CIBRA, Università di Pavia
Università di Padova
Museo di Storia Naturale di Milano

Il progetto si è realizzato con l'Università di Padova e con il Museo di Storia Naturale di Milano, con la partecipazione di numerosi enti di ricerca nazionali e internazionali, in coerenza ed applicazione delle prescrizioni derivanti anche dagli Accordi internazionali di settore (Pelagos, ACCOBAMS, IWC, Marine Strategy) per fornire utili strumenti di conoscenza e di indagine sia al Ministero sia alla comunità scientifica degli studiosi di biologia marina e dei cetacei in particolare.

Attraverso la convenzione con il Ministero si è ricostituita la rete nazionale di monitoraggio degli spiaggiamenti e rafforzata la sinergia fra i vari enti che sul territorio nazionale intervengono e raccolgono dati sugli animali rinvenuti spiaggiati o morti in mare. In questo si sono sviluppate le sinergie con il Ministero della Salute al fine di anche di garantire la formazione di personale qualificato.

Sul fronte del monitoraggio degli animali vivi si sono sviluppate due principali linee di indagine, una basata sui survey aerei, condotti dall’Istituto Tethys di Milano e da ISPRA nel Tirreno meridionale, e l’altra basata sullo sviluppo e applicazione di tecnologie di controllo acustico dell'ambiente marino sia con strumenti trainabili (array di idrofoni) che con strumenti fissi. Poiché i mammiferi marini sono animali che usano il suono non solo per comunicare ma anche per sondare l’ambiente, i sistemi acustici consentono infatti di rilevare la presenza di cetacei anche quando sono in immersione, non visibili in superficie.

I risultati delle azioni realizzate sono stati presentati in numerosi convegni e workshop nazionali e internazionali, nonchè alle riunioni del Comitato Scientifico di ACCOBAMS. Gli aspetti acustici sono stati ampiamente discussi in un workshop internazionale nel 2009 (DCL & DE Workshop); per le problematiche relative alle piattaforme acustiche sul fondo marino  nel 2013 (18-21 ottobre) il CIBRA organizza un workshop internazionale altamente interdisciplinare ospitato dalla International School of Ethology alla prestigiosa Fondazione Ettore Majorana di Erice. Il workshop "Cetacean echolocation  and outer space neutrinos: ethology and physics for an interdisciplinary approach to underwater bioacoustics and astrophysical particles detection" sarà focalizzato sull'uso delle più avanzate tecnologie messe a disposizione dei biologi marini dalla ricerca astrofisica e oceanografica. Le prime esperienze in questo settore sono nate con il progetto NEMO-ONDE da cui sono emersi risultati e prospettive molto promettenti che trovano immediata applicazione nel monitoraggio a lungo termine al fine di supportare le politiche di controllo e di conservazione dell'ambiente richieste dalla Marine Strategy.

Le azioni di più stretta pertinenza del CIBRA sono inoltre qui delineate, con particolare riguardo per quelle azioni che hanno attivato progetti nazionali e internazionali, tuttora in corso e in sviluppo, i cui risultati saranno costantemente aggiornati su queste pagine.

I dati ottenuti nell'ambito di questo progetto sono in corso di elaborazione per essere forniti a ISPRA ai fini della redazione del rapporto sullo stato ecologico dei mari italiani in applicazione della Direttiva quadro sulla strategia per l’ambiente marino (Marine Strategy) emanata del Parlamento Europeo (2008/56/CE).
Lo stato ecologico deve essere determinato in base a 11 descrittori elencati nell’allegato I della Direttiva dei quali il n. 1 riguarda la biodiversità di habitat e specie e il n. 11 include il rumore subacqueo.

Nel corso del  progetto, oltre all’analisi completa dei dati acquisiti nel progetto NEMO-ONDE degli anni 2005 e 2006, si sono sviluppati e testati nuovi metodi di indagine per fornire informazioni rilevanti per la stima delle caratteristiche della popolazione al fine di poter costruire una base di dati di riferimento sulla quale confrontare i dati che saranno prodotti, con le stesse metodiche, dalla installazione di nuove piattaforme di rilevamento acustico sia temporanee che a lungo termine. Il progetto ha inoltre portato all’attivazione di una ampia cooperazione internazionale tesa a utilizzare sistemi idrofonici cablati, inizialmente concepiti per uso geofisico, che possono fornire dati acustici in tempo reale sulla presenza di cetacei.
L’analisi degli IPI (Inter Pulse Interval) risulta particolarmente promettente per delineare la struttura della popolazione e effettuare comparazioni qualora si possa ripetere in futuro un monitoraggio a lungo termine.

Con questi progetti l’Italia si pone all’avanguardia nelle tecnologie di ascolto subacqueo ai fini del monitoraggio delle popolazioni di cetacei. Il progetto è anche indirizzato alla sperimentazione di tecniche spettro-statistiche per la misura del rumore in accordo con nuovi descrittori della qualità ambientale in corso di elaborazione a livello europeo (Marine Strategy).

All’interno del Progetto NEMO (NEutrino Mediterranean Observatory) dell’INFN, rivolto allo studio e alla rivelazione sottomarina di neutrini di altissima energia, è stata realizzata una stazione acustica sperimentale a grande profondità, chiamata OvDE (Ocean Noise Detection Experiment), per misurare il rumore acustico sottomarino. Tale stazione è stata installata nel 2005 a 2000 m di profondità 21 km al largo di Catania (Sicily, Italy) (Pavan et al., 2006; Pavan et al., 2007). Essa è stata connessa al laboratorio di terra (INFN – LNS) tramite cavi elettro-ottici per poter effettuare un monitoraggio real-time ed è stata operativa dalla fine di gennaio del 2005 a novembre 2006, con alcune interruzioni dovute a danni al cavo di trasmissione.

Lo scopo principale della stazione è stato lo studio dell’ambiente acustico sottomarino al fine di sviluppare una nuova tecnica di rivelazione basata sulla identificazione di impulsi acustici generati dai neutrini di elevata energia che interagiscono con l’acqua. L’esperimento ha avuto un carattere altamente interdisciplinare e, oltre a determinare ulteriori dati a lungo termine sul rumore acustico sottomarino, ha rappresentato una importante opportunità per studiare le emissioni acustiche dei mammiferi marini che vivono in tale area o che vi passano durante i loro movimenti stagionali all’interno del bacino del Mediterraneo. Questo esperimento e i dati da esso ottenuti hanno avuto una grande risonanza sulla stampa scientifica internazionale, con anche un articolo su Nature (Nosengo et al., 2009), e hanno consentito numerose presentazioni a convegni internazionali (Pavan et al., 2006, 2008; Zardin et al., 2011; Pavan et al., in stampa) ponendo l’Italia all’avanguardia nel settore.

NEMO-OvDE lungo un periodo di 314 giorni ha raccolto un totale di 7359 files, che sono stati ascoltati, classificati e analizzati. L’esperimento ha trovato un’inaspettata presenza di animali poichè il 58% dei giorni conteneva almeno un individuo (Zardin et al., 2011a e 2011b; Pavan et al., in press). Poichè la raccolta dati non è stata omogenea abbiamo calcolato il tasso di presenza dei capodogli come il numero delle registrazioni in cui vi era presente almeno un individuo sul numero totale delle registrazioni. In entrambe gli anni il 23% dei campioni orari sono da considerare positivi riguardo la presenza di animali.

Poster progetto NEMO-ONDE

La presenza degli animali non risulta costante durante l’anno, ma mostra due picchi in Aprile e Ottobre, suggerendo che gli animali non risiedano nell’area di fronte a Catania ma vi entrino e escano seguendo esigenze biologiche. Questo è coerente con il comportamento della specie e la letteratura scientifica recente che prova intensi spostamenti di gruppi di animali all’interno del Mediterraneo.

Le seguenti tabelle mostrano i risultati mensili di presenza di capodoglio (Physeter macrocephalus) nei files registrati; nei mesi indicati in corsivo la piattaforma non è stata operativa per ragioni tecniche.

La mole di dati raccolti consente nuovi tipi di indagine per stimare dimensione e struttura della popolazione. L’analisi degli IPI (Inter Pulse Interval) risulta particolarmente promettente per delineare la struttura della popolazione e effettuare comparazioni qualora si possa ripetere in futuro un monitoraggio a lungo termine, anche in aree diverse.
L'analisi di un primo campione di registrazioni ha fornito risultati promettenti per quanto riguarda la stima del numero e delle dimensioni degli animali rilevati e della loro direzione di movimento. L'analisi di un campione di registrazioni ha mostrato un range dimensionale da 9 a 13.5 m.
L'applicazione estensiva di questi metodi di analisi richiede però lo sviluppo e applicazione di metodi automatici in grado di produrre risultati affidabili pur nella variabilità delle condizioni di rumore ambientale e di distanza e orientamento degli animali. A questo fine in corso studi e prove per applicare metodi automatici che consentano l'analisi completa dei dati disponibili. I dati prodotti dal progetto grazie a un team di esperti che ha analizzato le registrazioni rappresenta la essenziale base di dati per valutare l'affidabilità dei metodi automatici e quindi validarne i risultati e l'applicabilità con minima supervisione.


Capodogli misurati tra il 7 e il 19 ottobre 2005 ottobre 2005. Sono evidenti alcuni esemplari che sono stati rilevati più volte. Misure in metri stimate con la formula di Growcott. Elaborazione Dr F.Caruso INFN Catania e Univ. di Messina.

I dati acustici finora raccolti sono ora utilizzati per lo sviluppo di nuovi metodi di analisi e di misura degli IPI grazie anche alla collaborazione con il team di H.Glotin dell’Università di Tolone Sud-Var, Laboratoire des Sciences de l'Information et des Systèmes - DYNamique de l'Information “LSIS - DYNI” (Benard et al., 2010).

La piattaforma SN1 è stata installata sul fondale a 2000m di profondità 21 km al largo del porto di Catania nel luglio 2012 nell'ambito del progetto SMO (Submarine Multidisciplinary Observatory); basata sul modulo GEOSTAR sviluppato da INGV, ospita un modulo acustico INFN con caratteristiche di rilevamento acustico analoghe a OvDE ma adotta un protocollo di trasferimento dati più avanzato che consente l’integrazione dei flussi di dati da più piattaforme e un più efficiente e flessibile sistema di archiviazione e distribuzione dei dati agli Enti interessati alla loro analisi (Favali et al., in stampa).

Oltre a quattro idrofoni a banda larga, campionati a 96 kHz, è installato un idrofono a bassa frequenza 1-1000 Hz che rileva i segnali a bassa frequenza di interesse geofisico (rilevamento sismico e microsismico) e oceanografico (analisi di onde precursori di tsunami); tale idrofono risulta anche idoneo al rilevamento dei segnali acustici della balenottera (15-25 Hz) e consente per la prima volta di rilevare acusticamente la presenza della specie nel Mar Ionio.

La trasmissione dei dati dalla piattaforma ai laboratori INFN-LNS avviene su fibra ottica con protocolli proprietari. Ai laboratori i dati vengono archiviati in un formato AES32 compatibile e resi disponibili via rete agli Enti utilizzatori.

I dati sono trasformati in formato .wav standard a 16 bit e trasferiti in ftp al server della Banca Dati Acustica del CIBRA il quale li mette a disposizione tramite ftp al personale dedicato all’analisi che poi provvede a salvare i risultati in una cartella condivisa tramite DropBox.

I dati bioacustici relativi a capodoglio e balenottera vengono elaborati da una equipe di esperti coordinata da CIBRA.

Team analisi dati: F. Zardin, E.Internullo, F.Caruso, A.Passini

Le seguenti tabelle mostrano i risultati di presenza mensile del capodoglio (Physeter macrocephalus).

La piattaforma SMO-SN1 (Favali et al., in stampa), oltre a 4 idrofoni a banda larga impiegati per il monitoraggio dei capodogli e altri odontoceti, integra un idrofono a bassa frequenza 1-1000 Hz che rileva i segnali a bassa frequenza di interesse geofisico (rilevamento sismico e microsismico) e oceanografico (analisi di onde precursori di tsunami); tale idrofono risulta anche idoneo al rilevamento dei segnali acustici della balenottera (15-25 Hz) e consente per la prima volta di rilevare acusticamente la presenza della specie nel Mar Ionio.

Il monitoraggio nella banda 1-1000 Hz è inoltre indirizzato alla misura del rumore, in particolare di origine antropica, per fornire statistiche a lungo termine sui livelli e strutture spettrali. La concomitante registrazione di dati AIS consentirà anche l’individuazione e il tracciamento delle navi più rumorose per stimare il loro contributo al rumore di fondo nelle bande di frequenza utilizzate dai misticeti per comunicare.

I dati bioacustici vengono elaborati da una equipe di esperti coordinata da CIBRA.

La trasmissione dei dati dalla piattaforma ai laboratori INFN-LNS e quindi all’INGV, responsabile dei dati geofisici) avviene su fibra ottica con protocolli proprietari. I dati acustici a bassa frequenza (campionamento a 2 kHz) sono registrati in files di 10 minuti. Per ogni ora un file di 10 minuti viene trasformato in formato .wav standard a 16 bit e trasferito in ftp al server della Banca Dati Acustica del CIBRA.

Date le caratteristiche dei segnali di balenottera, stereotipate e non confondibili con altri segnali, è in corso di test un sistema automatico di riconoscimento che per ora affianca l’operatore, in attesa di una completa validazione del metodo. E’ tuttavia da notare l’intenso rumore a bassa frequenza prodotto dal traffico navale che si manifesta in modo molto variabile, con livelli e frequenze che possono mascherare i segnali delle balenottere quando si ha il passaggio di navi rumorose nell’area di rilevamento.



Spettrogramma (0-125 Hz, 160 sec) con rilevamento acustico di balenottera in condizioni di basso rumore di fondo.

Il monitoraggio nella banda 1-1000 Hz è pertanto anche indirizzato alla misura del rumore, in particolare di origine antropica, per fornire statistiche a lungo termine sui livelli e strutture spettrali. La concomitante registrazione di dati AIS consentirà anche l’individuazione e il tracciamento delle navi più rumorose per stimare il loro contributo al rumore di fondo nelle bande di frequenza utilizzate dai misticeti per comunicare.
Questa parte del progetto consente una valutazione dell'impatto del rumore a bassa frequenza dovuto al traffico navale e consentirà di produrre una statistica del rumore e del livello di mascheramento dei segnali di comunicazione della balenottera ai fini della valutazione dello stato ecologico dei nostri mari in accordo con la Marine Strategy che individua nel rumore uno degli elementi di valutazione (descrittore 11).



Spettrogramma compatto che mostra i cambiamenti di livello e struttura spettrale del rumore nell'arco di 24 ore (24 segmenti di 10 minuti - 0-1000Hz)

I risultati di questo lavoro sono pubblicati in un articolo su PlosONE:

Sciacca et al. 2015. PlosONE

Nell’ambito del progetto LIDO è stata promossa l’integrazione di sensori acustici a banda larga per scopi bioacustici, tuttavia anche in questo caso l‘integrazione degli strumenti bioacustici in infrastrutture preesistenti ha comportato diversi problemi e limitazioni nella qualità e quantità dei dati acustici. La collocazione dei sensori AMADEUS consente tuttavia il rilevamento acustico delle molte specie di mammiferi marini stanziali o frequentanti le coste liguro-provenzali; data la collocazione a grande profondità AMADEUS si è rilevato in particolare utile e funzionale per la detezione dei capodogli.

La discontinuità di acquisizione nei primi periodi di attività nel 2012 rende difficile comparazioni fra le piattaforme SN1 e AMADEUS, tuttavia si confida che l’estensione temporale dell’acquisizione acustica, che si prevede continuare per i prossimi 3-5 anni, possa fornire dati inediti sulla popolazione di capodogli del Mediterraneo.
E’ inoltre stata concordata l’installazione in AMADEUS di un modulo acustico sviluppato da INFN, identico a quelli impiegati in SN1.

Grazie a un accordo con l’Università Politecnica della Catalogna (UPC, Spagna), che ha in gestione l’acquisizione dei dati bioacustici da AMADEUS, è stato possibile programmare l’acquisizione di files in formato compatibile con NEMO-ONDE e SMO-SN1 a partire da settembre 2012.
La gestione dei dati acustici è affidata a UPC con il quale il CIBRA ha stipulato un accordo di collaborazione per la condivisione dei dati bioacustici e per lo sviluppo di strategie di analisi comuni e compatibili con il progetto SMO.
Ai fini del presente studio, da settembre 2012, i files acustici vengono acquisiti e archiviati in formato .wav in porzioni di 5 minuti per ora per poter applicare gli stessi metodi e protocolli applicati a ONDE e SN1.
I dati vengono trasferiti alla Banca Dati Acustici dell’Università di Pavia tramite hard disk in quanto le infrastrutture di trasmissione dati esistenti non consentono e un celere trasferimento via rete.

Attualmente i dati acustici acquisiti da ANTARES-AMADEUS sono ascoltabili e visibili in real-time su sito realizzato da UPC nell'ambito del progetto LIDO:
http://www.listentothedeep.com/acoustics/index.html
Sul sito sono inoltre visibili registrazioni di repertorio di NEMO-ONDE e i dati acustici di altre piattaforme di rilevamento acustico subacqueo. Sono stati acquisiti 2100 files del periodo settembre 2012 a gennaio 2013.

E' tuttavia in attivazione il progetto CETAGEO che prevede un accordo diretto con il progetto ANTARES per avere l'elaborazione dei dati acustici in tempo reale attraverso il laboratorio LSIS - DYNI dell'Università di Tolone Sud-Var.

Monitoraggio Zifio

Nel progetto sono stati realizzati specifici strumenti per il rilevamento acustico dello Zifio (Ziphius cavirostris), specie schiva, difficilmente avvistabile, particolarmente sensibile al disturbo antropico e al rumore in particolare, considerata a rischio per la particolare predisposizione allo spiaggiamento se esposta a sonar.
Il CIBRA ha realizzato un prototipo di towed array che si è dimostrato capace di rilevare la presenza di zifi in immersione oltre i 400 metri di profondità in un range stimato di oltre 2km. Il prototipo è stato richiesto per la crociera di ricerca MED 09 organizzata da WHOI – Woods Hole Oceanographic Institution, NURC – NATO Undersea Research Center, ONR – Office of Naval Research, e SPAWAR – US Navy con la NRV Alliance, piattaforma particolarmente silenziosa e pertanto idonea al rilevamento acustico dei mammiferi marini.
Durante la crociera sono stati effettuati monitoraggi acustici e visuali dedicati allo Zifio in tre aree:
Isole Baleari, Mare di Alboran, e Tirreno Centrale. L’area del Tirreno Centrale presenta diverse caratteristiche oceanografiche potenzialmente adatte allo Zifio e dati sporadici disponibili sia da spiaggiamenti che avvistamenti indicano la presenza di una comunità consistente, tuttavia mai studiata ne valutata in termini di distribuzione e densità.
Il prototipo sviluppato al CIBRA è quindi stato  utilizzato per un breve survey lungo la costa orientale della Sardegna e nel Tirreno Centrale a sud del margine inferiore del Santuario Pelagos. I rilievi sia visuali che acustici hanno consentito di rilevare una consistente presenza di capodogli nell’area della Sardegna Sud-Orientale e la presenza di una popolazione di Zifio nell’area i mare a nord-est della Sardegna, lungo margine sud-orientale del Santuario Pelagos
Il sistema di rilevamento acustico e il modello di riconoscimento dei segnali di zifio è descritto in Zimmer & Pavan 2008 e Pavan ett al., 2009.
Con gli stessi strumenti, nel 2010 è stata organizzata una crociera di ricerca nell’alto Tirreno con una barca a vela e motore di 14 metri. La crociera, denominata Zifio 10, pur ridotta a causa delle cattive condizioni meteo-marine, ha prodotto eccellenti risultati dimostrando l’utilizzabilità di una piattaforma mobile a basso costo per lo studio della distribuzione dello Zifio e confermando la presenza dello Zifio lungo il margine sud-orientale del Santuario Pelagos.
Nel 2011 gli strumenti testati nel 2009 e 2010 sono stati utilizzati per tre survey in Mar Ligure con la NRV Alliance del NURC (SIRENA 11).

Mappa GIS degli avvistamenti e dei contatti acustici realizzati nelle tre fasi della crociera Sirena 11. La griglia mostra le aree effettivamente indgate visualmente e acusticamente (da Maugeri G., Tesi 2012).

Survey aereo del Tirreno Meridionale

Nell'ambito della convenzione il survey è stato condotto da parte dell’Istituto Tethys, in collaborazione con il Dottor Giancarlo Lauriano dell'ISPRA, nell'area del Mar Tirreno meridionale. La metodologia di studio  per la conduzione di questi monitoraggi (Distance Sampling da piattaforma aerea) è la medesima sviluppata e utilizzata nell'ambito dei progetti recentemente finanziati dal Ministero dell'Ambiente per fornire un quadro omogeneo della distribuzione di mammiferi marini nei mari italiani.

Intervista su ClassTV sul tema degli spiaggiamenti e della moria di stenelle nel Mar Tirreno che la Banca Dati Spiaggiamenti ha evidenziato con i dati online

Informazioni sulla Banca Dati Spiaggiamenti Accesso alla Banca Dati

La Banca Dati è attiva su molti fronti e costituisce un elemento importante per l’implementazione della Marine Strategy (EU 2008/56). In tal senso ISPRA, in un ambito di collaborazione istituzionale, utilizza le informazioni fornite e elaborate dalla Banca Dati per la redazione del rapporto sullo stato delle popolazioni di cetacei dei mari italiani. Su richiesta ACCOBAMS, le informazioni contenute nella Banca Dati sono confluite nella Banca Dati MEDACES. La Banca Dati viene regolarmente consultata da molti enti e ricercatori sia nazionali che internazionali e ne è riconosciuta l’importanza dalla Marina Militare Italiana, dal Centro NURC della NATO (ora CMRE), e dalla European Defence Agency che ha promosso un progetto (PoMM – Protection of Marine Mammals) per la creazione di un sistema europeo di database per la protezione dei mammiferi marini. La tempestività di aggiornamento e la georeferenziazione dei dati costituiscono un elemento essenziale per tutti gli utilizzatori.