4 ■tí
5 120
a
g 110 м
о
6
^ 100
90
80
10 100 1000 1000C
Частота, Гц
Рис. 3. Рекомендуемый ИКЕС уровень шума (Mitson, 1995) и характеристики подводного шума, излучаемого различными судами: РТМС "Простор" (6,0 уз); НИС "Миллер Фримен" на свободном ходу (11,0 уз) и с пелагическим тралом (3,3 уз) (De Robertis, Wilson, 2006); НИС "Оскар Дайсон" на свободном ходу (11,0 уз) (De Robertis et al., 2008)
Fig. 3. Vessel noise level recommended by ICES (Mitson, 1995) and parameters of underwater noise radiated by certain fishing and research vessels moving with different speed: refrigerator-trawler «Prostor», 6.0 kn.; research vessel «Miller Freeman», 11.0 kn. and 3.3 kn. (with pelagic trawl) (De Robertis, Wilson, 2006); research vessel «Oscar Dyson», 11.0 kn. (De Robertis et al., 2008)
НИС "Оскар Дайсон" — представитель судов нового поколения, построенных в исследовательских целях с учетом рекомендаций ICES по шуму. На судах данного типа применяется малошумное электродвижение (дизель-электрическая силовая установка), фиксированный шаг гребного винта, специальная конструкция корпуса и другие конструктивные решения, используемые ранее только при постройке военных кораблей. Кроме того, достигается низкая кавитация винта, состоящего из пяти лопастей вместо обычных трех или четырех. Уровень шума этого судна не превышает рекомендуемый ICES уровень во всем диапазоне частот, доступных слуху рыб. Превышение измеренного нами уровня шума рыбопромыслового судна РТМС "Простор" с дизель-редукторным приводом над так же оцененным шумом НИС "Оскар Дайсон" на частоте 100 Гц составляет около 28 дБ (рис. 3). Для НИС "Миллер Фримен" (дизель-редукторный привод) эта разница составляет 11 дБ (в 3,6 раза).
Дистанции реагирования рыб
Анализ спектров шумов судна показал наличие на всех графиках наиболее интенсивных составляющих в диапазоне частот до 500 Гц и существенное уменьшение уровня шума на частотах выше 1000 Гц (рис. 3). Такая характеристика шума является типичной для большинства судов (Mitson, 1995; Vessel noise ..., 2004).
Как видно на рис. 1, 3, частотные диапазоны с максимальной энергией спектра шумов судна и максимальной слуховой чувствительностью большинства исследованных промысловых рыб совпадают. По результатам анализа зависимости слуховых порогов рыб от частоты звука и спектрально-энергетических характе-
ристик судового шума можно оценить дистанции реагирования различных видов рыб на приближающееся гидроакустическое поле, а также прогнозировать их двигательную активность вблизи судна (Кузнецов, 1996).
Согласно информации рабочей группы FAST и ICES (Mitson, 1995; Vessel noise ..., 2004), двигательную реакцию (реакцию избегания) рыбы начинают проявлять, когда уровень шума судна превысит их слуховой порог приблизительно на 30 дБ и более. Исходя из предложенной максимально допустимой дистанции реагирования 20 м порог реакции (или уровень судового шума, способный вызвать реакцию рыб) составляет 132 дБ/1 мкПа/1 м. Этот порог определен по отношению к наиболее чувствительным объектам — сельди и треске, обитающим в Северной Атлантике, и принят ICES в качестве максимально допустимого уровня шума для всех видов рыб.
На рис. 1 показано, что различные объекты исследований и промысла имеют разные характеристики слуха (частотные диапазоны и слуховые пороги). Кроме того, рыбы различаются по своей способности выделять полезный сигнал на фоне окружающего шума в среде их обитания. Например, скумбрия имеет более низкий слуховой порог по отношению к лососю, а ее способность выделять сигнал из шума гораздо хуже: отношение слуховой порог/шум в области максимальной чувствительности у японской скумбрии составляет 30-35 дБ против 21-23 дБ у атлантического лосося (Hawkins, Johnstone, 1978; Сорокин, 1984). Поэтому более корректно в качестве порога реакции использовать значения создаваемого судном звукового давления, при котором рыбы определенного вида способны выделять сигнал из шума и адекватно реагировать на него.
Различают два вида воздействия звука на рыб: энергетическое и информационное (Протасов и др., 1973). Информационное воздействие предполагает восприятие рыбами звуков биологического происхождения, сопровождающих внутри- и межвидовые отношения морских животных. По своему информационному содержанию биологические сигналы являются для рыб безусловными раздражителями, вызывающими у них стереотипно-проявляющиеся двигательные реакции (Протасов, 1978). Очевидно, что при их излучении в среду даже небольшие превышения слухового порога способны вызвать двигательную реакцию рыб. Акустическое поле, создаваемое судном, имеет техническое происхождение и оказывает на рыб скорее энергетическое, чем информационное воздействие, поскольку его содержание не имеет для рыб биологического (сигнального) значения. Как известно, при энергетическом воздействии реакция рыб зависит в первую очередь от интенсивности и продолжительности излучения, т.е. от того, насколько величина звукового давления сигнала превышает окружающий шум (Воловова, 1978). Поэтому в данном случае необходимо минимальный воспринимаемый рыбами уровень шума (слуховой порог) принять за фоновый шум, а уровень звукового давления, достигающий в точке приема определенного значения, превышающего фоновый шум на величину, достаточную для возникновения двигательной реакции, считать порогом реакции.
Для большинства промысловых рыб пороговые отношения шум судна/фоновый шум (или сигнал/шум) составляют от 18 до 35 дБ в диапазоне частот максимальной слуховой чувствительности (Сорокин, 1984; Кузнецов, 1996; Кузнецов, Кузнецов, 2007). Зная уровни звукового давления, создаваемого судном в диапазоне слуха рыб, и пороговые значения уровня звукового давления (порога реакции), можно определить дистанции, на которых теоретически возможна двигательная реакция рыб на акустическое поле судна.
Рис. 4 демонстрирует потенциально возможные (расчетные) дистанции реагирования различных видов промысловых рыб на шум судна в частотных диапазонах слуха рыб. Значительные расхождения в дистанции реагирования рыб одного вида на шум приближающегося судна определяет в первую очередь уровень (интенсивность) звукового поля, излучаемого судном. Например, малошумное судно "Оскар Дайсон" рыбы способны обнаружить на значительно меньших рас-
Треска
Атлантический лосось
Японская скумбрия
40 100 200 300 350 400 450 Частота, Гц Тихоокеанская сельдь
20 40 80 160 300 500 960 1300 2600 3900 5200 Частота, Гц
-РТМ С "Простор"
-НИС "Миллер Фрим ен
-НИС "Миллер Фрим ен
с тралом -НИС "Оскар Дай сон"
30 40 50 60 100 160 200 300 400 450 Частота, Гц Дальневосточная сардина
30 60 110 160 250 300 380 Частота, Гц Атлантическая сельдь
-РТМ С "Простор"
-НИС "М иллер Фрим ен1
»НИС "М иллер Фрим ен1
с тралом -НИС "Оскар Дайсон"
20 40 80 160 300 500 960 1300 2600 Частота, Гц
Желтоперый тунец
20 30 50 100 200 400 600 800 1000 2000 3000 Частота, Гц Красноперка
-РТМ С "Простор"
-НИС "М иллер Фрим ен1
-НИС "М иллер Фрим ен1
с тралом -НИС "Оскар Дайсон"
10 9-
20 40 80 160 300 500 960 1300 2600 3900 Частота, Гц
50 60 80 100 200 300 500 800 900 1000 1100 Частота, Гц
20 40 80 160 300 500 960 1300 Частота, Гц
Рис. 4. Дистанции реагирования различных видов промысловых рыб на шумы судов различного класса и назначения Fig. 4. Distance of reaction to underwater noise from different vessels for certain commercial fish species
стояниях, чем НИС "Миллер Фримен". Шум рыбопромыслового судна РТМС "Простор" имеет максимальную дальность действия на гидробионтов, особенно на частотах выше 100 Гц. Дистанции реагирования рыб различных видов также существенно варьируют в зависимости от их слуховых способностей.
Двигательное поведение рыб в шумовом поле судна
Чтобы разработать методику учета и компенсации шумов судна при проведении тралово-акустических съемок, необходимо знать стереотипы поведения и двигательных реакций различных видов рыб на нарастающее шумовое поле.
При наплывании судна на скопление формируются разнородные по интенсивности, направлению и скорости поведенческие реакции рыб на внешний раздражитель. Как было отмечено выше, двигательная реакция начинается, когда звуковое давление стимула на частотах повышенной слуховой чувствительности данного вида рыб превышает заданный порог (порог реакции). Первая фаза реакции — увеличение двигательной активности рыб. За счет нарастания уровня звукового давления шума объект приходит в возбуждение: становится выше плотность скопления, растет скорость движения рыб, особи совершают быстрые беспорядочные перемещения внутри косяка или стаи (Кузнецов, 2007). Причина таких движений в том, что рыбы слышат звук, реагируют на него, но не могут определить направление прихода звуковой волны. В период возбуждения отсутствует единая ориентация рыб в стаях, а сами стаи характеризуются высокой маневренностью (Павлов, Касумян, 2003).
Способность рыб к определению направления на источник шума зависит от того, насколько его интенсивность (звуковое давление) превышает фоновый шум. Рыбы способны локализовать источник звука, когда превышение сигнала над фоном (пороговым шумом) составит не менее 20 дБ (Fay, 1997). Тогда наступает вторая фаза реакции — типичная реакция избегания. Направленность двигательной реакции рыб на нарастающее акустическое поле судна, как правило, противоположна направлению на источник (Кузнецов, Кузнецов, 2007). Рыбы стремятся минимизировать величину звукового стимула, действующего на их слуховые рецепторы. Иначе говоря, движение рыб осуществляется в направлении, противоположном градиенту звукового давления шума, создаваемого судном. Известно, что рыбы в косяках более реактивны, чем в рассеянном состоянии (Gerlotto et al., 2004). Характерным признаком второй фазы реакции является параллельная ориентация (поляризация) особей, что вызывает дополнительное уплотнение стаи или косяка и скоординированное перемещение поляризованных рыб из области с высокой интенсивностью звука (Fréon et al., 1993).
Для сельди было показано (Misund et al., 1996), что косяки рыб движутся от судна не прямолинейно, а зигзагообразно. Эти движения, видимо, вызваны тем, что ориентация рыб в пространстве осуществляется с участием трех отоли-товых органов лабиринта (внутреннего уха) — саккулюса, утрикулюса и лагены. Каждый из этих органов, благодаря поляризации волосковых клеток в макуле, проявляет избирательную чувствительность к звукам определенной направленности (Fay, 1984; Popper, Platt, 1993; Lu, Popper, 2001; Kasumyan, 2005). Увеличение силы электрических ответов в одном из органов относительно других вызывает изменение направления движения рыбы и стаи в целом в сторону уменьшения (минимизации) стимула. Зигзагообразные движения стаи позволяют рыбам избежать возмущенной области с минимальными энергетическими затратами.
При попадании в ближнее акустическое поле судна одновременно происходит опосредованное (через плавательный пузырь) и прямое воздействие звуковой волны на слуховые рецепторы рыб (Касумян, 2005). Рыбы получают дополнительный импульс возбуждения и отвечают более сильной направленной реакцией избегания. Это третья фаза реакции, которая происходит на очень близком расстоянии от судна, примерно равном четверти длины волны (на частоте
100 Гц длина волны составляет около 15 м). Рыбы реагируют отчетливым боковым и вертикальным движением в стороны от корпуса судна (Soria et al., 1996). В этот момент скорость движения рыб близка к бросковой.
Дистанции реагирования на рис. 4 соответствуют первой фазе реакции. Влияние шума на распределение рыб вокруг судна в первой фазе, видимо, несущественно, поскольку отсутствует направленное движение рыб от источника шума, хотя быстрые беспорядочные движения рыб внутри стаи тоже могут стать причиной перемещения всего косяка или стаи. Чтобы получить дистанции, на которых происходит непосредственное избегание рыбами судна, т.е. вторая фаза реакции, необходимо повысить порог реакции на величину, достаточную для локализации судового шума (~ 20 дБ). Дистанции реагирования рыб на рис. 4 сократятся при этом приблизительно в 10 раз.
Взаимодействие судна и стаи рыб развивается в соответствии с формой пространственного распределения (характеристикой направленности) акустического поля вблизи судна. Реакция сопровождается, как правило, уходом рыб в сторону от судна и (или) их вертикальным перемещением. Соответственно можно выделить горизонтальную (Уг) и вертикальную (Ув) составляющие скорости движения рыб (рис. 5). Результирующие векторы скорости (направления) движения рыб от судна (Ур) определяются видовым стереотипом защитного двигательного поведения объектов различных этологических групп и размеров (возрастных классов) на шумовой раздражитель. Оборонительная (защитная) реакция малоподвижных придонных рыб (треска, пикша, крупный минтай) характеризуется в большей степени их затаиванием, чем стремлением уйти из опасной зоны,
поэтому у этих рыб преобладают вертикальные составляющие скорости (V ). Реакция быстрых приповерхностных рыб (скумбрия, тунцы, лососи) характеризуется более активным горизонтальным избеганием шумового поля судна. Вертикальная составляющая скорости движения этих рыб невелика. Реакция вертикально мигрирующих видов рыб (сельди, ставрида, молодь тресковых) сопровождается как горизонтальными, так и вертикальными их движениями (Кузнецов, 1996).
Рис. 5. Реакции рыб в шумовом поле судна
Fig. 5. Fish reactions in field of noise from a vessel
Горизонтальная составляющая скорости (Vr) связана с продолжительностью движения и может быть бросковой, максимальной и крейсерской (максимальной поддерживаемой) (Коротков, 1998). С крейсерской скоростью рыба способна плыть несколько часов (стайерская скорость), а в некоторых ситуациях, например при миграциях, — несколько суток (неутомляющая скорость). Обычно она составляет 1-3 L^c — длина тела) в зависимости от размера и вида рыб: 2-3 L/c у быстрых пелагических и 1-2 L /с у малоподвижных придонных объектов (Аминева, Яржомбек,
вания двигательной реакции и структуры скопления рыб в первой фазе реакции (возбуждение объекта) крейсерская скорость наиболее приемлема.
Максимальные скорости движения могут поддерживаться, по одним данным, от нескольких секунд (спринтерская скорость) до нескольких десятков минут (скорость средних дистанций) (Аминева, Яржомбек, 1984). По другим данным, максимальные (максимально продолжительные) скорости плавания рыбы способны сохранять от 20 до 200 с (He, Wardle, 1988). В зависимости от вида и размера рыб они составляют 3-10 L^c и характерны для второй фазы реакции избегания.
Максимальная скорость рыб может быть определена по формуле H.H. Андреева (1977):
V = a ■ L + b, (1)
макс р '
где V^ — скорость рыбы, м/с; Lр — длина тела рыбы, м; а и b — эмпирические коэффициенты, связанные с видом рыбы. Для быстрых пелагических рыб (тунцы, лососи, скумбрия, ставрида и др.) а = 4, b = 2,20; для промежуточной группы рыб (тресковые, сельдевые, кефаль, судак и др.) а = 3, b = 0,65; для частиковых (карп, сазан, краснопёрка, карась и др.) а = 2, b = 0,50; для малоподвижных донных (бычки, камбалы, морской окунь и др.) а = 1, b = 0,25. Как показали расчеты, эмпирические коэффициенты в формуле 1 не являются универсальными для разноразмерных рыб одного вида (Коротков, 1998).
Другими исследованиями (Аминева, Яржомбек, 1984) установлена зависимость скорости плавания рыб от длины рыбы и частоты ударов хвостового плавника (частоты ундуляции):
V = 0,7 ■ f ■ L , (2)
макс р
где f — частота ундуляции, Гц. Максимальная частота ундуляции колеблется у разных видов рыб от 10 до 30 Гц.
Бросковая скорость наблюдается на очень близком расстоянии от судна (в ближнем акустическом поле) и характерна для третьей фазы двигательной реакции рыб. Бросковая скорость поддерживается от долей до нескольких секунд (Аминева, Яржомбек, 1984), по данным He, Wardle (1988) — до 20 с. При бросках рыбы в зависимости от вида и размера способны развивать скорость от 6 до 30 и более L^c (Аминева, Яржомбек, 1984; He, Wardle, 1988; Коротков, 1998).
Вертикальные скорости перемещения рыб ограничены влиянием гидростатики на живой организм. Максимальные скорости погружения составляют 0,50,7 м/с. Скорость подъёма обычно не превышает 0,5 м/с (Честной, 1977).
Величина избираемой в каждый момент времени скорости движения является переменной величиной, зависящей от уровня сигнала, вида, размера и физиологического состояния рыб. Переход от одной скорости к другой и границы этих переходов в процессе реакции тоже весьма условны. Например, с приближением судна горизонтальная скорость перемещения рыб может плавно изменяться от крейсерской до максимальной, а при увеличении расстояния до судна опять снижаться до стайерской или даже фоновой. Время старта бросковой скорости плавания рыб вблизи судна также может существенно варьировать в связи с состоянием и возрастом рыб, влиянием разнообразных биотических и абиотических факторов. Поэтому горизонтальная и вертикальная составляющая скорости и направления движения рыб в пространстве вокруг судна и их результирующая для каждого вида и размера рыб должны уточняться эмпирически в модельных (экспериментальных) и промысловых условиях с учетом температурного режима вод и физиологического состояния объекта.
Интенсивность влияния шума на поведение и оценки запаса рыб
Вышеприведенные оценки дистанции реагирования и двигательного поведения рыб отнюдь не означают, что на шум судна отвечают все без исключения стаи рыб, находящиеся впереди судна. Исследования атлантической сельди Clupea
harengus на НИС «Johan Hjort» в Северном море показали, что эхолотом не были обнаружены 44 % косяков, зарегистрированных гидролокатором впереди судна (Misund et al., 1993). В другом эксперименте на шум приближающегося судна реагировали приблизительно 20 % всех косяков сельди C. harengus (Misund et al., 1996). В пределах сектора ± 200 относительно курса судна доля реагирующих косяков составляла приблизительно 50 %. Расстояния, на которых косяки сельди реагировали на шум судна, варьировали приблизительно от 25 до 1000 м впереди судна. Горизонтальное избегание близко к судну вызывает недооценку приблизительно 20 % биомассы сельди. Согласно другим источникам, волна избегания в дальнем акустическом поле может вовлечь до 41 % косяков смешанных скоплений мелкой сардины Sardina pilchardus и анчоуса Engraulis encrasicolus впереди судна (Misund, Aglen, 1992). В экспериментах со ставридой Trachurus murphyi количество стай, уклонившихся (отвернувших) от судна, составляло от 35 до 65 % в зависимости от размерного состава и физиологического состояния рыб (Гончаров и др., 1991). Дистанция реагирования ставриды на шум приближающегося судна варьирует в различных районах исследований от 80 до 340 м. Кроме этого, скопления рыб реагировали на судно увеличением глубины погружения на 26-34 м.
В экспериментах с сельдью C. harengus в зимовальный период реакция избегания вызывала уменьшение энергии эхосигнала ночью в среднем на 84 % в диапазоне глубин от 40 до 100 м (Vabo et al., 2002). Эффект реакции постепенно снижался на глубинах ниже 100 м, но был еще заметен в ночное время до глубины 150 м. Результаты других экспериментов показали, что нерестующая сельдь C. harengus не проявляла никаких признаков реакции к шуму судна, проходящего на скорости 10-11 уз на расстоянии 8-40 м от точки регистрации (Skaret et al., 2005).
Сравнение оценок обилия преднерестового минтая Theragra chalcogramma, зарегистрированного судами NOAA США "Миллер Фримен" и "Оскар Дайсон" при проведении тралово-акустических съемок в зал. Аляска, показало, что НИС "Миллер Фримен" обнаруживает значительно меньше рыбы, чем малошумное судно "Оскар Дайсон". В районе о-вов Шумагина, где скопления минтая были распределены между глубинами 100 и 200 м, сила обратного поверхностного рассеяния Sa (м2/милю2), зарегистрированного судном "Миллер Фримен", составила на 31 % меньше по сравнению с НИС "Оскар Дайсон". В прол. Шелихова, где минтай был распределен на глубине 200-300 м, Sa была меньше на 13 % (De Robertis et al., 2010). В районе о. Богослова, где рыба находилась в диапазоне глубин 400-700 м, различие Sa не было выявлено. Эта тенденция уменьшения разницы оценок акустической плотности с глубиной расположения рыб связывается с ослаблением реакции рыб на шумовой раздражитель при увеличении расстояния от судна до косяка (глубины) и подтверждается результатами наших расчетов (см. рис. 4).
В другом эксперименте с использованием встроенного в буй эхолота EK60 в районе о-вов Шумагина (зал. Аляска) также было показано более сильное уменьшение энергии эхосигнала от скопления преднерестового минтая и, кроме этого, большее увеличение глубины расположения рыб, связанное с проходом НИС "Миллер Фримен", по сравнению с НИС "Оскар Дайсон" (De Robertis, Wilson, 2010). Для "Миллер Фримен" отношение Sa в момент прохода буя к фоновой (до начала действия стимула) составляла 0,69 в диапазоне глубин до 125 м и 0,85 во всем слое. Минтай начинал реагировать на шум "Миллер Фримен" на расстоянии приблизительно 270 м от судна, что хорошо согласуется с расчетными дистанциями реагирования минтая и других тресковых на шум этого судна. Исходное распределение рыб после прохода "Миллер Фримен" восстанавливалось более 5 мин. Реакция минтая на НИС "Оскар Дайсон" была более слабой. Отношение Sa для "Оскар Дайсон" составляло 0,88 на глубинах до 125 м и 0,96 во всем слое. Расстояние до скопления минтая под килем этого судна было около 50 м, что совпадает с расчетной дистанцией реагирования (рис. 4). Поэтому предпола-
гается, что шум НИС "Оскар Дайсон" не оказывает существенного влияния на распределение и оценки запаса этих рыб.
Кроме того, различаются величины плотности рыб, измеренные эхолотами судов на свободном ходу и во время траления. По информации Ona, Godo (1990), реакция рыб на судно без трала более слабая, чем на судно с тралом. Эту информацию подтверждают результаты другого исследования, согласно которым среднее обратное рассеяние минтая, зарегистрированное подкильным эхолотом судна, двигающегося на свободном ходу со скоростью 11-12 уз, было значительно выше по сравнению с тралящим (3-4 уз) (De Robertis, Wilson, 2006). Для НИС "Миллер Фримен" с пелагическим тралом и промыслового судна с донным тралом разница составила соответственно 16 и 22 %. В обоих случаях снижение акустического обратного рассеяния, регистрируемого эхолотом во время траления, означает уменьшение плотности рыб под судном. Как видно на рис. 2, уровни шума НИС "Миллер Фримен" на свободном ходу и идущего с тралом различаются несущественно. Соответственно не сильно различаются расчетные дистанции реагирования минтая в шумовом поле этого судна (см. рис. 4). Уменьшение плотности регистрируемых рыб при тралении, видимо, связано со скоростью перемещения судна, а не с усилением реакции рыб. Поскольку скоростные характеристики рыб во время траления становятся сопоставимыми со скоростью движения судна, увеличивается количество рыб, успевающих покинуть озвучиваемое пространство перед судном и соответственно захватываемую эхолотом зону обзора.
Таким образом, значительные расхождения в дистанции и силе реакции рыб на шум приближающегося судна, видимо, в первую очередь определяет уровень (интенсивность) звукового поля, излучаемого судном. Как видно на рис. 3, характеристики подводного шума, излучаемого различными научно-исследовательскими и промысловыми судами, могут существенно различаться. Кроме этого, на дистанции реагирования существенно влияют характеристики слуховой чувствительности рыб (см. рис. 4), а также способности рыб выделять полезный сигнал и определять направление на его источник.
Не меньшее значение имеют внутренние мотивации объекта, определяющие пороговые значения уровня шума, вызывающего соответствующую двигательную реакцию. Например, сельдь — стайный объект, который при действии внешних стимулов формирует высоко синхронизированные и поляризованные группы (Pitcher, 1983; Fernö et al., 1998). Защита от хищника является первичной функцией стаи (Pitcher, Parrish, 1993). Даже те виды рыб, у которых стайность выражена относительно слабо, при возникновении опасности проявляют согласованное стайное поведение (Павлов, Касумян, 2003). Косяки сельди, мигрирующие к местам нереста, являются большими, плотно упакованными, их плавание происходит достаточно быстро и глубоко (Nottestad et al., 1996). Эти маневры увеличивают эффективность синхронизированного поведения стаи в случае опасности и уменьшают риск обнаружения хищниками, т.е. максимизируют вероятность выживания и успешного завершения воспроизводства (Pitcher, Parrish, 1993). В преднерестовый период рыбы проявляют наиболее сильную реакцию избегания шумов судна (Vabo et al., 2002; De Robertis, Wilson, 2010).
В отличие от зимовального периода и преднерестовых миграций, во время нереста порог оборонительной (избегательной) реакции сельди на приближение судна существенно возрастает, т.е. компромисс между выживанием (избеганием опасности) и воспроизводством для нерестящихся рыб смещен в сторону воспроизводства. Уменьшение реактивности сельди и многих других рыб (вплоть до полного ее отсутствия) в течение нереста значительно снижает влияние шумового поля судна на акустические оценки запаса.
После нереста кормление становится доминирующим фактором, определяющим двигательное поведение рыб. Нагульный период является самым продолжительным в жизни рыб. Начальный его этап характеризуется активным поиском
пищи и максимальной интенсивностью питания. В этот период косяки сельди более разрозненные, гораздо меньшего размера, свободно плавающие и активно питающиеся вблизи поверхности (Nottestad et al., 1996). Реакции избегания шумового поля судна у только что отнерестившихся рыб слабая, что также является отражением компромисса между необходимостью быстрого пополнения жировых запасов и избегания опасности, требующего определенных энергетических затрат. По мере нагула и созревания гонад растет реактивность рыб в акустическом поле судна: увеличиваются количество реагирующих стай, дистанция реагирования и скорость движения рыб в стаях (Гончаров и др., 1991).
Суммируя вышеизложенное, можно заключить, что рыбы наиболее реактивны в преднерестовом состоянии. Питающиеся рыбы менее активны, и индифферентны к акустическим раздражителям нерестящиеся объекты (максимальный порог реакции). Следует, однако, подчеркнуть, что поведение и двигательные реакции рыб на подвижные источники шума часто оказываются еще более сложными, поскольку отражают взаимодействие внутреннего состояния рыб, условий среды и внешних стимулов и невозможно выделить какой-то один доминирующий фактор, определяющий их поведение (Кузнецов, Кузнецов, 2007).
Допустимые уровни шума
Как было показано выше, стимулом, инициирующим двигательную реакцию рыб, является уровень звукового давления, создаваемый судном в диапазоне максимальной слуховой чувствительности рыб и превышающий слуховой порог на определенную величину в зависимости от вида рыб — порог реакции рыб. Реакция рыб в первой фазе, когда они еще не способны локализовать источник шума, сопровождается увеличением скорости перемещения рыб внутри скопления или стаи и маневренности (подвижности) агрегаций. Дистанции реагирования для этой фазы реакции приведены на рис. 4. Увеличение двигательной активности рыб, видимо, не оказывает существенного влияния на плотность распределения скоплений впереди судна, если они состоят из разрозненных косяков небольшого размера или разреженных стай питающихся рыб. Совсем другая ситуация может возникнуть, когда скопление образует протяженную агрегацию, горизонтальное развитие которой составляет несколько десятков или сотен метров. При локализации шума ее пограничными косяками, которые ближе всего расположены к источнику шума, и их направленном перемещении от судна общее возбуждение рыб в стае способно лавинообразно вовлечь в это движение другие, в том числе находящиеся на дистанции первой фазы реакции.
Ориентационную способность и направленное движение от судна (т.е. непосредственно реакцию избегания) рыбы начинают проявлять на более близких расстояниях, когда интенсивность нарастающего шума превысит вызывающий первую фазу реакции шумовой фон (порог реакции) приблизительно на 20 дБ (Fay, 1997, обобщенные данные). Таким образом, чтобы исключить влияние шума на распределение рыб вблизи судна, его уровень в диапазоне максимальной слуховой чувствительности не должен превышать определенный для каждого вида рыб порог реакции избегания, соответствующий второй фазе реакции. Этот уровень звукового давления, создаваемый судном в точке приема (в месте расположения рыб), является допустимым уровнем шума, ниже которого эффектами избегания рыбами судна можно пренебречь. В табл. 2 приведены характеристики слуховой функции некоторых видов рыб и допустимые уровни подводного судового шума, минимизирующие погрешности оценки запасов и потери улова, возникающие за счет избегательной реакции рыб. При таком уровне шума фактически полностью исключается его влияние на распределение рыб, даже если объект находится в непосредственной близости от судна. На практике значения предельного уровня шума подлежат коррекции с учетом глубины обитания рыб. Например, скопления минтая во время тралово-акусти-ческой съемки расположены в диапазоне глубин от 50 до 150 м. В этом случае
уровень шума судна в диапазоне максимальной слуховой чувствительности данного вида рыб не должен превышать 150 дБ/1 мкПа/1 м. Эффект реакции скоплений минтая на глубинах ниже 50 м будет отсутствовать.
Таблица 2
Характеристики слуховой чувствительности и допустимые значения уровня подводного судового шума для различных видов промысловых рыб
Table 2
Characteristics of acoustical sensitivity and admissible level of vessel noise for certain commercial fish species
Вид Диапазон восприни- Диапазон максимальной Пиковая Слуховой Допустимый
маемых частот, Гц чувствительности, Гц частота, Гц порог, уровень шума, дБ/1 мкПа дБ/1 мкПа/1 м
Тихоокеанская сельдь
Clupea pallasii 20-5200 40-1200 300-500 84 125
Атлантическая сельдь
Clupea harengus 30-4000 30-1000 100 75 115
Дальневосточная сардина
Sardinops sagax melanosticta 20-2600 40-1000 300 80 118
Минтай
Theragra chalcogramma 40-450 100-200 100 76 116
Треска
Gadus morhua 30-450 60-300 160 75 115
Пикша
Melanogrammus aeglefinus 30-470 80-350 110, 200 80 120
Сайда
Pollachius pollachius 40-470 50-250 60, 160 81 121
Атлантический лосось
Salmo salar 30-380 100-200 160 95 137
Японская скумбрия
Scomber japonicus 20-3900 200-900 500 91 141
Желтоперый тунец
Thunnus albacares 50-1100 200-700 500 89 139
Пятнистый тунец
Euthunnus affinis 100-1000 300-700 500 106 155
Красноперка
Leuciscus brandti 20-1300 80-500 300 86 125
Камбала
Pleuronectes stellatus 20-500 20-200 80 87 129
Терпуг
Pleurogrammus azonus 20-500 20-200 80 86 127
Заключение
Потенциальная возможность избегательной реакции рыб на шумы научно-исследовательских и промысловых судов является одним из главных источников неуверенности в результатах оценок запасов и нестабильности промысла рыб.
При определенном физиологическом состоянии объекта и уровне шума интенсивность избегательной реакции шумового поля судна достаточно высока (Кузнецов, Вологдин, 2009). Влияние шума судна на тралово-акустическую оценку запаса можно разделить на два фактора: изменение плотности и отражательной способности рыбного скопления на пути судна и в объеме эхолотирования вследствие избегательной реакции рыб на шум судна с вероятным недоучетом в оценке их численности и искажение размерно-возрастного состава рыб в траловых уловах. Кроме этого, взаимодействие объекта лова с гидроакустическими полями, производимыми судном, является важным фактором формирования улова и соответственно результативности тралового, кошелькового и других видов активного промысла.
Поведение биологического объекта — самая динамичная составляющая технологического процесса тралово-акустических съемок запасов и промысла рыбы.
При этом характер поведения в акустических полях индустриального (технического) происхождения определяется видовым стереотипом оборонительной реакции рыб, а сила и продолжительность двигательной реакции в значительной степени зависит от уровня шума, размерно-возрастной структуры скоплений и физиологического состояния рыб, корреляция которых и их доминантность в различные периоды жизни остаются плохо изученными.
Видимо, по этой причине существующие в настоящее время методики оценки запасов рыб с использованием тралирующих орудий лова принимают во внимание только селектирующие и улавливающие свойства трала, стереотипы поведения рыб в котором достаточно хорошо известны (Карпенко и др., 1997; Лапшин, 2009), и совершенно не учитывают реакции рыб на акустическое поле судна, интенсивность которого намного выше, чем орудия лова. Это может существенно сказываться на оценках обилия рыб.
Проведенные в работе обобщения характеристик слуховой функции рыб и характеристик подводного судового шума, создаваемого промысловыми и научно-исследовательскими судами, позволили рассчитать дистанции реагирования различных видов промысловых рыб на шумы судов в зависимости от частотного состава, интенсивности излучаемого звука и слуховых способностей рыб. Кроме этого, с учетом стереотипности избегательного поведения рыб — оценить возможные двигательные реакции рыб в шумовом поле судна. В результате работы определены пороговые уровни звукового давления шума, инициирующего вторую фазу реакции и направленное перемещение рыб.
Теоретически обоснованные допустимые пределы уровня подводного шума, выше которых начинается движение рыб от судна, требуют экспериментального потверждения in situ. Полученные оценки послужат исходным материалом для моделирования двигательного поведения различных видов рыб в шумовом поле судна, что, в свою очередь, позволит разработать стратегию его учета и компенсации при проведении тралово-акустических съемок. Результирующие значения поправок, компенсирующих отпугивающее влияние шумов судна для различных видов рыб в зависимости от их физиологического состояния, характеристик шумового поля судна, района работ и времени суток, будут способствовать устранению неопределенности в процессах эхоинтегрирования зондируемых скоплений и оценки величины и структуры улова.
Результатом оценки дистанций реагирования, формы и интенсивности ответных реакций различных видов гидробионтов на шум судна могут стать разработка новых и совершенствование имеющихся алгоритмических и программных средств тренажерной техники, в частности разработка модуля поведения рыб на навигаци-онно-промысловых тренажерах и стендах. Кроме того, полученные данные могут быть использованы при разработке технологии и критериев оценки подводных акустических шумов, необходимых для их объективного контроля (мониторинга), т.е. определения, насколько уровень измеренных шумов превышает допустимый уровень для данного объекта исследований или промысла, а также при разработке нормативных требований, необходимых для проведения акустической аттестации (сертификации) судов научного и промыслового назначения.
Список литературы
Аминева В.А., Яржомбек A.A. Физиология рыб : монография. — М. : Лег. и пищ. пром-сть, 1984. — 198 с.
Андреев H.H. К теории лова рыбы тралирующими орудиями // Тр. ВНИРО. —
1977. — Т. 122. — С. 58-76.
Воловова Л.А. Применение подводной акустики для управления поведением рыб в прибрежном рыболовстве // О.И. ЦНИИТЭИРХ. Сер. Пром. рыболовство. — М.,
1978. — Вып. 2. — 58 с.
Гончаров С.М., Борисенко Э.С., Пьянов A.M. Влияние рыболовного судна на поведение стай ставриды // Рыб. хоз-во. — 1991. — № 3. — С. 52-54.
Карпенко Э.А., Лапшин О.М., Герасимов Ю.В. Экспериментальные исследования поведения рыб при взаимодействии с элементами тралов в модельных условиях // Вопр. ихтиол. — 1997. — Т. 37, № 2. — С. 253-260.
Касумян А.О. Структура и функция слуховой системы рыб : учеб. пособие. — М. : МГУ, 2005. — 109 с.
Коротков В.К. Реакции рыб на трал, технология их лова : монография. — Калининград : МАРИНПО, 1998. — 398 с.
Кузнецов М.Ю. Биотехническое обоснование и разработка пневмоакустических систем для управления поведением рыб в процессе лова : автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Владивосток : Дальрыбвтуз (ТУ), 1996. — 28 с.
Кузнецов М.Ю. Гидроакустические методы и средства дистанционного управления поведением рыб на промысле : монография. — Владивосток : Дальрыбвтуз, 2007. — 130 с.
Кузнецов М.Ю., Вологдин В.Н. Гидроакустические шумы промысловых и научно-исследовательских судов и их влияние на поведение и оценки запасов рыб (обзор и перспективы исследований) // Изв. ТИНРО. — 2009. — Т. 157. — C. 334-355.
Кузнецов Ю.А., Китлицкий В.С., Федосеенков В.С., Шибков А.Н. Методика исследования гидроакустических шумов промысловых судов // Промышленное рыболовство. — Владивосток : ТИНРО, 1979. — Вып. 9. — С. 86-90.
Кузнецов Ю.А., Кузнецов М.Ю. Обоснование и разработка методов и средств промысловой биоакустики : монография. — Владивосток : Дальрыбвтуз, 2007. — 339 с.
Лапшин О.М. Подходы к определению коэффициента уловистости учетных тралов // Изв. ТИНРО. — 2009. — Т. 157. — С. 247-260.
Левашов Д.Е., Яковленков Е.А. Конструктивные особенности рыболовных НИС нового поколения в связи с рекомендациями ИКЕС по снижению уровня судовых шумов, излучаемых в воду // Мат-лы 2-й Междунар. науч.-практ. конф. — М. : ВНИРО, 2008. — С. 221-224.
Павлов Д.С., Касумян А.О. Стайное поведение рыб : учеб. пособие. — М. : МГУ, 2003. — 146 с.
Протасов В.Р. Поведение рыб : монография. — М. : Пищ. пром-сть, 1978. — 295 с.
Протасов В.Р., Мельников В.Н., Дубровский А.Д. Наука и промышленное рыболовство : монография. — М. : Знание, 1973. — 63 с.
Сорокин М.А. Слуховые способности некоторых дальневосточных рыб : автореф. дис. ... канд. биол. наук. — М. : ИЭМЭЖ, 1984. — 28 с.
Честной В.Н. Динамика уловистости донных тралов : монография. — М. : Пищ. пром-сть, 1977. — 97 с.
Astrup J., Mohl B. Detection of intense ultrasound by the cod Gadus morhua // J. Exp. Biol. — 1993. — Vol. 182. — P. 71-80.
Chapman C.J. Field studies of hearing in teleost fish // Helgolander wissenschaftliche Meeresuntersuchungen. — 1973. — Vol. 24. — P. 371-390.
Chapman C.J., Hawkins A.D. A field study of hearing in the cod, Gadus morhua L. // J. Comp. Physiol. — 1973. — Vol. 85. — P. 147-167.
De Robertis A., Hjellvik V., Williamson N.J., Wilson C.D. Silent ships do not always encounter more fish: comparison of acoustic backscatter recorded by a noise-reduced and a conventional research vessel // ICES J. Mar. Sci. — 2008. — Vol. 65. — P. 623-635.
De Robertis A., Wilson C.D. Silent ships sometimes do encounter more fish. 2. Concurrent echosounder observations from a free-drifting buoy and vessels // ICES J. Mar. Sci. — 2010. — Vol. 67(5). — P. 996-1003.
De Robertis A., Wilson C.D. Walleye pollock respond to trawling vessels // ICES J. Mar. Sci. — 2006. — Vol. 63. — P. 514-522.
De Robertis A., Wilson C.D., Williamson N.J. et al. Silent ships sometimes do encounter more fish. 1. Vessel comparisons during winter pollock surveys // ICES J. Mar. Sci. — 2010. — Vol. 67(5). — P. 985-995.
Denton E., Blaxter J. The mechanical relationships between the clupeid swimbladder, inner ear and the lateral line // J. Mar. Assoc. U.K. — 1976. — Vol. 56. — P. 787-807.
Enger P.S. Hearing in herring // J. Comp. Biochem. Physiol. — 1967. — Vol. 22. — P. 527-538.
Fay R.R. The goldfish ear codes the axis of acoustic particle motion in three dimensions // Science. — 1984. — Vol. 225. — P. 951-954.
Fay R.R. What fish hear // Using sound to modify fish behavior at power-production and water-control facilities : Workshop, Final Report. — 1997. — P. 77-90.
Ferno A., Huse I.J. Fish avoidance of survey vessels and gear: Can predictions based on the response of fish to predators explain the observed variations? : Presentation at the ICES Fish Behaviour in Exploited Ecosystems Symposium. — Bergen : Norway, 2003. — 31 p.
Ferno A., Pitcher T.J., Melle V. et al. The challenge of the herring: making optimal collective decisions // J. Sarsia. — 1998. — Vol. 83. — P. 149-167.
Fréon P., Gerlotto F., Soria M. Variability of Harengula spp. school reactions to boats or predators in shallow water // ICES Mar. Sci. Sympos. — 1993. — Vol. 196. — P. 30-35.
Gerlotto F., Castillo J., Saavedra A. et al. Three-dimensional structure and avoidance behaviour of anchovy and common sardine schools in central southern Chile // ICES J. Mar. Sci. — 2004. — Vol. 61. — P. 1120-1126.
Hawkins A.D. The hearing abilities of fish // Hearing and sound communication in fishes. — N.Y., 1981. — P. 109-138.
Hawkins A.D., Johnstone A.D.F. The hearing of the Atlantic Salmon, Salmo salar // J. Fish Biol. — 1978. — Vol. 13. — P. 655-673.
He P., Wardle C.S. Endurance at intermediate swimming speeds of atlantic mackerel, Scomber scombrus, herring, Clupea harengus and saithe, Pollachius virens // J. Fish Biol. — 1988. — Vol. 33. — P. 255-266.
Iversen R.T. Auditory thresholds of the scombrid fish Euthunnus affinis, with comments on the use of sound in tuna fishing // Proceedings of the FAO Conference on Fish Behaviour in Relation to Fishing Techniques and Tactics. — 1969. — Vol. 3, № 62. — 848 p.
Iversen R.T. Response of the yellowfin tuna (Thunnus albacares) to underwater sound // Marine Bioacoustic. — N.Y. : Pergamon Press, 1967. — Vol. 2. — P. 105-121.
Kasumyan A.O. Structure and function of the auditory system in fishes // J. Ichthyol. — 2005. — Vol. 45, suppl. 2. — P. 223-270.
Lu Z., Popper A.N. Neural response directionality correlates of hair cell orientation in a teleost fish // J. Comp. Physiol. — 2001. — Vol. 187A. — P. 453-465.
Mann D.A., Higgs D.M., Tavolga W.N., Popper A.N. Ultrasound detection by clupeiforme fishes // Bioacoustics. — 2002. — Vol. 12. — P. 188-191.
Mann D.A., Wilson C.D., Song J., Popper A.N. Hearing sensitivity of the walleye pollock // Trans. Amer. Fish. Soc. — 2009. — Vol. 138. — P. 1000-1008.
Misund O.A., Aglen A. Swimming behaviour of fish schools in the North Sea during acoustic surveying and pelagic trawl sampling // ICES J. Mar. Sci. — 1992. — Vol. 49. — P. 325-334.
Misund O.A., Aglen A., Johanessen S.0. et al. Assessing the reliability of fish density estimates by monitoring the swimming behaviour of fish schools during acoustic surveys // ICES Mar. Sci. Sympos. — 1993. — Vol. 196. — P. 202-206.
Misund O.A., Ovredal J.T., Hafsteinsson M.T. Reactions of herring schools to the sound field of a survey vessel // J. Aquat. Living Resour. — 1996. — Vol. 9. — P. 5-11.
Mitson R.B. Underwater noise of research vessels: review and recommendations : ICES Cooperative Research Report. — Copenhagen, 1995. — № 209. — 61 p.
Mitson R.B., Knudsen H.P. Causes and effects of underwater noise on fish abundance estimation // J. Aquat. Living Resour. — 2003. — Vol. 16. — P. 255-263.
Nettestad L., Aksland M., Beltestad A. et al. Schooling dynamics of Norwegian spring spawning herring (Clupea harengus, L) in a coastal spawning area // J. Sarsia. — 1996. — Vol. 80. — P. 277-284.
Ona E., Godo O.R. Fish reaction to trawling noise: the significance for trawl sampling // Rapp. P.-v. Reun. Cons. Int. Explor. Mer. — 1990. — Vol. 189. — P. 159-166.
Pitcher T.J. Heuristic definitions of fish shoaling behavior // Anim. Behav. — 1983. — Vol. 31. — P. 611-613.
Pitcher T.J., Parrish J.K. Functions of shoaling behaviour in teleosts // The behaviour of teleost fishes. — L., 1993. — P. 364-439.
Popper A.N. A scanning electron microscopic study of the sacculus and lagena in the ears of fifteen species of teleost fishes // J. Morphol. — 1977. — Vol. 153. — P. 397-418.
Popper A.N., Fay R.R., Platt C., Sand O. Sound detection mechanisms and capabilities of teleost fishes // Sensory Processing in Aquatic Environments. — N.Y. : SpringerVerlag, 2003. — P. 3-38.
Popper A.N., Platt C. Inner Ear and Lateral Line // The Physiology of Fishes. — N.Y. : CRC Press, 1993. — P. 99-135.
Skaret G., Axelsen B.E., Nettestad L. et al. The behaviour of spawning herring in relation to a survey vessel // ICES J. Mar. Sci. — 2005. — Vol. 62. — P. 1061-1064.
Soria M., Freon P., Gerlotto F. Analysis of vessel influence on spatial behaviour of fish schools using a multi-beam sonar and consequences for biomass estimates by echo-sounder // ICES J. Mar. Sci. — 1996. — Vol. 53. — P. 453-458.
Vabe R., Olsen K., Huse I. The effect of vessel avoidance of wintering Norwegian spring spawning herring // Fish. Res. — 2002. — Vol. 58. — P. 59-77.
Vessel noise and its effects : Collection of Acoustic Data from Fishery Vessels. FAST WG. — Gdynia, 2004. — 9 p.
Поступила в редакцию 17.11.10 г.
