Risk assessment of underwater sound emissions : impact on marine environment

The marine environment is affected by numerous human activities which are exerting and increasing the environmental pressure on the oceans, threatening marine ecosystems. Among the sources of impact to the marine environment one of the most discussed an still poorly known is the human induced underwater noise. The most recent policy for the protection of the marine environment, the Marine Strategy Framework Directive, MSDF (2008/56/EC), specifically mentions the problem of noise pollution and provides a legal framework for addressing this issue. In particular, the EU Directive represents the first international legal instrument to explicitly include man-made underwater noise within the definition of pollution (Article 3 (8)) and listed the underwater noise (Annex III, Table 2) among the indicative list of pressures and impacts. Anthropogenic noise also listed as the 11th “environmental descriptor” (introduction of energy, including underwater noise, at levels that do not adversely affect the marine environment) and uses it to define the good environmental status (Annex I (11)) of the marine environment. Two criteria were proposed to characterize the descriptor 11: “loud low and mid frequency impulsive sounds” and “continuous low frequency sounds”. Extremely loud impulsive underwater noise is generated by air-guns, widely used for geophysical explorations for the oil and gas industry as well as for military use. Recent observations of marine mammal strandings coincident with loud, anthropogenic sounds have raised the awareness on the potential impact of such sounds on sensitive species and populations. In particular, military, mid-frequency sonars, widely used throughout the world for ocean defence, have been linked to marine mammal strandings. To date alternative technologies are not readily available. On the other hand, low frequency acoustic pollution is mainly generated by maritime traffic that can be considered continuous over time and may affect very large areas, with the potential consequence of obstructing the communication between animals and triggering therefore adverse effects at population level. Most recently, the interest in the exploitation of offshore renewable energy sources (such as wind, wave and tidal energy) is expected to put additional pressures to the marine environment. In order to manage the impact that acoustic energy may have on the marine environment, and particularly on marine mammals, a quantification of the risks is needed. The determination of the potential of exposure to noise and the improved understanding of the effects of the different noise sources on the species distribution and habitat preferences, are urgently needed. Therefore, main scope of this research, funded by the U.S. Office of Naval Research (Grant N: N00014-10-1-0533), is to provide tools for the definition of a knowledge-based decision support framework in the perspective of the Strategic Environmental Assessment (Dir. 2001/42/EC) for managing the impact of the noise-producing human activities. A review of the available literature regarding the potential impacts of underwater noise on marine life, and in particular on cetaceans (i.e. beaked whales) has been carried out. The review enounced that habitat loss seems to be the most evident effect of underwater noise to marine mammal species, therefore a key element for the success of the managing of vulnerable species of conservation concern is the knowledge of the species’ habitat occupancy. Determining the potential of noise exposure and improving the understanding of the species’ distribution and habitat preferences, through the identification of effective environmental predictors, may help managers and sound-producers in predicting which areas support high densities and deserve therefore a higher protection level. Nevertheless, most of the habitat modelling studies currently in use, are based on the use of static variables (i.e. depth, slope, aspect, elevation, topographic position) since these are generally easily attainable and are often used because of their good correlation with observed species patterns. However, ocean dynamics may also affect the distribution and behavior of whales and the organisms forming the food web upon which the whales feed, through phenomena such as concentration of nutrients and increase of primary production or aggregation of biomass due to convergence of water masses. The investigation of the possibility to use dynamic variables (i.e. remote sensed such as chlorophyll-a or collected in situ such as temperature, salinity, sound velocity, dissolved oxygen, fluorescence and turbidity) to model the species presence, represent the specific objective of the U.S. Office of Naval Research grant. The distribution of vulnerable species was evaluated in two areas of the Mediterranean Sea: The Ligurian Sea (north-western Mediterranean Sea) and the Alboran Sea (south-western Mediterranean Sea). Data on the distribution of marine mammals were collected through visual observations and acoustic detections. The study areas were subdivided into grids of cells, of sufficient size to prevent spatial autocorrelation, and chosen as unit of analysis for this study. Spatial information on both dynamic (e.g. dissolved oxygen, temperature, salinity, density, etc) and static (e.g. depth and slope) environmental parameters has also been gridded. This type of data constituted the calibration and evaluation set for the models to be developed. A Stepwise Logistic Regression approach was used to model species presence/absence. Dynamic predictors were proven less effective than static predictors in predicting Cuvier’s beaked whale presence probability, although ocean dynamics were shown to play an important role in shaping the habitat of this species. In addition, predictions developed in the Ligurian Sea, employing bathymetric and chlorophyll features as predictors, were used for the “a priori” predictions of the Cuvier’s beaked whale’s presence in an area different from the calibration site: the Alboran Sea. The accuracy of the a priori predictions were evaluated by using visual observations and acoustic detections collected during a dedicated research campaign in the Alboran Sea. The accuracy of these predictions was found adequate and the results were used to develop a risk map as a tool for the preliminary risk assessment of ‘‘unsurveyed’’ areas. The potential exposure to continuous low frequency sounds was also evaluated by using the results of the acoustic model developed by the Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale Toscana (ARPAT) in collaboration with the Istituto di Acustica e Sensoristica (IDASC), under the framework of the GIONHA (Governance and Integrated Observation of marine Natural Habitat) project. The noise model was developed by using Automatic Identification System (AIS) data on ship traffic collected in 2009 in the Pelagos Sanctuary (Ligurian Sea) and was aimed to characterize and quantify the noise induced by shipping in the Sanctuary. Such acoustic model was developed by taking into account the bathymetry, the sound speed profiles, the dissipation loss, the reflectivity and the refraction due to the sea surface and the different geophysical components of the sea floor (e.g. clay, sand, etc.). Noise maps has been realized for the Ligurian Sea area. These maps were overlaid with an index of biodiversity which was evaluated on the basis of the predictions of the habitat models developed for the seven species of cetaceans living in the Ligurian Sea area. This approach was used to evaluate the actual level of impact in the Pelagos Sanctuary and to mitigate future impacts (i.e. regulating the naval routes in the most critical areas). Finally, a Marine Spatial Planning approach was used to assess the extent of multiple pressure insisting on the same area and to support the optimal planning (i.e. optimal siting) for new marine renewable energy infrastructures in the perspective of the Strategic Environmental Assessment. The recent interest in the exploitation of offshore renewable energy sources (e.g. wind, wave and tidal energy) is, in fact, expected to put additional pressures on the marine environment. These new developments will bring increased noise exposure, both during construction (e.g. pile driving) and operation (e.g. wind turbines). In this analysis a spatial planning approach was applied at a regional (Baltic Sea, northern Europe) and a local scale (northern Californian Coast, Pacific Ocean) for different case studies. The environmental background was considered through sets of multiple indicators of the environmental vulnerability (e.g. marine biodiversity, presence of vulnerable species) and by means of indexes of the cumulative pressure deriving from the human activities (e.g. shipping, operational wind farms, aquaculture etc.). Such indicators were aggregated into environmental impact indexes that constituted the basis for evaluating the site suitability for new Marine Renewable Energy Installations (MREIs). Concurrently, areas of potential conflicts between the interests of MREI developers, commercial and recreational users were identified. The Marine Spatial Planning approach has the potential to guide the transition from the single sector management toward the integrated management of sea uses.

L’ambiente marino è interessato da diverse attività antropiche, molte delle quali producono emissioni acustiche. L’attenzione da parte dell’opinione pubblica, degli istituti di ricerca e gestione ambientale e delle marine militari per i potenziali effetti che le emissioni sonore di origine antropica potrebbero avere sull’ecosistema marino, sta rapidamente aumentando nel contesto nazionale ed internazionale. A livello europeo la gestione degli impatti delle emissioni sonore in ambiente marino rappresenta una tematica di crescente interesse in virtù dell’emanazione della Direttiva Strategica Mare (Dir. 2008/56/C) che ha posto l’accento su questo particolare tipo di impatto nel quadro delle azioni comunitarie in materia di politica ambientale marina. La Direttiva comunitaria, approvata nel giugno 2008, inserisce infatti il "rumore sottomarino prodotto dall'uomo" all'interno della definizione di "inquinamento" (art. 3, punto 8) e lo elenca nella lista di pressioni (Descrittore 11) da analizzare e monitorare (Tabella 2 dell'Allegato III) ai fini della determinazione del buono stato ecologico degli ambienti marini (Allegato I, punto 11) e della preparazione delle strategie di tutela. Gli indicatori attualmente proposti per la caratterizzazione del Descrittore 11 (Introduzione di energia, comprese le fonti sonore sottomarine, è a livelli che non hanno effetti negativi sull’ambiente) sono stati classificati in due categorie “suoni impulsivi di elevata potenza a media e bassa frequenza” e “suoni continui e diffusi a bassa frequenza”. Fra le attività antropiche che producono emissioni sottomarine sonore impulsive e localizzate a media e bassa frequenza, i sonar militari, le attività di prospezione geosismica occupano sicuramente un posto di particolare rilievo. Tra gli effetti più eclatanti che i suoni impulsivi a media e bassa frequenza posso provocare sull’ambiente marino, vi sono i fenomeni di spiaggiamento di mammiferi marini correlati con la presenza di emissioni sonore sottomarine di elevata potenza. Tali avvenimenti hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica sul potenziale impatto che tali emissioni possono provocare su specie e popolazioni marine. Le principali sorgenti sonore implicate sono i sonar a bassa e media frequenza utilizzati per esercitazioni militari e operazioni di sorveglianza e difesa dei mari. Ad oggi non esistono tecnologie alternative per adempiere a tali utilizzi. Al contrario i suoni diffusi e continui a bassa frequenza sono imputabili in larga parte al rumore prodotto dal traffico navale. Questa fonte di rumore diffusa a scala globale può causare innalzamenti del livello medio di rumore in mare ostacolando la comunicazione tra gli organismi marini fino ad avere effetti sulla distribuzione delle popolazioni stesse. Oltre a queste principali sorgenti di rumore la ricerca di fonti energetiche rinnovabili, che ormai da circa un decennio ha reso l’ambiente marino sempre più interessante nella prospettiva energetica, rappresenta con le sue infrastrutture un nuovo possibile fattore di impatto che può portare alla perdita di habitat per diverse specie della fauna marina. Per delineare appropriatamente un quadro del rischio ambientale indotto dalla presenza di queste attività è necessario implementare le conoscenze sulla distribuzione e utilizzo dell'habitat delle specie sensibili a tali pressioni con quelle relative alla propagazione acustica delle sorgenti utilizzate. É inoltre fondamentale considerare l’impatto del rumore sottomarino nel contesto delle diverse pressioni già esistenti. Tuttavia se il quadro conoscitivo alla base dei criteri per la gestione di alcune problematiche, quali l'inquinamento chimico o il prelievo di biomassa, può ritenersi sufficientemente "consolidato" le conoscenze relative alla problematica del rumore sottomarino sono ancora lontane dal poter essere di supporto alle decisioni. Scopo del progetto di ricerca, finanziato dall’U.S. Office of Naval Research (N° Grant N00014-10-1-0533), è stato mettere a punto una metodologia per l’analisi del rischio ambientale del rumore sottomarino prodotto dalle principali attività antropiche. La prospettiva è quella del supporto alle decisioni di gestione attraverso una valutazione anticipata degli impatti associati alle diverse attività antropiche, nel tracciato della Valutazione Ambientale Strategica, VAS (Dir. 2001/42/EC) che consente di rendere più mirate le scelte di pianificazione e l’adozione preventiva di misure di mitigazione adeguate. Per delineare appropriatamente un quadro del rischio ambientale indotto dalla presenza di attività antropiche è stato necessario implementare le conoscenze sulle diverse sorgenti di rumore sottomarino con quelle sulla distribuzione e utilizzo dell'habitat delle specie sensibili a tali impatti attraverso una revisione critica della letteratura. L’analisi della letteratura scientifica ha evidenziato come la perdita di habitat, relativa a diverse specie di mammiferi marini dell’ordine Cetacea (es. specie appartenenti alla Famiglia Ziphiidae) più o meno sensibili al rumore, sia l’effetto più evidente prodotto da questo tipo di impatto, pertanto la capacità di previsione di questa perdita costituisce un potente supporto conoscitivo decisionale per la gestione di questi impatti. Al fine di valutare i fattori che hanno un effetto sulla distribuzione dei mammiferi marini è stato necessario individuare dei predittori efficaci tra quelli potenzialmente disponibili, sulla base della loro capacità previsionale distinguendo il caso dei predittori statici (topografici, ad esempio la pendenza e la profondità del fondale), maggiormente disponibili ma meno rispondenti al dinamismo degli ambienti marini, da quello dei predittori dinamici (telerilevati come la concentrazione di clorofilla-a oppure raccolti direttamente per mezzo di sonde multiparametriche in colonna d’acqua come temperatura, salinità, densità, ossigeno disciolto, torbidità, velocità del suono e fluorescenza) che meglio caratterizzano la variabilità della colonna d’acqua. Le possibilità di utilizzo di predittori dinamici per la previsione degli habitat delle specie sensibili è il tema specifico oggetto del finanziamento dell’U.S.Office of Naval Research. La distribuzione delle specie sensibili alle emissioni acustiche è stata valutata in due zone del Mar Mediterraneo: Il Mar Ligure (Mediterraneo nord occidentale) e il Mare di Alboran (Mediterraneo sud occidentale). I dati sulla distribuzione delle specie sono stati raccolti tramite osservazioni dirette (osservazione delle specie) oppure attraverso la loro rilevazione indiretta (rilevazione acustica delle vocalizzazioni degli animali). Per effettuare l’analisi di rischio le aree considerate sono state analizzate con un software di georeferenziazione GIS e suddivise in celle di dimensioni sufficienti ad evitare fenomeni di autocorrelazione spaziale e a minimizzare le incertezze connesse alla necessità di interpolare i dati nello spazio. La cella è stata scelta come unità di analisi per questo studio. Pertanto all’interno di ciascuna cella è stata analizzata, utilizzando tecniche di regressione (Regressione Logistica Stepwise), la presenza/assenza di specie target, costituendo la probabilità di presenza l’output dei modelli predittivi. L’informazione spaziale sui parametri ambientali, statici e dinamici, è stata ugualmente processata in modo da assegnare un set di parametri ad ogni cella. Questo tipo di matrici di dati ha costituito il set di calibrazione e validazione per i modelli predittivi. Questo studio ha evidenziato come sia i predittori statici sia i dinamici possano essere utilizzati per sviluppare modelli di previsione sulla presenza delle specie sensibili alle emissioni acustiche in Mediterraneo. Tuttavia per la specie target indagata, Ziphius cavirostris, i predittori statici hanno dimostrato una maggior accuratezza nella previsione di presenza della specie rispetto all’utilizzo dei predittori dinamici (70% vs 60%). I risultati dei modelli di previsione calibrati nella zona del Mar Ligure sono stati utilizzati per costruire una mappa di previsione “a priori” di presenza della specie nel Mare di Alboran. L’accuratezza del modello è stata poi validata dai dati di presenza (acustici e visivi) raccolti nel Mare di Alboran. I risultati hanno mostrato una buona accuratezza del modello a priori nel classificare le zone di presenza della specie. I risultati ottenuti sono stati utilizzati al fine di sviluppare una mappa di rischio potenziale per le emissioni acustiche a media e bassa frequenza (es. sonar militari) e fornire quindi uno strumento concreto di gestione di tali impatti. La potenziale esposizione delle specie a suoni continui a bassa frequenza è stata valutata utilizzando i risultati di un modello di propagazione del rumore del traffico navale sviluppato nella zona del Santuario dei Cetacei (Mar Ligure) dall’Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale Toscana (ARPAT) in collaborazione con l’Istituto di Acustica e Sensoristica (IDASC), nel contesto del progetto transfrontaliero GIONHA (Governance and Integrated Observation of marine Natural Habitat). La modellazione del rumore sottomarino è stata sviluppata da ARPAT nella zona del Mar Ligure utilizzando come input i dati di traffico marittimo relativi all’anno 2009, provenienti dal Sistema di Identificazione Automatica (AIS - Automatic Identification System). La modellazione del rumore è stata implementata tenendo conto dei parametri ambientali che influenzano la propagazione dei suoni come la batimetria del fondale, i profili di velocità del suono dovuti alle differenze di temperatura e densità delle masse d’acqua e le proprietà geoacustiche del fondale marino (densità, attenuazione e velocità del suono). Sono state realizzate così mappe di rumore che tengono conto della variabilità stagionale dei parametri ambientali. In questo caso, il potenziale di esposizione delle specie è stato valutato integrando le mappe di rumore con un indice di biodiversità valutato nella zona del Mar ligure sulla base dei risultati dei modelli previsionali basati sui predittori statici. Infine è stata messa a punto un’analisi multicriteriale per la ricognizione degli elementi di vulnerabilità ambientale marina (presenza di specie sensibili, indici di biodiversità marina) nel contesto cumulativo delle pressioni (es. pressione di pesca, emissioni acustiche, inquinamento chimico) dovute alle attività antropiche in mare (es. pesca, acquacoltura, traffico navale, presenza di infrastrutture off-shore), al fine di individuare la miglior collocazione di nuove infrastrutture deputate allo sfruttamento di energie marine rinnovabili (parchi eolici, convertitori di energia dalle onde). Questo approccio, tipico del Marine Spatial Planning, rappresenta una sintesi operativa dei principi alla base del tema di ricerca del presente Dottorato e fornisce un esempio di implementazione di modelli di analisi spaziale di supporto alle decisioni per la scelta tra siti alternativi per l’inserimento di nuove infrastrutture deputate allo sfruttamento di energie marine rinnovabili nell’ottica della Valutazione Ambientale Strategica. L’analisi spaziale multicriteriale è stata eseguita come supporto alle decisioni per il posizionamento di infrastrutture per lo sfruttamento di energia da fonti rinnovabili (moto ondoso, parchi eolici) per due diversi casi di studio: a scala regionale (Mar Baltico) e a scala locale (coste californiane nord occidentali, Oceano Pacifico). Nei modelli spaziali sono stati fatti confluire indicatori di vulnerabilità ambientale relativamente alla presenza di specie sensibili e alla biodiversità (mappe di distribuzione), ed indicatori sulle pressioni antropiche di maggior impatto negli ambienti marini (mappe di rumore, pressione di pesca, inquinamento chimico, estrazione di petrolio e gas naturale). L’analisi ha consentito di identificare il miglior compromesso tra sfruttamento dell’ambiente marino a scopo energetico, pressioni già esistenti e compatibilità ambientale, individuando i siti ottimali per il posizionamento di nuove infrastrutture all’interno delle aree considerate. L’obiettivo in questo caso è stato la delineazione di un possibile framework decisionale per il supporto alle decisioni di gestione dell’ambiente marino in funzione degli impatti cumulativi che agiscono sulle aree considerate.