Když se ponoříme pod vodní hladinu, většina našich smyslů je k ničemu. Viditelnost dosahuje sotva pár metrů (a někdy ani to ne), uši a nos máme zacpané vodou, hmat nás informuje tak nanejvýš o tom, že je nám zima. Už kapitáni ponorek v první světové válce věděli, že jediným smyslem, který pod vodou opravdu potřebují, je sluch. Pomocí hydrofonů - a později sonarů používajících místo zvuku ultrazvuk - šlo rozeznávat druhy a polohu ostatních plavidel.
Sonar také hladinovým lodím umožnil průběžně měřit hloubku pod kýlem, vojákům lokalizovat nepřátelské ponorky a rybářům hejna ryb. Dnes už se stal běžně rozšířeným zařízením, které si pořizují i sportovní rybáři. Na stejném principu pracují také zařízení pro neinvazivní vyšetření v interní medicíně. Existují už ale také miniaturní sonary, které si může potápěč připevnit na hlavu. Díky nim se dokáže orientovat i v kalné vodě.
Princip sonaru je prostý: vysílač vyšle do vody zvukové vlny vhodné frekvence, přijímač zaznamená jejich odraz od dna, ponorky nebo ryb. Z doby, která uplynula od vyslání k přijetí vln, přístroj vypočte vzdálenost od objektu. Ale obraz, který dává klasický sonar o světě pod vodou, je jen velmi hrubý. Nyní však vědci z Woods Hole Oceanographic Institute v Massachusetts oznámili, že vyvinuli zařízení, které to změní.
„Bude to jako přechod od staré černobílé televize k barevné televizi s HD kvalitou obrazu,“ tvrdí Tim Stanton, jeden z autorů nové metody. „Jednotlivé prvky této technologie byly známé už dřív, my jsme ale první, kdo je všechny spojil do jediného zařízení.“
Pro oceánografy to bude znamenat zcela nové možnosti nejen při mapování dna, ale i při sledování pohybu mořských živočichů - včetně těch nejmenších.
Zvukové vlny jsou pro zkoumání podmořského světa vhodné proto, že - na rozdíl od elektromagnetického vlnění - vodou snadno pronikají na velké vzdálenosti. Mořští kytovci tento princip používají už miliony let, první patenty na využití echolokace na lodích se objevily okolo roku 1913. Postupně se z nich vyvinul přístroj zvaný sonar (jde o zkratku vytvořenou z počátečních písmen slov Sound Navigation and Ranging).
Ryby pod zvukovým dohledem Většina dosavadních zařízení pracovala pouze s jedním kmitočtem nebo s několika málo frekvencemi. To ale omezovalo rozlišovací schopnosti sonaru i možnosti přesného vyhodnocení získaných výsledků. Například při sledování ryb měly na přesnost měření vliv takové faktory jako velikost objektu, jeho orientace vzhledem k vysílači, druh ryby a podobně.
Nic z toho obsluha přístroje ze záznamu nerozeznala. Jediné, co takový sonar nabízel, byla informace, že pod vodou v určité hloubce něco je. Ještě obtížnější bylo vyhledávání velmi malých tvorů, kteří jsou součástí zooplanktonu. Potíže navíc způsobovaly i turbulence a tepelná rozhraní mezi vrstvami vody v různých hloubkách.
„Pokud jste narazili na oblast s vysokým výskytem turbulence ve vodě, bylo těžko možné rozlišit, jestli to, co na záznamu vidíte, není zooplankton,“ vysvětluje Andone Laveryová, členka vědeckého týmu Woodshole Oceanographic Institution (WHOI), která se na vývoji nového zařízení podílela. „Přitom některé druhy zooplanktonu vyhledávají právě místa tepelných rozhraní a oblasti zvýšených turbulencí,“ dodává.
Oddělení aplikované oceánské fyziky a konstrukcí při WHOI proto vyvinulo sonarové zařízení, které nepracuje pouze s jednou nebo několika málo frekvencemi, ale zkoumá hlubiny oceánu plynule v širokém rozsahu frekvencí akustického spektra.
Nezbytnou součástí vývoje nového zařízení bylo také vypracování metodiky, jak takto získaná data vyhodnocovat. Ukázalo se přitom například, že malé ryby jsou nejlépe detekovatelné frekvencemi v rozsahu 1 až 10 kHz, což je zcela mimo pásmo používané běžnými sonary. Vyšší frekvence v rozsahu od 150 do 600 kHz jsou zase vhodné pro sledování zooplanktonu - opět jde o pásmo, které komerční přístroje nepoužívají. Vědci navíc metodu doplnili algoritmem, který z výsledků automaticky vylučuje šum a zvyšuje jeho rozlišení.
Kdo koho žere Nová metoda umožní vědcům z hladinových lodí přesně sledovat pohyb jednotlivých druhů organismů v oceánu v čase i prostoru - od velkých ryb až po několikamilimetrové tvory, kteří jsou součástí zooplanktonu. S pomocí nových sonarů půjde také podrobně zjišťovat vztahy v potravinovém řetězci.
„Staré sonary tyto informace nedávaly, protože neumožnily rozlišit druh sledovaných živočichů. My naproti tomu jsme schopní přesně zjistit, kdo koho žere,“ vysvětluje Andone Laveryová.
Přitom vývoj širokopásmových sonarů byl poměrně jednoduchý a finančně nenáročný - vědci pouze upravili komerčně vyráběné přístroje pro jiné frekvence a k vylepšenému hardwaru dodali vlastní vyhodnocovací postupy.
Nové sonary už prodělaly první testy v moři u pobřeží státu Massachusetts nedaleko Cape Cod a na pevninském šelfu u pobřeží New Jersey s velmi nadějnými výsledky. Podařilo se při nich například přesně určit velikost a druh ryb v hejnech, kde se hustota pohybovala od 0,05 do 2 jedinců na krychlový metr.
„Nehodláme se ale s těmito přístroji spokojit,“ tvrdí Tim Stanton. „Máme v plánu použít ještě větší rozsah frekvencí pro sledování ještě menších a ještě větších tvorů,“ říká.
Měly by být zkonstruované tak, aby mohly být zabudovány také do automatických podmořských robotů (AUV), které se při oceánografickém výzkumu uplatňují ve stále větší míře.
Sonar schopný detailně rozpoznat množství biomasy ve vodě a druhové zastoupení ryb a dalších tvorů má mimořádný význam pro komerční průmyslový rybolov. Rybáři v současnosti stojí před problémem ubývání zdrojů v důsledku dlouhodobého intenzivního lovu. Znalost pohybu rybích hejn i zooplanktonu, kterým se živí, by mohla pomoci k lepší ochraně ryb a obnovení jejich populací.
Vědci se ale netají ani tím, že o jejich práci má velký zájem také vojenské námořnictvo USA, které by chtělo vědět, jak se odrazy od mořských tvorů projevují na přesnosti sonarů ponorek a lodí US NAVY. Je známo, že v minulosti ponorky využívaly k hledání úkrytů před pronásledovateli právě neschopnosti běžných sonarů přesně vyhodnotit situaci v místech tepelných rozhraní nebo velkých koncentrací zooplanktonu.
Podmořští roboti vybavení tímto sonarem také budou schopní se lépe orientovat v moři a vyhledávat i malé cíle, třeba miny nebo diverzní potápěče protivníka.
„Konečným cílem naší vývojové práce je univerzální širokopásmový sonar, který umožní detailní pohled pod mořskou hladinu všem zainteresovaným subjektům - vědcům, rybářům i námořníkům,“ říká Tim Stanton. „Položili jsme zatím jen základní kámen, ale hodně práce je stále ještě před námi,“ uzavírá odborník.
Obrázek
Vědci vyvinuli nový druh sonaru, který umožní detailněji mapovat podmořský svět
Barevný pohled pod vodou
Širokopásmový sonar, který vyvinuli vědci z Oceánografického institutu ve Woods Hole, umožňuje detailnější pohled pod hladinu než klasický sonar. Nové zařízení dosahuje lepších výsledků kombinací více zvukových frekvencí. Autoři rozdíl přirovnávají k černobílému obrazu a barevné televizi s vysokým rozlišením.
1 širokopásmové vysílače 2 stabilizační křidélko
3 umístění elektroniky 4 čidlo teploty, tlaku a slanosti vody
Širokopásmový sonar ve dvojím pohledu
Pohled na hejno ryb klasickým sonarem (nahoře) a novým širokopásmovým přístrojem. Klasický sonar prozradí jen to, že pod hladinou „něco“ je, nový znázorní i jednotlivé ryby.
Vědci testovali širokopásmový sonar v blízkosti hejna drobných ryb. Zároveň část rybek chytali, aby se přesvědčili, zda je sonar správně informoval o jejich velikosti.
Experti zkoušeli širokopásmový sonar také v oblasti s častými turbulencemi. Na rozdíl od klasického sonaru jejich přístroj i v těchto podmínkách dokáže zachytit místa s výskytem zooplanktonu.
O autorovi| LUDVÍK REITER, Autor je spolupracovník redakce
