Η ναυτιλία πρέπει να αντιμετωπίσει τον υποβρύχιο θόρυβο

Ο υποβρύχιος θόρυβος που εκπέμπεται από τα σκάφη είναι τώρα στην ημερήσια διάταξη του ΙΜΟ. Ο ανώτερος επιθεωρητής του Ινδικού Μητρώου Ναυτιλίας Akula Chaturvedi* εξηγεί τον αντίκτυπο που θα έχει αυτό στους πλοιοκτήτες και τους φορείς εκμετάλλευσης

Ο υποβρύχιος ακτινοβολούμενος θόρυβος (URN) αναφέρεται στην ηχητική ενέργεια που εκπέμπεται υποβρύχια, που συχνά προέρχεται από διάφορες πηγές όπως πλοία, συστήματα σόναρ, σεισμικές έρευνες και βιομηχανικές δραστηριότητες. Αυτός ο θόρυβος μπορεί να διαδοθεί σε μεγάλες αποστάσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον, επηρεάζοντας τη θαλάσσια ζωή παρεμβαίνοντας στην επικοινωνία, την πλοήγηση, τη σίτιση και άλλες ζωτικές συμπεριφορές. Η εμπορική ναυτιλία χρησιμεύει ως σημαντικός συνεισφέρων στο URN, αποτελώντας σημαντική απειλή για κρίσιμες λειτουργίες ζωής σε ένα ευρύ φάσμα θαλάσσιων ειδών, συμπεριλαμβανομένων των θαλάσσιων θηλαστικών, των ψαριών και των ασπόνδυλων.

Έρευνες από διάφορες πηγές δείχνουν ότι το επίπεδο θορύβου περιβάλλοντος στους ωκεανούς του κόσμου διπλασιάζεται περίπου κάθε 10 χρόνια. Αυτή η τάση καθοδηγείται από τον αυξανόμενο όγκο των ναυτιλιακών δραστηριοτήτων και τις προόδους στις τεχνολογίες εξερεύνησης και εξόρυξης θαλάσσιων πόρων. Κατά συνέπεια, τα επίπεδα ανθρωπογενούς θορύβου στα θαλάσσια περιβάλλοντα προβλέπεται να αυξηθούν περαιτέρω τα επόμενα χρόνια. Οι ερευνητές επισημαίνουν τον αυξανόμενο αριθμό πλοίων και πλοίων ως μία από τις σημαντικότερες απειλές που αντιμετωπίζουν οι θαλάσσιοι οργανισμοί.

Ο ΙΜΟ έχει αναγνωρίσει τις κλιμακούμενες ανησυχίες σχετικά με την υποβρύχια ηχορύπανση που προέρχεται από πλοία, κυρίως εμπορικά πλοία, προκαλώντας αναθεώρηση των κατευθυντήριων γραμμών του για τον μετριασμό των επιζήμιων επιπτώσεων στα θαλάσσια οικοσυστήματα (2023 IMO Guidelines on Underwater Noise Reduction, IMO MEPC.906ir). Αυτές οι αναθεωρημένες οδηγίες ισχύουν από την 1η Οκτωβρίου 2023 και ανακαλούν τις προηγούμενες οδηγίες MEPC.1/Circ.833.

Αυτές οι αναθεωρημένες οδηγίες βοηθούν τους πλοιοκτήτες και τους σχεδιαστές να ενσωματώσουν ζητήματα διαχείρισης υποβρύχιου θορύβου από την αρχή της διαδικασίας σχεδιασμού. Για τα υπάρχοντα πλοία, οι κατευθυντήριες γραμμές συμβουλεύουν την εφαρμογή σχεδίων διαχείρισης στο βαθμό που είναι εφικτό και πρακτικό. Αυτός ο προληπτικός σχεδιασμός όχι μόνο βελτιώνει την κατανόηση και τη διαχείριση του υποβρύχιου θορύβου, αλλά επίσης ενισχύει τη λειτουργική απόδοση και μειώνει τα έξοδα καυσίμου.

Τον Σεπτέμβριο του 2023, ο ΙΜΟ συγκάλεσε ένα εργαστήριο στα κεντρικά του γραφεία για να διερευνήσει τη συσχέτιση μεταξύ ενεργειακής απόδοσης και URN από πλοία. Αναγνωρίζεται ότι πολλά μέτρα που στοχεύουν στη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου (GHG) μπορεί επίσης να οδηγήσουν σε μείωση του URN. Επιπλέον, οι αναθεωρημένες κατευθυντήριες γραμμές αφορούν τη δημιουργία συστημάτων κινήτρων για την ενίσχυση των προγραμμάτων παρακολούθησης URN και την υποστήριξη των προσπαθειών μείωσης του θορύβου.

Επιπλέον, ο ΙΜΟ ξεκίνησε το έργο GloNoise το 2024, για να σχηματίσει έναν παγκόσμιο συνασπισμό και να βοηθήσει τις αναπτυσσόμενες χώρες να αντιμετωπίσουν τη σημαντική περιβαλλοντική πρόκληση της υποβρύχιας ηχορύπανσης που προέρχεται από τη ναυτιλιακή βιομηχανία. Η Ινδία είναι μία από τις έξι κύριες πιλοτικές χώρες που επέλεξε ο ΙΜΟ, μαζί με την Αργεντινή, τη Χιλή, την Κόστα Ρίκα, τη Νότια Αφρική και το Τρινιντάντ και Τομπάγκο, για να παράσχουν υποστήριξη σε αυτήν την προσπάθεια μέσω της δέσμευσης με τον ιδιωτικό τομέα και στρατηγικούς εταίρους από ανεπτυγμένες χώρες.

«Οι ερευνητές επισημαίνουν τον αυξανόμενο αριθμό πλοίων και πλοίων ως μία από τις σημαντικότερες απειλές που αντιμετωπίζουν οι θαλάσσιοι οργανισμοί»

Αυτή η πρωτοβουλία έχει προγραμματιστεί να διαρκέσει έως το 2025 και στοχεύει στην ανάπτυξη μιας καθολικής εργαλειοθήκης για τη «συλλογή και ανάλυση βασικών πληροφοριών URN», καθώς και «εκτίμηση θαλάσσιου περιβαλλοντικού κινδύνου και επιπτώσεων που σχετίζεται με το θόρυβο». Το έργο θα συνεπάγεται την ανάπτυξη και την εφαρμογή βασικών γραμμών σε παγκόσμιο επίπεδο και σε επίπεδο κορυφαίων πιλοτικών χωρών, μαζί με την αξιολόγηση και την αναφορά κινδύνων, επιπτώσεων και επιλογών πολιτικής.

Η Διεθνής Ένωση Νηογνωμόνων (IACS) έχει αναγνωρίσει τη σημασία του URN που προέρχεται από την εμπορική ναυτιλία και έχει εκδώσει ένα έγγραφο σύστασης σχετικά με τη μέτρηση του URN. Επί του παρόντος, τα περισσότερα μέλη της ταξινόμησης IACS έχουν τις ατομικές τους διαδικασίες μέτρησης URN.

Το έγγραφο κυκλοφόρησε την 1η Σεπτεμβρίου 2023, (IACS REC 176) και στοχεύει στη δημιουργία μιας τυποποιημένης και ενοποιημένης μεθόδου για τον ποσοτικό προσδιορισμό της μέτρησης URN. Αυτή η σύσταση περιλαμβάνει επίσης συνεπείς προσεγγίσεις για πρότυπα ανάλυσης, μετα-επεξεργασίας και αναφοράς.

Το Ινδικό Μητρώο Ναυτιλίας (IRS) έχει αναγνωρίσει τη σημαντική επίδραση του υποβρύχιου θορύβου που δημιουργείται από τα πλοία στο περιβάλλον, προκαλώντας μεγάλο ενδιαφέρον για την κατανόηση των συνεπειών του και των δυνατοτήτων λήψης ρυθμιστικών μέτρων. Από το 2018, η IRS διεξήγαγε ενεργά έρευνα για την πρόβλεψη της υπογραφής URN του πλοίου, με αποτέλεσμα πολυάριθμες ερευνητικές εργασίες που παρουσιάζονται σε διάφορα εθνικά και διεθνή συνέδρια.

Τον Ιούλιο του 2023, η IRS κυκλοφόρησε κατευθυντήριες γραμμές για τον υποβρύχιο θόρυβο και τις μετρήσεις που εκπέμπονται για την παροχή μεθοδολογίας και κριτηρίων για την αξιολόγηση του URN από σκάφη. Αυτές οι οδηγίες, ευθυγραμμισμένες με τις συστάσεις του IACS, περιλαμβάνουν επίσης σημειώσεις κλάσης URN για διάφορους τύπους πλοίων και/ή λειτουργίες πλοίων. Αυτές οι σημειώσεις απονέμονται μετά την επιτυχή ολοκλήρωση των δοκιμών και δοκιμών μέτρησης URN, όπως κρίνεται σχετικό και ισχύει.

Ο δρόμος μπροστά

Η πολυπλοκότητα του θέματος επιδεινώνεται περαιτέρω από την ποικιλία τύπων σκαφών, τις συνθήκες λειτουργίας και τις επακόλουθες επιπτώσεις στη θαλάσσια άγρια ​​ζωή σε ωκεάνια περιβάλλοντα, τα οποία απαιτούν διεξοδική εξέταση. Ο ΙΜΟ έχει ξεκινήσει ένα σχέδιο δράσης γνωστό ως Experience Building Phase (EBP) για να διευκολύνει την ανταλλαγή διδαγμάτων και βέλτιστων πρακτικών μεταξύ των κρατών μελών και των διεθνών οργανισμών σχετικά με την εφαρμογή των αναθεωρημένων κατευθυντήριων γραμμών.

Καθ’ όλη τη διάρκεια του EBP, που προβλέπεται να διατηρηθεί έως το 2026 και πιθανώς να παραταθεί, θα υπάρχει μια συγκεντρωμένη εξέταση των επιπτώσεων της μείωσης του URN στη θαλάσσια άγρια ​​ζωή. Επιπλέον, θα δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην αξιολόγηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα μέτρα ευθυγραμμίζονται με τις εντολές του ΙΜΟ για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης. Σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες κατευθυντήριες γραμμές του ΙΜΟ, πολλά λιμάνια έχουν αρχίσει να προσφέρουν κίνητρα σε πλοία που υιοθετούν καύσιμα χαμηλών εκπομπών και πιο αθόρυβες τεχνολογίες, υπογραμμίζοντας μια αυξανόμενη παγκόσμια ώθηση για την αντιμετώπιση της θαλάσσιας ηχορύπανσης.

Έργα όπως το GloNoise Partnership καταδεικνύουν την προορατική στάση του ΙΜΟ για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος. Ωστόσο, περαιτέρω έρευνα είναι απαραίτητη για την ακριβή ποσοτικοποίηση της ηχορύπανσης των ωκεανών και για τη δημιουργία παγκοσμίως αποδεκτών μετρήσεων αξιολόγησης για τη μέτρηση των επιπτώσεών της στη θαλάσσια ζωή. Επί του παρόντος, υπάρχει έλλειψη κριτηρίων καθοδήγησης για τα κατώφλια έκθεσης στο θόρυβο που επηρεάζουν τα θαλάσσια είδη λόγω σημαντικών ελλείψεων γνώσης σε διάφορες ανθρωπογενείς πηγές.

Η ποσοτικοποίηση του URN συνήθως βασίζεται σε μεθόδους πρόβλεψης ή μετρήσεις υποβρύχιου θορύβου στη θάλασσα, με διάφορες μεθόδους και πρότυπα μέτρησης που υπάρχουν. Η εναρμόνιση αυτών των προσεγγίσεων σε παγκόσμιο επίπεδο είναι απαραίτητη για τη διασφάλιση της συνέπειας και της ακρίβειας στην αξιολόγηση της υποβρύχιας ηχορύπανσης από τις ναυτιλιακές δραστηριότητες. Αυτή η προσπάθεια εναρμόνισης θα είναι ζωτικής σημασίας για τη διευκόλυνση αποτελεσματικών στρατηγικών μετριασμού και την προώθηση βιώσιμων θαλάσσιων πρακτικών. Οι μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες που θα επικεντρωθούν στην ηχορύπανση των πλοίων και τις επιπτώσεις της στο θαλάσσιο περιβάλλον θα είναι καθοριστικές για τη διατήρηση όλων των θαλάσσιων οικοτόπων. Επιπλέον, θα χρησιμεύσουν ως κρίσιμο θεμέλιο για την ενημέρωση μελλοντικών νομοθετικών αποφάσεων και τη θέσπιση κατευθυντήριων γραμμών για τα κριτήρια θορύβου.

Αριθμητική μοντελοποίηση URN

Η πρόβλεψη URN επικεντρώνεται σε σενάρια απομακρυσμένου πεδίου, συνήθως σε αποστάσεις που υπερβαίνουν τα 100 μέτρα από το πλοίο. Στο μακρινό πεδίο, ο ήχος διαδίδεται ως σφαιρικά κύματα και το επίπεδο ηχητικής πίεσης μειώνεται με την αύξηση της απόστασης, τηρώντας τον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου. Ενώ τα πλοία μπορούν να προσεγγιστούν ως μονοπολικές πηγές λαμβάνοντας υπόψη πολλαπλές πηγές θορύβου, όπως ο θόρυβος μηχανών, η σπηλαίωση της προπέλας και ο υδροδυναμικός θόρυβος ροής. Ο υπολογισμός της υπογραφής URN του πλοίου περιλαμβάνει δύο κύρια βήματα: Υπολογισμός επιπέδου θορύβου ακτινοβολίας (RNL): αυτό το βήμα καθορίζει την υπογραφή θορύβου ενός συγκεκριμένου πλοίου στο μακρινό πεδίο. Αυτή η υπογραφή μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί σε αναπαράσταση κοντινού πεδίου χρησιμοποιώντας έναν γεωμετρικό συντελεστή διόρθωσης διασποράς. και Υπολογισμός επιπέδου πηγής (SL): το SL αντιπροσωπεύει το επίπεδο θορύβου που εκπέμπεται από το πλοίο. Αυτό υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το RNL διορθωμένο με απώλειες διάδοσης. Συνδυάζοντας το SL με τις συνθήκες περιβάλλοντος λειτουργίας, μπορούμε να υπολογίσουμε τα επίπεδα υποβρύχιου θορύβου που δημιουργούνται από το πλοίο σε διάφορες αποστάσεις.

«Η μελλοντική έρευνα θα είναι καθοριστική για τη διατήρηση όλων των θαλάσσιων οικοτόπων»

Αναλύοντας το SL διαφορετικών πλοίων και τις συνθήκες λειτουργίας τους, οι ερευνητές και οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής μπορούν να εντοπίσουν περιοχές με υψηλά επίπεδα θορύβου και να εφαρμόσουν μέτρα για τον μετριασμό των επιπτώσεων στη θαλάσσια βιοποικιλότητα.

Η IRS χρησιμοποιεί προηγμένες αριθμητικές τεχνικές, όπως η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA), η στατιστική ανάλυση ενέργειας (SEA), η υπολογιστική ρευστοδυναμική (CFD) και η μέθοδος οριακών στοιχείων (BEM), για την αξιολόγηση και τον μετριασμό του υποβρύχιου θορύβου ακτινοβολούμενου (URN) τόσο σε εμπορικά όσο και σε ναυτικά πλοία για περισσότερα από πέντε χρόνια. Αυτές οι τεχνικές συζητούνται εν συντομία στις παρακάτω ενότητες.

Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA): Αυτή η τεχνική είναι κατάλληλη για δομική ανάλυση χαμηλής συχνότητας, ιδιαίτερα για συχνότητες κάτω των 500 Hz. Η τεχνική Perfectly Matched Layer (PML) χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση της απορρόφησης εξερχόμενων κυμάτων χωρίς αντανακλάσεις. Χρησιμοποιώντας ένα προσαρμοστικό μοντέλο PML, σε συνδυασμό με την ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA), το ακουστικό στρώμα που περιβάλλει την επιφάνεια του κύτους μπορεί να μοντελοποιηθεί με ακρίβεια, με ιδιότητες θαλασσινού νερού. Το πάχος του στρώματος PML τυπικά ορίζεται στο 30% του ακουστικού μήκους κύματος στην κεντρική συχνότητα κάθε “ζώνης συχνοτήτων PML”. Αυτές οι ζώνες συχνοτήτων δημιουργούνται αυτόματα για να χειρίζονται αποτελεσματικά ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων.

Συνδυάζοντας το FEA με το μοντέλο PML, η ακτινοβολία και η διασπορά του Structural Borne Noise (SBN) από την επιφάνεια του κύτους στο θαλασσινό νερό μπορεί να συλληφθεί αποτελεσματικά.

Υπολογιστική Ρευστοδυναμική (CFD) και Μέθοδος οριακών στοιχείων (BEM): Για υδροακουστικές προβλέψεις, χρησιμοποιείται μια προσέγγιση δύο σταδίων. Αρχικά, το CFD χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της ροής γύρω από το κύτος και την έλικα και στη συνέχεια το BEM χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ακουστικού πεδίου που εκπέμπεται από την έλικα μαζί με τα προσαρτήματα.

Καθώς η φόρτωση ρευστού παίζει σημαντικό ρόλο στη δόνηση του κύτους, ειδικά σε χαμηλές συχνότητες, το μοντέλο FEA-PML χρησιμοποιείται για την ανάλυση της επίδρασης της φόρτισης ρευστού μαζί με την υδροακουστική πίεση.

Η ακριβής πρόβλεψη του θορύβου της προπέλας είναι ζωτικής σημασίας για τη συνολική αξιολόγηση του URN. Οι συμβατικές τεχνικές, όπως η εξίσωση Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H), παρέχουν γρήγορα αποτελέσματα αλλά έχουν περιορισμούς στη μοντελοποίηση των φαινομένων σκέδασης από το κύτος και την ελεύθερη επιφάνεια.

Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, η μέθοδος οριακών στοιχείων (BEM) χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη του υποβρύχιου ακτινοβολούμενου ήχου στον εξωτερικό τομέα. Τα μοντέλα BEM ενσωματώνουν κυμαινόμενη πηγή ανεμιστήρα (FFS) για να αναπαραστήσουν την επιφάνεια της περιστρεφόμενης έλικας και να λάβουν υπόψη τα φαινόμενα σκέδασης από κοντινές κατασκευές.

Συνολικό επίπεδο θορύβου ακτινοβολίας (RNL): Για να προσδιοριστεί το συνολικό επίπεδο ακτινοβολούμενου θορύβου (RNL) ενός πλοίου, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη οι συνεισφορές από διάφορες πηγές θορύβου, όπως έλικες, μηχανήματα και υδροδυναμική ροή. Αυτές οι πηγές θορύβου είναι γενικά ασυνάρτητες, οι μεμονωμένες συνεισφορές τους συνδυάζονται λογαριθμικά. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην αρχή της πρόσθεσης έντασης ήχου, όπου η συνολική ένταση ήχου είναι το άθροισμα των επιμέρους εντάσεων.

Μόλις ληφθεί η συνολική υπογραφή RNL, το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός του επιπέδου πηγής URN (SL). Η υπογραφή RNL μετράται σε συγκεκριμένη απόσταση από το πλοίο.

Αργότερα, το επίπεδο πηγής URN (SL) υπολογίζεται από τη συνολική υπογραφή RNL που διορθώθηκε με απώλειες διάδοσης. Συνδυάζοντας το SL με τις συνθήκες περιβάλλοντος λειτουργίας, μπορούμε να υπολογίσουμε τα επίπεδα υποβρύχιου θορύβου που δημιουργούνται από το πλοίο σε διάφορες αποστάσεις. Συνδυάζοντας το υπολογισμένο SL με πληροφορίες για το λειτουργικό περιβάλλον του πλοίου, όπως η ταχύτητα του ήχου, το βάθος του ωκεανού και η βαθυμετρία του, είναι δυνατό να εκτιμηθούν τα επίπεδα υποβρύχιου θορύβου που παράγονται από το πλοίο σε διάφορες αποστάσεις. Αυτό περιλαμβάνει την εξέταση παραγόντων όπως η απώλεια διάδοσης, η σκέδαση και η απορρόφηση του ήχου στο νερό.

Περαιτέρω εργασία σε αριθμητικά μοντέλα

Η διάδοση του ήχου στον ωκεανό είναι ένα σύνθετο φαινόμενο που επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως το βάθος, η θερμοκρασία, η αλατότητα και τα χαρακτηριστικά του βυθού. Για να προβλέψουν με ακρίβεια τη διάδοση του ήχου, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μια ποικιλία αριθμητικών τεχνικών που βασίζονται στην εξίσωση των κυμάτων. Αυτές οι τεχνικές, όπως η ανίχνευση ακτίνων, η κανονική λειτουργία και τα μοντέλα παραβολικών εξισώσεων, λαμβάνουν υπόψη τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηχητικών κυμάτων και του ωκεάνιου περιβάλλοντος.

Ενώ έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της διάδοσης του ήχου, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τη βελτίωση αυτών των μοντέλων, ιδιαίτερα για συγκεκριμένες περιοχές όπως η ινδική ακτογραμμή. Η μοναδική βαθυμετρία και οι ωκεανογραφικές συνθήκες του Ινδικού Ωκεανού παρουσιάζουν συγκεκριμένες προκλήσεις που απαιτούν προσαρμοσμένες προσεγγίσεις μοντελοποίησης.

Με την ενσωμάτωση παραγόντων όπως η θερμοκρασία, η αλατότητα και τα προφίλ ταχύτητας ήχου σε αριθμητικά μοντέλα, οι ερευνητές μπορούν να αναπτύξουν πιο ισχυρές και ακριβείς προβλέψεις για τη διάδοση του ήχου. Αυτή η βαθύτερη κατανόηση θα μας επιτρέψει να αξιολογήσουμε τον αντίκτυπο του URN στα θαλάσσια οικοσυστήματα και να αναπτύξουμε αποτελεσματικές στρατηγικές μετριασμού.

Η IRS εργάζεται ενεργά για την ανάπτυξη προηγμένων αριθμητικών μοντέλων για την προσομοίωση της διάδοσης του ήχου στο ωκεάνιο περιβάλλον. Αξιοποιώντας αυτά τα εργαλεία, η IRS στοχεύει να συμβάλει στις συνεχείς προσπάθειες για τον μετριασμό των δυσμενών επιπτώσεων της υποβρύχιας ηχορύπανσης.