הדמיה, רצופה ובו-זמנית, של כל אוכלוסיית הדגים בשטח של אלפי קילומטרים רבועים

אתר ראשית מדע

שיטת ההדמיה – סונר בתדר נמוך – הרקע לתגלית

בחודש מאי 2001, ניקולס מקריס – ראש המעבדה לחישה תת מימית מרחוק, במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטסMIT – ועמית הבתר-דוקטורט שלו דאז: פורנימה רטילל, חיפשו ערוצי נהר עתיקים הקבורים במדף היבשת ליד קו החוף של ניו-ג'רזי. ערוצים עתיקים אלה מופו בעבר בעזרת מכשירי סונר בתדר גבוה. ניתוח ספקטרלי של הדי הסונר המוחזרים איפשר להבחין בהבדלי הצפיפות הקטנים בין שכבות המשקע.

פרופ' מקריס תהה באם בחינת האזור בעזרת סונר בתדר נמוך תגלה כי ערוצים עתיקים אלה הינם המקור “לרעש” אקוסטי – החזרה בלתי סדירה של גלי הסונר הנפוצה באזורי חוף. אך במקום המתאם אותו צפו לגלות בין ערוצי הנהר והרעש, הבחינו החוקרים בתבנית חולפת. תבנית אשר בהמשך זוהתה כנחיל דגים ענק המונה עשרות מליוני דגים, הפרושים בשטח של כ 400 ק”מ רבועים.

שנתיים נוספות של מחקר וניסויים נדרשו לצוותו של פרופ' מקריס על מנת לוודא שהם אכן מפיקים הדמיה אמינה של תנועת הדגים.

למרות שדגים-נעים וערוצי נהר-נייחים, ההבחנה בין השניים בעזרת החזרת גלי הקול אינה פשוטה. ערוצי ספנות, מערבולות ותנודות הגאות והשפל לאורך החופים – עלולים לשבש את המתאם בין אופני התנודה האקוסטית השונים. שינויי מליחות וטמפרטורה משפיעים על מהירות הקול במים. ואפילו שינויי צפיפות קלים בין שכבות המים מיצרים החזרי לוואי.

תוצאות ההדמיה של נחילי הדגים אשר פורסמו לאחרונה (ראו מאמר מראשית פברואר 2006 בעיתון SCIENCE להלן) מתארות, כפי הנראה, את המבנה והדינמיקה של קבוצת בעלי החיים הגדולה ביותר עליה בוצע מעקב בו-זמני, אי פעם.

עד עתה, סביבות מדף היבשת נסקרו בעזרת דגימות נקודתיות ממכשור המוצב על ספינות מחקר איטיות. שיטות אלה הפיקו תת-דגימות מהותיות של אוכלוסיית הדגים – במרחב ובזמן.

המחקר החדש הראה כי טכניקת ההדמיה שפותחה מאפשרת לקבל תמונה – בו-זמנית ורצופה – של אוכלוסיית הדגים בשטח של אלפי קילומטרים רבועים לאורך מדף היבשת.

שיטת ההדמיה – סונר בתדר נמוך – מאפיינים
איבודי עוצמה מינימליים – גם במרחקים ארוכים
באזורי מדף היבשת הרדודים, מתנהג האוקיינוס כמוליך-גלים הכולא את גלי הקול בין האוויר וקרקעית הים. כל עמוד מים מתנהג באופן אנאלוגי למיתר גיטרה. התפשטות הגלים – מעמוד מים לשכנו – מתרחשת בקליפות גליליות אשר במרכזן מקור הסונר. כתוצאה מכך, הירידה בעוצמת הגל כפונקציה של המרחק מהמקור – ליניארית (ב.(1/R משמעותית פחות מאשר הירידה הריבועית (ב (1/Rבעוצמה, עקב גאומטריית ההתפשטות הכדורית – ללא תופעת מוליך הגלים.

יתרה מכך, ירידת עוצמת הגלים עקב בליעה ופיזור עולה משמעותית עם התדר. מכשירי סונר קונבנציונאליים עושים שימוש בגלים על-קוליים, בתדרים שבין 20 ל 100 אלף תנודות בשניה (הרץ). הדמיית הסונר בתדר נמוך פועלת על בסיס גלים בתדרים של כמה מאות הרץ.

תכונות אלה של השיטה מאפשרות שידור וקליטה של אותות הסונר בטווחי הענק של אלפי הקילומטרים הרבועים.

פענוח האותות הנקלטים
המקלט הינו בעל מימדים גדולים ביחס לאורך הגל ויכול להבחין איזה גלים מגיעים מאיזה כיוון, על פי הפער בין זמני הגעתם לנקודות שונות על פניו. תהליך דומה מבצע המוח עת ההבדלים בין הצלילים המגיעים לכל אחת מאוזנינו, משמשים לזיהוי כיוונו של המקור. המקלט בו נעשה שימוש מכיל מערך מרובה “אוזניים”.

על מנת לזקק את האות הנקלט ולנקותו מתרומותיהם של מקורות הקול השונים (והלא רלוונטיים) באוקיינוס, מבוצעת השוואה בין האות הנקלט לאות המשודר. רק אותות התואמים את פרופיל האות המשודר – יועברו ליצירת ההדמיה.

כימות וזיהוי הדגים
כבר בשנות ה60 זיהו חוקרים את העובדה שהיות ושלפוחיות הציפה של הדגים הינן בעלות תדר תהודה בתחום השמע – גלי קול בתחום זה יוחזרו מהדגים בעוצמה רבה.

מדידות מדוייקות של אוכלוסיות הדגים, בעזרת סונר קונבנציונאלי, במספר נקודות מתוך האזור הנצפה בעזרת שיטת ההדמיה החדשה – אפשרו לכייל את ההדמיה ולקבל הערכות אמינות של גודל אוכלוסיית הדגים.

יחד עם זאת, היות ומימדי בלוטת הציפה משתנים (ויחד עימם תדרי התהודה ועל כן אופי ההחזרים) בין סוג דג לסוג דג, וכן משתנים הם – עבור אותו דג – בעומקים שונים, קיימת אי וודאות מסויימת במדידות.

פרופ' מקריס מעריך כי כימות הדגים מדוייק עד כדי 10%.

הממצאים – מאפייני נחיל הדגים
כללי
ההדמיה שימשה לזיהוי מאפייני נחיל הדגים הענק, המונה עשרות מליוני דגים, הפרושים בשטח של כ 400 ק”מ רבועים. המאפיינים שנמדדו הינם:

המבנה הרגעי של הנחיל

התפתחות המבנה בציר הזמן

התפשטות מידע על פני הנחיל

המדידות נערכו ממרחק של כ10 ק”מ משולי הנחיל, בעוצמת קול הנמוכה בלפחות 3 סדרי גודל מעוצמת הקול המשמשת בסונר איתור דגים קונבציונאלי.

מבנה נחיל פרקטלי
זוהה כי גבולות הנחיל בצד הפונה לאוקיינוס, מוגדרים על פי רוב היטב ומשקפים את מתאר קווי הגובה של קצה מדף היבשת.

בחינת מבנה הנחיל בסקלות מרחק שונות – מעשרות מטרים ועד לעשרות קילומטרים – חושפת דמיון עצמי. דומה כי יש בכך תימוכין להשערה כי מכניזמים התנהגותיים דומים פעילים בכל סקלות המרחק, כמו גם להשערות (שכבר הועלו בעבר)ביחס לאופי הפרקטלי של מבנה הנחיל.

ניתוח התפתחות מבנה נחיל בציר הזמן, העלה תבניות התנהלות יומיות כמו גם דמיון עצמי פרקטלי.

העברת מידע מהירה, שמירה על מבנה הנחיל
זוהו “גלי צפיפות” החולפים על פני הנחיל (המשתרע כאמור על פני קילומטרים רבים) בתדירות של אחת לכמה דקות. ניתן לדמות גלים אלה לגל החולף באיצטדיון כדורגל עת כל צופה בתורו מתרומם לרגע, ומתיישב חזרה.

ביסוס, לניתוח כי מדובר בגלי צפיפות, הושג בעזרת האבחון כי מהירות התפשטות הגל שנמדדה – גבוהה בלפחות סדר גודל – ממהירות השחיה הטיפוסית של דג בנחיל.

בעבר זוהו גלים מהירים שכאלה בנחילי דגים במימדים של עשרות מטרים בלבד, והועלתה ההשערה כי הגל משמש להעברה מהירה של אינפורמציה על טורפים, בין חלקי הנחיל.

זוהה כי הגלים מוחזרים בקביעות משולי הנחיל כולו, כמו גם משוליהן של תתי קבוצות בנחיל. יתכן שמידע מרחבי זה הנישא על גבי גלי הצפיפות, משמש את הדגים לשמירה על מבנה הנחיל.

אין בשלב זה ראיות מוצקות, לאישוש או הפרכת, השערות אלה.

מקורות/לקריאה נוספת:
Physics Today ירחון האגודה האמריקאית לפיזיקה, גיליון אפריל 2006

Science, מאמר המקור מ3 פברואר 2006 – למנויים בלבד
אתר קבוצת המחקר, המעבדה לחישה תת מימית מרחוק – MIT

סרט וידאו של התנהלות הנחיל בציר הזמן (זהירות! – קובץ של כ 20M, בפורמט QuickTime)
אתר ראשית מדע

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~455610754~~~64&SiteName=hayadan