Use of acoustic methods for the protection of harbour porpoises (Phocoena phocoena) in German Waters

Harbour porpoises Phocoena phocoena in German waters are faced with a variety of different anthropogenic and natural stressors that can have serious effects on population development. Anthropogenic stressors include prey depletion, influences of chemical and pharmaceutical toxins, by-catch in static fishing gear, noise pollution and habitat degradation. Climate influences add to these stressors and may pose both natural as well as anthropogenic threats. Pile-driving noise for construction of offshore wind farms is a new influence that is suspected to have adverse effects on porpoises. Within German waters three subpopulations of porpoises can be found. The North Sea subpopulation extends into the Skagerrak and parts of the Kattegat, the Belt Sea subpopulations reaches from these regions into the waters of the Kiel and Mecklenburg Bight while the Baltic Proper subpopulation has its presumed boundaries at the Darß and Limhamn Sills and populates the waters of the inner Baltic Sea. While the abundance of porpoises in the North Sea seems stable, this has been questioned for the Belt Sea subpopulation. The Baltic Proper subpopulation is recognized as ‘critically endangered’ by the IUCN (International Union for Conservation of Nature) red list and surveys within the last decades have not lead to conclusive abundance estimates due to the scarcity of sightings. Within this study Stationary Acoustic Monitoring (SAM) with echolocation click loggers (T-PODs – Timing Porpoise Detectors and C-PODs – Cetacean PODs, both Chelonia Ltd., UK) was used to describe distribution patterns of porpoises and analyse factors driving acoustic presence of porpoises in German waters. Harbour porpoises use echolocation almost constantly and hence registrations on the loggers represent a relative measure for porpoise presence in an area. This relatively new method is still developing rapidly and neither analysis strategies nor devices are standardized as has been done for other assessment methods. However, when using these devices for monitoring, effect monitoring and other long-term studies, it is essential to standardize the instruments, as well as to develop standard procedures for data evaluation. To account for variability of the loggers, a rigorous calibration of the instruments was conducted prior to field trials and repeatedly over time. The results indicate that the older T-PODs (Chelonia Ltd., UK) had a wide variation in detection thresholds at the beginning of the study, but newer versions were found to be well standardized. For C-PODs (Chelonia Ltd., UK), the digital successor of the T-POD, the calibration showed a much better standardization at the preferred porpoise vocalisation frequency of 130 kHz. Other frequencies were less comparable indicating that surveys for species using lower frequencies must obtain calibration data for their instruments. The first long-term deployment of up to 42 T-PODs in the German Baltic Sea documented strong geographical and seasonal differences in porpoise occurrence. Instruments deployed closer together gathered more comparable data than devices further away. This indicates that these differences represent a genuine occurrence pattern with higher detection rates in westerly waters, which gradually decrease towards the Pomeranian Bay in the east. Overall, more porpoises were registered from spring to fall, indicating a possible relationship to herring as one preferred prey item. A second long-term study was conducted to analyse the echolocation behaviour of porpoises east of the Darß and south of the Limhamn Sill. Detection rates showed two peaks in seasonal occurrence of porpoises at these sites. This result indicates most likely that porpoises from both subpopulations in German waters use the area of the Pomeranian Bay in an alternating pattern of habitat use: porpoises from the Belt Sea distribute throughout German waters from spring to fall, with maximum detection rates in summer, while Baltic Proper porpoises use the area during winter to avoid suffocation in the closed ice cover in the inner Baltic waters. The modelling indicated that salinity was a significant factor for presumed Belt Sea animals, while temperature had significant influences on all detection rates. To estimate the impact of pile-driving noise on porpoises a third long-term study was conducted off the German coast close to Borkum Reefground, where the first German offshore wind farm alpha ventus was constructed from 2008 to 2009. Visual observations showed a strong displacement of porpoises during pile-driving out to a distance of ~20 km around the pile-driving site during a survey exactly timed to the piling activities. Acoustic monitoring showed reduced detection rates close to the pile-driving operation in distances up to 11 km. There were no stations between 11 and 23 km distance. At 25 and 50 km distance detection rates increased indicating that porpoises were possibly displaced towards these positions and hence a behavioural reaction was recorded outside of the displacement radius. Furthermore, the duration of porpoise absence during and after pile-driving was correlated with the duration of pile-driving. From this data it remained unclear whether the displacement process was fully completed. To mitigate effects, such as described for the construction of alpha ventus, more work is necessary to find suitable noise mitigation measures. In a previous project it was shown that a stacked bubble curtain greatly reduced the sound levels, as well as the behavioural reaction in captive porpoises during harbour construction work in Denmark. In a follow up project it was tested which factors actually led to the large attenuation and how different nozzle layouts in a test tank environment under controlled conditions lead to changed attenuation rates. A second test of a single system was carried out in Kiel harbour. For both of these trials an underwater loudspeaker served as the sound source and modulated sine wave impulses were used to test attenuation efficacy. The resulting attenuation rates were much larger than previously reported. This is most probably linked to the sound source that was used in these experiments, which does not behave like a pile being driven. The pile is a line source with contact to three media: air, water and sediment. We tested only the water transmission path in these experiments. However, transmission through the sediment may play a large role in offshore conditions and must be accounted for within future offshore construction work.

Schweinswale Phocoena phocoena in deutschen Gewässern sind verschiedenen anthropogenen und natürlichen Stressoren ausgesetzt, die erhebliche Auswirkungen auf die Populationsentwicklung haben können. Dazu gehören vermindertes Beutevorkommen, Einflüsse von chemischen und pharmazeutischen Toxinen, Beifang in stationären Netzen der Fischerei, Schalleinflüsse und Habitatveränderungen. Weiterhin kommen klimatische Einflüsse hinzu, die sowohl als natürliche als auch als anthropogene Gefährdungen betrachtet werden können. Ein neuer potentiell schädlicher Einfluss für Schweinswale sind Rammgeräusche während der Errichtung von Fundamenten für Offshore-Windparks. In den deutschen Gewässern kommen drei Subpopulationen von Schweinswalen vor. Die Nordsee-Subpopulation kommt ebenfalls in den Gewässern des Skagerraks und zum Teil im Kattegat vor. Die Beltsee-Subpopulation erstreckt sich von dort bis in die Gewässer der Kieler und Mecklenburger Bucht. Die innere Ostsee-Subpopulation hat vermutlich ihre Verbreitungsgrenze an der Darßer und Limhamn-Schwelle und bevölkert die innere Ostsee. Während die Abundanz von Schweinswalen in der Nordsee stabil erscheint, ist dies für die Beltsee-Subpopulation fraglich. Die Subpopulation der inneren Ostsee wird durch die rote Liste der IUCN (International Union for Conservation of Nature) als‚ vom Aussterben bedroht‘ eingestuft. Erfassungen in den letzten Jahrzehnten haben nicht zu belastbaren Bestandszahlen geführt. In dieser Studie wurde Stationäres Akustisches Monitoring (SAM) mit Echoortungsklickloggern (T-PODs – Timing POrpoise Detectors und C-PODs – Cetaceen PODs, beide Chelonia Ltd., UK) eingesetzt, um Aufenthaltsmuster von Schweinswalen zu analysieren und Faktoren zu ermitteln, die die akustische Präsenz von Schweinswalen in deutschen Gewässern beeinflussen. Schweinswale nutzen Echoortung fortwährend und somit entsprechen die Registrierungsraten der Logger (akustische Präsenz) einem relativen Maß für die Anwesenheit von Schweinswalen in diesem Areal. Die relativ neue Methode entwickelt sich derzeit schnell weiter, wobei weder die genutzten Maßeinheiten, noch die Geräte einer generellen Standardisierung unterliegen, wie es für andere Erfassungsmethoden üblich ist. Eine Standardisierung der Geräte und der Auswertungsmethoden zu entwickeln ist unerlässlich, um die Geräte für ein Monitoring, Effektmonitoring oder für andere Langzeitstudien einzusetzen. Eine Kalibrierung der Messgeräte wurde vor den Feldversuchen und in regelmäßigen Abständen wiederholt, um individuelle Unterschiede der Logger zu berücksichtigen. Die Ergebnisse zeigen, dass ältere T-PODs eine große Variation in der Detektionsschwelle zu Beginn der Erfassungen aufwiesen, während neuere Versionen gut standardisiert waren. Für C-PODs zeigte die Kalibrierung eine wesentlich bessere Standardisierung für das von Schweinswalen genutzte Frequenzband um 130 kHz. Andere Frequenzen zeigten weniger vergleichbare Ergebnisse. Dies hat zur Folge, dass für Erfassungen von anderen Walarten mit einer geringeren Vokalisationsfrequenz die Geräte separat kalibriert werden müssen. Starke saisonale und geografische Unterschiede konnten durch die erste Langzeiterfassung in der deutschen Ostsee mit 42 T-PODs gezeigt werden. Geräte mit einem geringeren geografischen Abstand nahmen dabei ähnlichere Daten auf, als solche mit größeren Abständen. Die aufgezeichneten Unterschiede der akustischen Daten spiegeln somit höchstwahrscheinlich korrekte Aufenthaltsmuster wieder. In westlichen Bereichen der deutschen Ostsee wurden höheren Registrierungsraten abnehmend zur Pommerschen Bucht im Osten festgestellt. Es wurden vermehrt Schweinswale im Zeitraum von Frühling bis Herbst registriert. Dies könnte im Zusammenhang mit dem Vorkommen von Hering, einer bevorzugten Beuteart, stehen. Eine zweite Langzeitstudie wurde durchgeführt, um das Echoortungsverhalten von Schweinswalen östlich der Darßer und südlich der Limhamn-Schwelle zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen zwei saisonale Maxima der Schweinswalregistrierungsraten. Schweinswale beider Subpopulationen könnten somit die Gewässer der Pommerschen Bucht alternierend nutzen: Schweinswale der Beltsee-Subpopulation breiten sich von Frühling bis Herbst in deutschen Gewässern aus, mit maximalen Detektionsraten im Sommer, während die innere Ostsee-Subpopulation diese Bereiche im Winter nutzt, um der Erstickungsgefahr unter einer geschlossenen Eisdecke in der inneren Ostsee zu entgehen. Die Modellierung zeigt weiterhin, das Salinität ein wichtiger Faktor für die Registrierungsraten von Schweinswalen in der Beltsee ist, während Temperatur einen hohen Einfluss auf die Registrierungsraten aller Stationen hatte. Um den Einfluss von Rammgeräuschen auf Schweinswale zu ermitteln wurde eine dritte Langzeitstudie vor der deutschen Küste nahe Borkum Riffgrund durchgeführt, wo der erste deutsche Windpark alpha ventus von 2008 bis 2009 errichtet wurde. Visuelle Beobachtungen zeigen eine starke Fluchtreaktion der Schweinswale während der Rammarbeiten in ca. ~20 km Radius um die Baustelle während eines Surveys auf, der exakt zeitgleich mit den Rammarbeiten absolviert wurde. Das akustische Monitoring zeigte reduzierte Registrierungsraten bis in 11 km Distanz. In den Entfernungen zwischen 11 und 23 km waren keine Messinstrumente ausgebracht. In 25 und 50 km Entfernung waren die Detektionsraten erhöht. Dies deutet darauf hin, dass Schweinswale zu diesen Stationen vertrieben wurden. Dementsprechend konnte eine Verhaltensreaktion von Schweinswalen in einem wesentlich größeren Bereich nachgewiesen werden, als der Vertreibungsradius indiziert. Außerdem war die Länge der Abwesenheit von Schweinswalen während und nach der Rammung mit der Dauer der Rammarbeiten korreliert. Aus den aufgezeichneten Daten ist nicht ersichtlich, ob der Vertreibungsvorgang vollständig abgeschlossen war. Um die bei alpha ventus nachgewiesenen Effekte abzumindern ist weitere Forschung notwendig, um geeignete Schallminderungsmethoden zu finden. In einem Vorgängerprojekt wurde gezeigt, dass ein gestufter Luftblasenschleier die Schallpegel, aber auch die Verhaltensreaktionen von Schweinswalen in Gefangenschaft während Hafenbauarbeiten in Dänemark stark reduzierte. Im hier vorgestellten Folgeprojekt wurde getestet, welche Faktoren zu dieser starken Reduktion der Lautstärke von Rammarbeiten geführt haben und wie verschiedene Luftdüsenlayouts sich in einem Laborversuch unter kontrollierten Bedingen auf die Effektivität der Abschwächung auswirken. Ein Feldversuch eines Einzelsystems wurde im Kieler Hafen durchgeführt. Für beide Tests wurden Unterwasserlautsprecher als Schallquelle genutzt, die modulierte Sinussignale bei definierten Testfrequenzen aussandten. Die innerhalb der Tests gemessene Abschwächung war wesentlich größer, als bisher berichtet wurde. Dies ist höchstwahrscheinlich durch den Lautsprecher als verwendete Schallquelle zu erklären, der sich akustisch nicht wie ein gerammter Pfahl verhält. Der Pfahl ist eine Linienquelle, die im Kontakt mit drei verschiedenen Medien steht: Luft, Wasser und Sediment. Von diesen drei Pfaden wurde somit innerhalb der Experimente nur die Wasserschallausbreitung getestet. Dementsprechend könnte die Schallausbreitung durch das Sediment eine größere Rolle unter reellen Offshore-Bedingungen spielen und muss für zukünftige Bauvorhaben mit betrachtet werden.


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