NA UY – Một phương trình có tuổi đời hơn 100 năm cùng với một tuyến cáp quang ngoài khơi Svalbard (một quần đảo thuộc Na Uy) đã giúp các nhà nghiên cứu phát hiện rằng họ có thể nhận biết những con cá voi đang bơi, ngay cả khi chúng hoàn toàn im lặng (1). Phát hiện này mở rộng các công cụ mà các nhà sinh vật học có thể sử dụng trong tương lai để phát hiện và giám sát những loài động vật biển khổng lồ này.
(1) Cá voi im lặng (silent whales) là cách gọi những con cá voi đang không phát ra tiếng kêu hoặc tín hiệu âm thanh có thể phát hiện được. Khi không phát âm, cá voi vẫn làm dịch chuyển nước trong quá trình bơi, tạo ra các biến đổi áp suất tần số rất thấp. Những tín hiệu này có thể được phát hiện thông qua cáp quang dưới biển, nhờ đó cho phép theo dõi cá voi ngay cả khi các phương pháp giám sát âm học thông thường không ghi nhận được tiếng kêu của chúng.

Biến cáp quang dưới biển thành thiết bị cảm biến thụ động
Các tuyến cáp quang trải rộng khắp các đại dương trên thế giới, truyền tải mọi loại dữ liệu, từ các cuộc điện thoại cho đến mạng Internet. Năm 2020, các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) phát hiện rằng những tuyến cáp này còn có thể hoạt động như một thiết bị cảm biến thụ động, cho phép họ phát hiện những âm thanh trầm, tần số thấp của cá voi trong vùng biển lạnh giá ngoài khơi Svalbard.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách sử dụng cáp quang để “lắng nghe” cá voi ngay cả khi chúng không phát ra bất kỳ âm thanh nào. Bí mật nằm ở chỗ cá voi, tương tự như tàu biển, đẩy nước về phía trước khi bơi, từ đó tạo ra một sóng áp suất có tần số rất thấp mà cáp quang có thể phát hiện.

“Nếu cá voi im lặng, chuyển động cơ thể của chúng vẫn gây ra những nhiễu động trong nước và trầm tích, vì vậy chúng tôi có thể phát hiện chúng ngay cả khi chúng không tạo ra bất kỳ tiếng động nào”, Martin Landrø, Giám đốc Trung tâm Dự báo Địa vật lý (Centre for Geophysical Forecasting) của NTNU và là tác giả chính của một nghiên cứu mới được công bố trên PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), cho biết.

Tuy nhiên, trước đây chưa có ai, kể cả chính nhóm nghiên cứu, nghĩ đến việc tìm kiếm những sóng có tần số rất thấp này để phát hiện cá voi.

“Thách thức chính khi phát hiện các tín hiệu tần số thấp này là chúng suy giảm rất nhanh theo khoảng cách. Một con tàu lớn tương đối dễ phát hiện vì nó làm dịch chuyển một lượng nước rất lớn, nhưng cá voi nhỏ hơn nhiều nên lượng nước bị dịch chuyển cũng ít hơn đáng kể. Điều này có nghĩa là cá voi cần lặn xuống cột nước thì mới có thể được phát hiện”, Robin Andre Rørstadbotnen, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Trung tâm Dự báo Địa vật lý, cho biết.

Tàu biển trở thành đối tượng hiệu chuẩn cho hệ thống
Một trong những lợi thế lớn của mạng lưới cáp quang tại vùng biển quanh Svalbard là có nhiều tàu lớn nhỏ thường xuyên di chuyển qua khu vực này.

Xét về hình dạng, thân tàu thực tế không quá khác biệt so với hình dạng cơ thể của một con cá voi.

Tuy nhiên, khác với cá voi, các tàu biển thuộc diện áp dụng đều phải trang bị Hệ thống nhận dạng tự động (Automatic Identification System – AIS) (2). Hệ thống này cung cấp thông tin nhận dạng tàu và vị trí di chuyển, nhờ đó các nhà nghiên cứu có thể theo dõi tàu khi chúng chạy dọc theo hoặc cắt ngang các tuyến cáp quang.
(2) AIS là hệ thống liên lạc vô tuyến hàng hải cho phép tàu tự động phát và trao đổi thông tin nhận dạng, vị trí và trạng thái hành trình với các tàu khác cũng như các trạm AIS trên bờ. Dữ liệu AIS thường bao gồm tên và mã nhận dạng tàu, vị trí, hướng di chuyển, tốc độ và một số thông tin hành trình.

Tất nhiên, các nhà nghiên cứu có thể phát hiện âm thanh thực tế – tức tín hiệu âm học, của những con tàu khác nhau trong dữ liệu thu được từ cáp quang. Họ cũng có thể xác định tốc độ di chuyển của tàu.

Đây cũng chính là phương pháp mà nhóm nghiên cứu trước đó đã sử dụng để phát hiện tiếng kêu của cá voi. Tuy nhiên, lần này họ nhận ra rằng cáp quang còn có thể được sử dụng để phát hiện sóng áp suất sinh ra khi tàu di chuyển trong nước.

Từ bong bóng nước sôi đến sóng áp suất
Sóng áp suất hình thành do chuyển động của nước có tần số thấp hơn nhiều so với tiếng kêu của cá voi. Đây cũng là loại thông tin mà trước đó các nhà nghiên cứu chưa từng tập trung phân tích.

“Điều gây bất ngờ lớn là sợi quang này thực sự có thể phát hiện được tín hiệu đó”, Landrø cho biết.

Nhờ vậy, các nhà nghiên cứu bất ngờ có được một phương pháp để diễn giải dữ liệu tần số thấp, bởi họ đã có sẵn rất nhiều thông tin về các con tàu khác nhau.

Những bong bóng trong nước sôi thoạt nhìn dường như không có nhiều điểm chung với sóng áp suất do cá voi đang bơi tạo ra, nhưng các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các phương trình liên quan để diễn giải dữ liệu về chuyển động của cá voi.

“Trong những tháng mùa hè ở Svalbard có rất nhiều tàu du lịch di chuyển dọc theo các tuyến cáp quang mà chúng tôi khảo sát. Bằng cách theo dõi một con tàu, Le Commandant Charcot, trong ba mùa du lịch biển, chúng tôi thu được rất nhiều thông tin có giá trị, giúp hiểu rõ hơn về các tín hiệu tần số thấp này, đồng thời xác định những khía cạnh cần tiếp tục nghiên cứu”, Rørstadbotnen cho biết.

Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng một phương trình nổi tiếng được nhà vật lý Lord Rayleigh công bố năm 1917, mô tả quá trình bong bóng trong nước sôi co sụp. Hiện tượng này nghe có vẻ rất khác so với chuyển động của tàu và cá voi, nhưng các nguyên lý vật lý cơ bản có thể được áp dụng.

“Đây là cách chúng tôi hiệu chuẩn hệ thống”, Landrø cho biết. “Chúng tôi biết tàu đang di chuyển nhanh đến mức nào và biết chính xác vị trí của chúng nhờ thông tin AIS. Điều đó cung cấp một phương pháp để tinh chỉnh hiểu biết của chúng tôi về các tín hiệu tần số thấp này. Và đó chính là quan sát quan trọng nhất của chúng tôi, một phát hiện hoàn toàn mới.”

Nếu xét về cơ chế vật lý, một con cá voi di chuyển trong nước không quá khác biệt so với một con tàu đang đẩy nước sang hai bên khi động cơ đưa con tàu tiến về phía trước.

“Điều đó mở ra khả năng rằng phương pháp này có thể được sử dụng để phát hiện những con cá voi đang im lặng”, Landrø nói. “Khi nhận ra điều này, chúng tôi biết bước tiếp theo là tìm kiếm cá voi.”

Cá voi xanh và một chút may mắn
Ở giai đoạn này, yếu tố tình cờ, hay có thể gọi là một chút may mắn – đã đóng vai trò quan trọng.

“Chúng tôi may mắn tìm thấy một con cá voi xanh đang phát ra âm thanh ở gần bề mặt nước, sau đó khi im lặng, nó bắt đầu lặn xuống”, Landrø cho biết.

Trước tiên, các nhà nghiên cứu có thể quan sát tín hiệu âm thanh của cá voi xanh thông qua dữ liệu âm học thu được từ các tuyến cáp quang. Đến thời điểm này, đây đã trở thành một phương pháp quen thuộc để họ phát hiện những con cá voi đang phát ra âm thanh.

Nhưng giờ đây, họ biết rằng mình còn có thể phân tích dữ liệu tần số thấp từ cáp quang để xác định tín hiệu mà con cá voi xanh tạo ra trong quá trình di chuyển. Những tín hiệu quan sát được có thể được diễn giải với sự hỗ trợ của phương trình Rayleigh.

Nhờ đó, nhóm nghiên cứu có thể tiếp tục theo dõi quỹ đạo di chuyển của con cá voi ngay cả khi nó ngừng phát ra âm thanh và lặn sâu hơn xuống đại dương.

Cá voi xanh là loài động vật lớn nhất trên Trái Đất, nhưng quần thể của chúng đã bị suy giảm nghiêm trọng do hoạt động săn bắt cá voi thương mại trong thế kỷ trước. Các nhà nghiên cứu hiện chưa xác định chính xác quy mô quần thể cá voi xanh trên toàn cầu, nhưng ước tính có khoảng 5.000 – 15.000 cá thể trưởng thành, tương đương chỉ khoảng 3 – 11% quy mô quần thể vào đầu những năm 1920.

Một công cụ mới phục vụ bảo tồn biển
Landrø và các đồng nghiệp trước đây đã đề xuất nghiên cứu khả năng sử dụng cáp quang cho nhiều ứng dụng viễn thám khác nhau, từ phát hiện động đất và giám sát các đường ống dưới biển nhằm phát hiện hành vi phá hoại, cho đến kết hợp thông tin từ vệ tinh để xây dựng một Đài quan sát Trái Đất – Đại dương – Khí quyển – Không gian (Earth-Ocean-Atmosphere-Space Observatory) (3).
(3) Đài quan sát Trái Đất – Đại dương – Khí quyển – Không gian là một mô hình được đề xuất nhằm kết hợp mạng lưới cáp quang dưới biển với các hệ thống quan sát khác, bao gồm dữ liệu vệ tinh, để hình thành một mạng cảm biến quy mô lớn. Thông qua việc tận dụng cáp quang như các cảm biến phân bố dọc đáy biển, hệ thống có thể hỗ trợ theo dõi nhiều hiện tượng khác nhau, từ động đất và các quá trình trong đại dương đến hoạt động của tàu thuyền và sinh vật biển.

“Đây có thể trở thành một hệ thống quan sát toàn cầu mang tính đột phá đối với khoa học Đại dương – Trái Đất”, Landrø từng nhận định sau khi một nghiên cứu mô tả cách thức vận hành của hệ thống như vậy được công bố trên Scientific Reports thuộc Nature Portfolio.

Khả năng phát hiện những con cá voi không phát ra âm thanh là một bước tiến tiếp theo trong việc tận dụng mạng lưới cáp quang hiện có để hiểu rõ hơn về hành tinh và những sinh vật sống ở những khu vực xa xôi trên đó, chẳng hạn như cá voi.

Mặc dù một số ít quần thể cá voi hiện đã phục hồi ở mức tương đối khả quan, phần lớn các loài cá voi từng bị khai thác nghiêm trọng trong thời gian dài. Chính đặc điểm tự nhiên của cá voi – những động vật biển kích thước lớn di chuyển trên phạm vi rộng khắp đại dương – khiến việc ước tính quy mô quần thể trở thành một thách thức lớn.

Khả năng theo dõi cả những con cá voi đang “im lặng” có thể thay đổi đáng kể cách các nhà khoa học thực hiện công việc này.

Để xem các tin bài khác về “Cáp quang”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: The Maritime Executive