Zahlavi

Seizmometry zachytily zpěvy velryb, které mohou pomoci odhalit dno oceánu

29. 11. 2021

Měl to být standardní oceánský seizmologický průzkum. Rozmístit na dno oceánu přístroje a z naměřených hodnot vyčíst, jak fungují zemětřesné jevy. Při jejich analýze si ale mladý český seizmolog Václav Kuna všiml, že obsahují zvuky plejtváka myšoka. Uvědomil si, že by z nich mohlo být možné dopočítat podpovrchové zobrazení mořského dna. Výsledky jeho práce letos otiskl časopis Science. Věnovali jsme se mu rovněž v časopise A / Věda a výzkum.

Vraťme se ale na začátku skoro deset let zpátky. Jsme v Tichém oceánu, jehož rozbouřená hladina se konečně trochu zklidnila, z paluby tak bylo možné spustit další předmět. Lodní jeřáb zvedl žluté zařízení o rozměrech zhruba metr na metr, posunul jej nad vodu a shodil přes palubu. Mezitím se chystalo další. Jedno za druhým, zatížená závažím připevněným vespod, klesala tělesa postupně ke dnu. Psal se rok 2012 a vědci z Oregonské státní univerzity právě instalovali více než padesátku seizmických stanic na dno oceánu, asi 150 kilometrů od pobřeží Spojených států amerických.

Podmořské seizmické stanice měly v následujících měsících sledovat a zaznamenávat pohyby země na rozhraní tektonických desek – konkrétně u oceánského zlomu Blanco. Jejich instalace byla jedním z nejnákladnějších a největších experimentů svého druhu na světě a následný dataset nabídl vědcům velké možnosti nových zjištění. Šanci pracovat s touto unikátní databází měl také český seizmolog Václav Kuna, který se k oregonskému týmu přidal původně jako student-dobrovolník, jehož úkolem bylo pomoci se sesbíráním seismometrů na konci experimentu.

Podmořská seizmická stanice
Asi padesátku takových seizmických stanic vědci umístili v roce 2012 na dno oceánu.

Nicméně z dobrovolného „lovu“ přístrojů se nakonec stalo pět let plnohodnotného doktorského studia zakončeného několika zajímavými vědeckými výstupy. Jeden z nich pro seizmologa hodně netradiční. Práci o velrybách bychom čekali spíše u zoologa nebo ekologa, ne u odborníka na zemětřesení. „Byl to vedlejší produkt mé hlavní práce, tak trochu výsledek prokrastinace,“ vzpomíná po letech s úsměvem Václav Kuna, který je dnes vědeckým pracovníkem Geofyzikálního ústavu AV ČR.

Otřesy země a zvuky velryb
Za jeden rok měření zachytily podmořské seizmometry v oblasti na osm tisíc menších zemětřesení – většinou s magnitudem kolem dvou (člověk je schopen pocítit stupeň tři a výše). Všechny otřesy a další seizmické jevy se vizualizují ve formě zvukových vln (podobně jako se třeba projevuje frekvenční modulace hlasu nahraného na diktafon). Z křivek je možné vyčíst velikost, sílu a průběh seizmických vln i způsoby, jakými se v zemi uvolňuje napětí.

Při studiu nekonečného množství dat Václav Kuna narazil na něco zvláštního. „Měl jsem před sebou hodiny a hodiny záznamů a objevil jsem v nich jevy, které neodpovídaly seizmickým. Pohybovaly se na velmi vysokých frekvencích a opakovaly se v pravidelných rozestupech,“ přibližuje vědec. Neustále si kladl otázku, o co jde, a rozhodl se záhadu vyřešit.

Při pročítání odborné literatury o podmořských zvucích si uvědomil, že má před sebou nahrávky tisíců hodin velrybí konverzace. Přesněji řečeno hlasy plejtváka myšoka – mořského savce, jenž je po plejtváku obrovském druhým největším žijícím tvorem na planetě.

Zpěv jako rána pistolí
Vedle bručivých, hučivých a skřípavých zvuků vydává plejtvák i nesmírně hlasité hluboké sténání, které je slyšet na vzdálenost několika stovek kilometrů. Na seizmometru z oceánského zlomu Blanco se křivky jeho zvuků zobrazují jako sekunda zavolání, třicet sekund pauza, další zavolání, další pauza… a jednou za dvacet minut delší přestávka. „V tu chvíli se velryba vynoří nad hladinu, aby se nadechla. Hlasy plejtváků jsou jedny z nejsilnějších pod mořem, srovnávají se s hlukem lodních motorů, ale svou frekvencí jsou na spodní hranici lidské slyšitelnosti,“ dodává Václav Kuna.

Jako seizmologa ho ani tak nezajímalo, proč a co si spolu plejtváci „povídají“. Spíše se zamýšlel, jestli by zachycené křivky velrybích zvuků nešlo využít v rámci seizmologických a geologických metod – třeba při podpovrchovém zobrazování dna, k němuž běžně slouží takzvané airguns (v češtině můžeme říct „vzduchová děla“).

Grafika
Celý článek si přečtete v časopise A / Věda a výzkum 2/2021.

Používají se zejména při ropném průzkumu – děla v sobě mají natlakovaný vzduch, který po uvolnění vypustí velkou bublinu doprovázenou výbuchem. Důsledkem jsou zvukové vlny, jež se šíří směrem ke dnu a podle druhu podloží se od něj odrážejí určitou rychlostí. Přitom platí, že každá vrstva dna má jiné vlastnosti, část energie se tedy odrazí a putuje zpět k povrchu, zatímco část projde dovnitř a odrazí se až od spodnější vrstvy. Průzkumníci zvukové vlny zachycují prostřednictvím sítě mikrofonů zavěšených na dlouhých lanech za lodí. Na základě zaznamenaného příchodu jednotlivých vln určí, jak to pod povrchem vypadá, aniž by do něj museli vrtat.

Metoda využívající airguns je nicméně značně problematická. „Vzduchová děla“ jsou totiž velmi hlučná a zamořují oceán zvukovým smogem, jenž ohrožuje mořské živočichy. Na světě proto přibývá oblastí, kde se tato technika omezuje, nebo přímo zakazuje.  

„Napadlo mě, jestli by nešly využít záznamy zvuků velryb zachycené seizmickými stanicemi, vždyť výpočet jejich odrazů funguje na stejném principu jako u airguns,“ vzpomíná Václav Kuna. Ještě v Oregonu proto sepsal společně se svým vedoucím, americkým geofyzikem slovenského původu Johnem Nábělkem, studii, v níž „velrybí metodu“ nastínili. Práce otištěná začátkem roku 2021 v časopise Science je zatím první, která něco podobného řeší. „Jsem zvědavý, jestli se tématu někdo chytí, metodu by bylo potřeba rozpracovat a zautomatizovat, zatím se nedá rutinně používat,“ přiznává vědec.

Velryba rosničkou?
Jelikož se výzkum původně a primárně týkal studia otřesů země, nabízí se otázka, zda by nešlo velrybí zvuky využít třeba pro předvídání zemětřesení. Jednoduchá odpověď zní: nešlo. Obecně předpovídat s místní a časovou přesností jakékoli zemětřesení zatím nejde žádným způsobem, natož analýzou velrybího zpěvu, která by si vždy vyžádala určitý čas. Plejtváci se tedy zemětřesnými rosničkami nestanou.

Metoda podpovrchového průzkumu pomocí zvuku mořských živočichů by ale mohla pomoci upravit představu o vrstvách podloží, a tím zpřesnit seiumická měření. Ta totiž bývají někdy zkreslená skutečností, že vědci nevědí, jak to pod dnem vypadá. Přínosná by mohla být teoreticky také pro klimatology, kteří potřebují odhadnout tloušťku sedimentů a v nich množství uhlíku.

Plejtvák myšok se vyskytuje ve všech oceánech světa, nahrát jeho zvuky tedy nemusí být problém. Výhodou záznamů ze seizmických stanic je jejich přesná lokalizace. „Program na zpracování zvuků velryb jsem si musel napsat sám, protože se tomu dosud nikdo nevěnoval, ale všechna data jsou volně přístupná, takže kdo je bude chtít rozpracovat, může,“ dodává Václav Kuna.

Z letiště rovnou na loď
Převést metodu do praxe není jen tak. Rozmístění seizmických stanic na dno oceánu a jejich následné vyzvedávání je poměrně nákladná a náročná věc, která se nedělá až tak často.

Cestu beden s měřicími přístroji do vody popisuje úvodní část textu. Jak je pak ale vlastně vědci dostanou zase zpátky na loď? Není to snadné, potápěči se však najímat nemusejí. Podvodní seizmometry se dají lokalizovat podle zvukových signálů. Jakmile se přiblíží výzkumná loď k danému místu, výzkumníci je na dálku zaktivují a dají jim signál k oddělení závaží. Odlehčené měřicí zařízení pak samo stoupá k hladině.

Na vylovení z moře je omezený počet hodin, takže posádka pracuje doslova ve dne v noci, jak z osobní zkušenosti potvrzuje i český seizmolog. „Ve vodě jsou samozřejmě proudy, takže odlehčené zařízení vyplave třeba i několik set metrů od lodi. Abychom jej našli, museli jsme všichni vyjít na palubu a hledali světla, kterými je vybaveno. Pak jsme se ho snažili chytit dlouhým rybářským prutem,“ popisuje Václav Kuna.

„Jaké to bylo? Velmi zajímavé, dostat se na takovou výzkumnou loď je zážitek. Ale hlavně začátek byl dost krušný, protože jsem se nalodil prakticky rovnou z letiště po čtyřiadvacetihodinovém letu z Evropy. Nevyspalý jsem nastoupil na noční směnu, navíc v době, kdy bylo dost rozbouřené moře, takže si umíte představit, jak reagoval můj žaludek,“ vzpomíná vědec dnes už s nadhledem na svou „lovnou“ misi v roce 2014, která nakonec vedla i k jednomu nečekanému objevu. 

Václav Kuna
Mgr. Václav Kuna, Ph.D.
Geofyzikální ústav AV ČR
Od září 2020, kdy se vrátil z doktorského studia na Oregonské státní univerzitě v USA, působí v oddělení geodynamiky Geofyzikálního ústavu AV ČR. V Oregonu pracoval v týmu Johna Nábělka, amerického geofyzika se slovenskými kořeny. Zabývali se výzkumem tektoniky a seismické aktivity transformního zlomu Blanco v severovýchodním Pacifiku. Vedle toho se zúčastnil několika experimentů ve významných kolizních zónách na Kavkazu a v Himálaji.
(CC)

Všechna dosavadní čísla časopisu A / Věda a výzkum jsou k dispozici zdarma a online na našem webu.

A / Věda a výzkum 2/2021
2/2021 (verze k listování)
2/2021 (verze ke stažení)

Text: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock, Jana Plavec, Akademie věd ČR

Licence Creative Commons Text a fotografie označené CC jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Biologie a lékařské vědy

Vědecká pracoviště

Cílem výzkumu je poznávání procesů v živých organismech, a to na úrovni molekul, buněk i organismů. Biofyzikální výzkum se zabývá studiem vztahu DNA – protein a vlivu faktorů životního prostředí na organismy. V oblasti molekulární genetiky a buněčné biologie jsou studovány zejména signální cesty pro spouštění reakcí a odezvy cílových genů na tyto signály; zvláštní pozornost je věnována studiu buněčných mechanismů imunitních odpovědí. Sledovány jsou rovněž genomy mikroorganismů a procesy směřující k moderním technologiím přípravy látek s definovanými biologickými účinky. V oblasti fyziologie a patofyziologie savců a člověka je výzkum zaměřen na kardiovaskulární fyziologii, neurovědy, fyziologii reprodukce a embryologii s cílem vytvořit teoretické základy preventivní medicíny. V oblasti experimentální botaniky se výzkum věnuje genetice, fyziologii a patofyziologii rostlin a moderní rostlinné biotechnologii. Sekce zahrnuje 8 vědeckých ústavů s přibližně 1930 zaměstnanci, z nichž je asi 690 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce