D10 Beschleunigungsmessung und akustische Telemetrie im Feld

Thema

Beschleunigungsmessung und akustische Telemetrie sind die beiden wichtigsten Technologien zur Untersuchung des Bewegungsverhaltens von Fischen in ihrem natürlichen Lebensraum. Dort sind die zuvor beschriebenen Labormethoden – Partikelbild-Velocimetrie, Respirometrie und Elektromyographie – nicht anwendbar. Triaxiale Beschleunigungsmesser, die implantiert oder am Körper des Fisches angebracht werden, messen seine Beschleunigung entlang der drei Raumachsen mit einer Abtastfrequenz zwischen zehn und einhundert Hertz. Diese Frequenz ist ausreichend, um jeden Zyklus des Schwanzflossenschlags zu erfassen. Die akustische Telemetrie hingegen zeichnet die Position des Fisches im Gewässer mithilfe eines Netzwerks verteilter Empfangshydrophone auf. Diese triangulieren die Position eines im Fisch implantierten akustischen Senders.

Der im Fisch implantierte Beschleunigungsmesser erfasst die Summe zweier Komponenten: die Erdbeschleunigung, eine statische Komponente, die die Ausrichtung des Sensors im Fischkörper angibt, und die dynamische Beschleunigung, die der Bewegung des Fisches innewohnt. Durch die Trennung dieser beiden Komponenten – das Herausfiltern der hohen Frequenzen, die der dynamischen Beschleunigung entsprechen, und der niedrigen Frequenzen, die der Gravitationskomponente entsprechen – erhält man die dynamische Gesamtbeschleunigung des Körpers. Diese ist die Summe der Absolutwerte dieser dynamischen Beschleunigung entlang der drei Raumachsen. Die dynamische Gesamtbeschleunigung des Körpers hat sich in empirischen Kalibrierungen als zuverlässiger Indikator für den Energieverbrauch des Fisches, d. h. seine Stoffwechselrate, erwiesen. Dabei ist die Stoffwechselrate proportional zur Fischmasse potenziert mit einer für die jeweilige Art charakteristischen Potenz und gleichzeitig proportional zur dynamischen Gesamtbeschleunigung des Körpers.

Während die Beschleunigungsmessung den Energieverbrauch des Fisches aus seinen eigenen Bewegungen rekonstruiert, berechnet die akustische Telemetrie die Position des Fisches mithilfe von Hyperbolisierung: Die Laufzeitdifferenz des vom Fisch ausgesendeten Signals zu jedem Hydrophonpaar im Netzwerk definiert eine Hyperbel im Raum. Der Schnittpunkt all dieser Hyperbeln, berechnet zwischen verschiedenen Hydrophonpaaren, gibt die exakte Position des Fisches an. Die Genauigkeit dieser Positionierung hängt von drei Faktoren ab: der Geometrie des Hydrophonarrays, der Schallgeschwindigkeit im Wasser (die mit Wassertemperatur und Salzgehalt variiert) und der Feinheit der zeitlichen Auflösung, die zur Messung der Signallaufzeitdifferenz verwendet wird. Die Kombination von Beschleunigungsmessern, die den Stoffwechsel und die Schwimmzyklen des Fisches erfassen, mit akustischer Telemetrie, die seine vollständige dreidimensionale Trajektorie liefert, ermöglicht eine umfassende Abschätzung der Transportkosten des Fisches unter natürlichen Bedingungen – etwas, das keine andere in dieser Reihe beschriebene Technik außerhalb der kontrollierten Laborumgebung leisten kann.

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