Baleen whale acoustic ecology with focus on minke whales (Balaenoptera acutorostrata) and reference to anthropogenic noise

Risch, Denise

Passive acoustic approaches for studying marine mammals have developed substantially over the past decade. Advances in technology now allow data collection in remote areas and over extended timescales. The first two chapters of this thesis focused on the application of passive acoustics for monitoring migratory baleen whales in the Northwest Atlantic Ocean. The development and application of new localization algorithms showed how small-scale arrays can be used to obtain baseline data about the acoustic behavior of individuals, which will help to improve interpretation of longterm acoustic data sets. Acoustic monitoring in the Stellwagen Bank National Marine Sanctuary (SBNMS) revealed seasonal peaks of acoustic abundance for right (Eubalaena glacialis) and sei whales (Balaenoptera borealis) in spring and fall, respectively. Both species are primarily present during these two seasons and to a lesser extent in winter and summer, indicating the importance of this area as part of their migration route. Fin whales (Balaenoptera physalus) were acoustically present year-round, although song production was reduced during summer. While recorded on only a few days of the entire period, blue whale (Balaenoptera musculus) song was detected near SBNMS in three separate years. There is considerable uncertainty concerning migration routes, winter calving habitats and thus population structure of North Atlantic minke whales (Balaenoptera acutorostrata). Given that this species is still being hunted across its summer range, this uncertainty has important conservation and management implications. In chapters III-V I used 3.5 years of acoustic array data from the Gulf of Maine to describe the species' vocal repertoire, examine individual calling behavior and provide first source level estimates. Based on these data, an automatic detector was developed and applied to year-round data from several sites along the US East coast and beyond to track minke whale migration. Minke whales produced three call categories at a mean source level of 165 ± 4 dB rms re 1 μPa. Individual whales combined calls in non-random order, leading to two distinct calling patterns. Unlike other baleen whales, animals sharing the same acoustic space used different patterns simultaneously, without switching. Analysis of seasonal occurrence patterns revealed peak acoustic presence in higher latitudes during summer and fall and in lower latitudes during winter. Migration appears to follow the general direction and location of the Gulf stream in the spring and occurs in more open waters in the fall. A higher abundance of calls at offshore recording sites, suggests that there is a winter habitat located in deeper waters off the Southeastern US. Antarctic minke whales (Balaenoptera bonaerensis) have long been suggested as the likely source for the mysterious 'bioduck' signal, which is the predominant underwater sound in the Souther Ocean during austral winter. I analyzed data from the first two multi-sensor acoustic tags attached to Antarctic minke whales and was able to confirm the production of the bioduck by this species. This finding will allow the interpretation of a wealth of existing recordings, and thereby substantially improve our understanding of the distribution, abundance, and behavior of Antarctic minke whales. This is critical information for a species that lives in a rapidly changing polar environment and is subject of ongoing lethal sampling efforts. The effects of widespread anthropogenic noise in the marine environment is of increasing concern. Most discussions have centered on highly visible and regulated activities, such as seismic airguns and naval sonar. In this last chapter we showed, that humpback whale (Megaptera novaeangliae) song was reduced, concurrent with transmissions of an Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing (OAWRS) experiment approximately 200 km distant. This is the first time that active sonar used in fisheries science has been shown to have this effect, highlighting the importance to study and regulate the impact of all anthropogenic noise sources, including research applications. In conclusion, this thesis highlighted the suitability of passive acoustic monitoring for an increased understanding of the spatio-temporal distribution patterns and behavior of highly mobile and little studied baleen whales. In particular, it considerably improved current knowledge about the acoustic ecology and spatio-temporal distribution of minke whales.

Die Erforschung von Meeressäugern mittels passiv akustischer Methoden hat sich im letzten Jahrzehnt enorm weiterentwickelt. Technologische Fortschritte erlauben nun die Datensammlung in entlegenen Gebieten und über stark verlängerte Zeiträume. Die ersten zwei Kapitel dieser Studie sind der Anwendung passiv akustischer Methoden für die Beobachtung von Bartenwalen im Nordwestatlantik gewidmet. Die Entwicklung und Anwendung neuer Lokalisationsalgorithmen verdeutlicht in diesem Zusammenhang, wie kleinskalige Hydrophonanordnungen genutzt werden können, um fundamentale Daten über das akustische Verhalten von Individuen zu erfassen. Diese Daten liefern grundlegende Informationen für die weiterführende Interpretation akustischer Langzeitdaten. Das akustische Monitoring im Stellwagen Bank National Marine Sanctuary (SBNMS) ergab zwei deutliche saisonale Höhepunkte in der akustischen Präsenz von Glattwalen (Eubalaena glacialis) im Frühjahr und Seiwalen (Balaenoptera borealis) im Herbst in diesem Gebiet. Beide Arten sind besonders zu diesen beiden Jahreszeiten, und weniger häufig im Sommer und Winter, akustisch präsent. Dieses zeitliche Verteilungsmuster belegt die Bedeutung des Gebietes als Teil der saisonalen Wanderungsroute beider Arten. Finnwale (Balaenoptera physalus) waren ganzjährig akustisch präsent, wenngleich die Häufigkeit ihrer akustischen Signale im Sommer reduziert war. Blauwalgesang (Balaenoptera musculus) konnte zwar nur an wenigen Tagen, jedoch in drei verschiedenen Jahren in den akustischen Aufzeichnungen aus diesem Gebiet nachgewiesen werden. Bezüglich der Wanderungsrouten und den Überwinterungs-, und Fortpflanzungsgebieten und demzufolge auch der Populationsstruktur des Nordatlantischen Zwergwals (Balaenoptera acutorostrata), existieren grosse Wissenslücken. Dieses fehlende Wissen hat besondere Bedeutung für den Schutz und das Management einer Art, die in ihren Nahrungsgründen im Sommer noch immer bejagt wird. Basierend auf 3.5 Jahren akustischer Daten aus dem Gulf of Maine, beschreibe ich in den Kapiteln III-V das akustische Repertoire, untersuche individuelle Rufmuster und liefere erste Messungen für den akustischen Sendepegel diese Art. Auf diesen Daten aufbauend wurde ein automatischer Detektor entwickelt, welcher für die Analyse ganzjähriger Daten von verschiedenen Orten entlang der USamerikanischen Ostküste eingesetzt wurde, um die jährliche Wanderung dieser Art zu untersuchen. Zwergwale produzieren 3 verschiedene Ruftypen mit einem Sendepegel von 165 ± 4 dB rms re 1 μPa. Dabei werden die Rufe nicht nach dem Zufallsprinzip kombiniert und es konnten zwei verschiedene Rufsequenzen identfiziert werden. Im Gegensatz zu anderen Bartenwalen, wurden beide Sequenzen simultan benutzt, wobei Individuen jedoch nicht das jeweilige Rufmuster änderten. Im Sommer waren Zwergwale in höheren Breitengraden und im Winter in eher tropischen und subtropischen Gebieten akustisch präsent. Im Frühjahr scheint die Wanderung der generellen Richtung und Position des Golfstroms zu folgen, während tiefere Gewässer auf der Wanderung in die Wintergründe bevorzugt werden. Ein erhöhtes Vorkommen von Rufen in tieferen Gewässern vor der Südostküste der USA legen die Existenz von Wintergründen in diesen Gebieten nahe. Antarktische Zwergwale (Balaenoptera bonaerensis) wurden lange als die mögliche Quelle des 'bioduck' Signals, welches die dominante Schallquelle im Südpolarmeer im Winter darstellt, impliziert. Die Analyse der ersten Datevon von akustischen Tags, bestätigen diese Annahme. Diese Ergebnisse erlauben eine neue Interpretation von bereits vorhandenen akustischen Langzeitaufnahmen und werden das Wissen um die Verteilung, den Bestand und das Verhalten dieser Art enorm erweitern. Diese Informationen sind besonders kritisch im Hinblick auf dramatische Veränderungen im polaren Lebensraum dieser Art, die ebenfalls weiterhin aktiv bejagt wird. Die Auswirkungen von weit verbreitetem Unterwasserlärm werden mit immer grösserer Besorgnis betrachtet. Bisher beschränkten sich die meisten Diskussionen auf bereits regulierte Aktivitäten, wie seismische- und Navy Sonarsysteme. Im letzten Kapitel dieser Studie zeigen wir die Reduktion von Buckelwalgesang (Megaptera novaeangliae) in der Folge eines Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing (OAWRS) Experiments in 200 km Entfernung. Dies ist das erste Mal, dass aktive Sonarsysteme der Fischereiforschung im Hinblick auf mögliche Auswirkungen auf das Verhalten mariner Säuger untersucht wurden. Die Ergebnisse verdeutlichen die Wichtigkeit, die Auswirkungen aller anthropogenen Lärmquellen, inklusive von Sonarsystemen, die für die Forschung genutzt werden, zu untersuchen. Zusammenfassend unterstreicht diese Studie die Eignung passiv akustischer Methoden für ein verbessertes Monitoring und die Vermehrung des Wissens über die raum-zeitlichen Verteilungsmuster und das Verhalten von weit wandernden, wenig erforschten Bartenwalarten. Im besonderen konnte die Studie grundlegende Fragen zur akustischen Ökologie und den saisonalen Verteilungsmustern von Zwergwalen klären.

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Risch, Denise: Baleen whale acoustic ecology with focus on minke whales (Balaenoptera acutorostrata) and reference to anthropogenic noise.

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