Vi ved det godt: Havet har det skidt. Og ikke bare en smule.
Iltsvind, stigende temperaturer og støj er ved at tage livet af havet og dets beboere.
Særligt støjforureningen skaber store udfordringer for dyrenes kommunikation og navigation og forårsager høje stressniveauer.
Det skaber vanskeligheder med forplantningsevnen og evnen til at lokalisere føde for dyrene.
Hvaler formodes at være særlig berørt, da de anvender ekkolokalisering til jagt og orientering. Støjen antages dermed også at være en årsag til de mange hvalstrandinger.
Således bliver undervandsstøj føjet til listen over havbelastninger, som allerede omfatter forurening, overfiskning, iltsvind og klimaændringer.
Men hvorfor opstår støjen egentlig, og hvordan kan vi forbedre forholdene for dyrene? Det er netop, hvad jeg forsker i.
Skibsskruer tager førstepladsen i undervandsstøj
Undervandsstøj stammer fra en række naturlige og menneskeskabte kilder.
Den største naturlige årsag til støj kommer fra bølger og vind. Ikke overraskende er de naturlige kilder ret moderate sammenlignet med menneskeskabte kilder.
Menneskeskabte støjkilder stammer især fra skibsfart, hvor sonarer, motorer og skibsskruer bidrager mest til larmen.
Zoomer vi ind på de menneskeskabte støjkilder, indtager skibsskruen suverænt førstepladsen som den største årsag til støj.
Skibsskruer larmer på grund af en effekt, som hedder kavitation. Dette fænomen skaber larm, når dampbobler dannes og kollapser i vandet omkring skruerne.
Hvis vi vil designe mindre larmende skibsskruer, er vi nødt til bedre at forstå, hvad kavitation er, og hvorfor det larmer.
Fysikken i kavitation
For at forstå kavitation laver jeg et lille tankeeksperiment:
Når jeg gerne vil lave en kop middagskaffe, vil jeg starte med at koge noget vand. Det vil sige, at jeg bringer vandet op på 100 grader.
Så vil jeg se, at flydende vand bliver til damp (det koger jo). Vi fysikere kalder det en faseovergang.
Når jeg har ventet, indtil vandet er kølet ned til 93 grader, brygger jeg min kaffe.
Hvis jeg nu havde tænkt mig at bestige Kilimanjaro og lave noget kaffe på toppen, vil jeg i stedet se, at vandet allerede koger ved 80 grader.
Det lavere atmosfærisk tryk på toppen gør, at vandet koger hurtigere på Kilimanjaro end i mit køkken på Amager (med hensyn til kaffe er det lidt problematisk, fordi kaffen stadig gerne skal brygges ved 93 grader for at smage bedst, men dette problem behandler vi en anden gang).
Tankeeksperimentet kan koges ned til følgende: Faseovergange afhænger ikke alene af temperaturen, men også af trykket. Det sammenfatter vi i fasediagrammer, hvor faserne is-vand-damp er adskilt med kurver.
På figuren herunder viser pilene ét og to kogning af kaffe på henholdsvis Amager og Kilimanjaro.
Når vi krydser kurven fra vand til damp nedad, svarer det til en situation, hvor temperaturen slet ikke ændrer sig, men vandet fordamper, fordi trykket sænkes (se tredje pil).
Denne faseovergang, altså fordampning på grund af nedsat tryk (og ikke kogning), kaldes kavitation.
Skibe suger sig selv fremad – det skaber kavitation
Men hvad har det nu med skibsskruerne at gøre?
Skibsskruer er designede til at danne et undertryk på forsiden, hvilket er den side som vendes mod boven, altså foran. Det er illustreret på figuren herunder.
Undertrykket er ønsket og bidrager til skibets fremdrift. Skibe suger til dels altså sig selv fremad, ligesom helikoptere suger sig opad.
Dette undertryk på forsiden af propellerbladene kan blive ret voldsomt. I nogle områder vil trykket faktisk falde så meget, at vandet begynder at kavitere og skifter fase fra vand til damp.
Til en vis grad drejer skruerne sig altså gennem damp i stedet for vand, som illustreret på billedet i toppen af artiklen.
Det betyder, at 'sugeeffekten' bliver mindre, og fremdriften bliver stærkt påvirket.
Nu kan vi allerede konstatere, at kavitation påvirker sejlhastigheden negativt, men sådan en faseovergang larmer jo ikke. Så hvorfor er kavitation et problem for fisk?
Kavitation skaber larmende chokbølger
Når vandet omkring skruen kaviterer, kan man forstille sig et lag af damp, som lægger sig på propellerbladene. Fra dette lag vil der udledes små dampbobler, som følger strømningen, hvor trykket tiltages igen.
Når boblerne bliver eksponeret for højere tryk igen bag ved skruen, opstår der omvendt kavitation, hvor damp bliver til vand igen.
Man kan forstille sig, at de små dampbobler trækker sig sammen, og det foregår så hurtigt, at sammentrækningen er hurtigere end lydhastigheden i vandet (cirka 1.500 m/s).
Når det sker, opstår der soniske brag - altså chockbølger, som larmer ad helvedes til, og oven i det også fører til slitage på selve skruerne.
Det svarer til de soniske brag i luften, som nogle vil kende fra jagerfly.
Vi er nu kommet til bunds i fiskenes problem: Støjen i havet stemmer hovedsageligt fra milliarder af chokbølger, som opstår på grund af kavitation omkring skruen på skibe.
Men hvad kan der gøres for at bringe støjniveauet ned, så det ikke påvirker havmiljøet i samme grad?
Hvordan kan støjet reduceres?
Som udgangspunkt er det ikke vanskeligt at reducere kavitation og dermed støjen:
Ved at sejle langsommere, opstår der betydeligt mindre kavitation. Det reducerer også brændstofforbruget betydeligt.
I nogle lande er der indført lokale fartgrænser for skibe for at beskytte havmiljøet, som for eksempel i Canada.
Dog bliver farten normalt afgjort i en cost-benefit analyse, hvor miljøpåvirkningen ikke spiller en afgørende rolle.
Derfor er der et stort ønske om at nedbringe kavitation ved udvikling af bedre skibsskruer, så skibene ikke behøver sejle langsommere.
I bund og grund er udfordringen at ændre skruernes mange design-parametre på en måde, som ikke danner kavitation uden at gå på kompromis med farten.
At udvikle mere stille skibsskruer er en kompleks opgave, da det er vigtigt at opretholde undertrykket foran skruen uden at krydse dampkurven i fasediagrammet.
Forskning på dette område foregår gennem store eksperimenter i kavitations-tunneller eller via virtuelle strømningskanaler (altså ved at simulere strømning med computere).
Interaktionen mellem strømning, propelrotation, fremdrift og kavitation er yderst komplekst og kræver sofistikerede simuleringsværktøjer for nøjagtigt at blive modelleret.
Fysik og matematik kan hjælpe til at beskytte havdyr
Her spiller fysik og matematik en afgørende rolle. I min forskning udvikler jeg fysik-baserede modeller, som fortolker netop denne faseovergang i simuleringsværktøj.
Hvis du vil rånørde sammenspillet af matematik, fysik, strømning og kavitation, vil jeg anbefale denne oversigtartikel.
Undervandsstøj vil i den nærmeste fremtid få mere og mere opmærksomhed, da vores forståelse af dens skadelige virkninger på havmiljøet, især for fisk og hvaler, bliver større i takt med flere, aktuelle forskningsprojekter.
Det fremhæver vigtigheden af matematisk modellering som et essentielt værktøj i beskyttelsen af vores havmiljø og udviklingen af grønnere skibsfart.
Vigtigheden af at reducere undervandsstøj er afgørende både for at bevare et bæredygtigt økosystem og for at fremme en mere ansvarlig industriel skibsfart.
