集団発生したセミの鳴き声を光ファイバーで観測することに成功したという報告

日常生活で高速通信を可能にする光ファイバーケーブルは、文字通り光をケーブル内で反射させながら送受信して通信を可能にします。しかし、ちょっとした衝撃や振動が通信に影響を与えてしまうため、これを逆に利用して地震や火山の観測に利用する研究が進んでいます。そんな光ファイバーケーブルで、17年ぶりに数兆匹単位で大量発生したセミの活動を観測することができたという報告が挙がっています。

Long-term monitoring and analysis of Brood X cicada activity by distributed fiber optic sensing technology | Journal of Insect Science | Oxford Academic
https://academic.oup.com/jinsectscience/article/23/6/3/7425398

Roar of cicadas was so loud, it was picked up by fiber-optic cables | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2023/12/roar-of-cicadas-was-so-loud-it-was-picked-up-by-fiber-optic-cables/

光ファイバーのケーブル内に光パルスを入射させると、ケーブル内にわずかに含まれる不純物によって光が散乱します。これと同様に、光ケーブルに振動が加わるとケーブルが変形し、内部を伝わる信号が変化します。この振動によって加わった変化を計測することで、地面の揺れを計測するシステムが分布型音響計測(DAS)です。

光ファイバーで振動を捉える ｜ 東北大学 大学院理学研究科 地球物理学専攻
https://www.gp.tohoku.ac.jp/research/topics/20210521155254.html

DASは光のわずかな変動を捉えるため、近年は地震や火山活動の監視に利用されることがよくあります。例えば、日本では三陸沖にある海底ケーブルを用いたDASで海底地震の観測を行う研究が実施されています。

三陸沖海底ケーブルを用いた分散型音響センシング技術による海底地震観測 – 東京大学地震研究所
https://www.eri.u-tokyo.ac.jp/research/16313/

2021年の春、アメリカ・ニュージャージー州のプリンストンにあるNEC研究所の物理学者であるサーパー・オザーラー氏は、火山活動観測用のDASに奇妙なノイズが入っていることに気づきました。オザーラー氏は、「そこにあってはいけないもの、どこにも明確な周波数がブンブンと響いていました」と述べています。

オザーラー氏ら研究チームは、その周波数の源が火山ではなく、巨大なセミの群れによって生まれたものではないかと考えました。実は、2021年は17年周期で大量発生する「ブルードX」と呼ばれるセミが数兆匹単位で発生した年。研究チームはこの大量発生したセミの鳴き声が振動を起こし、DASに影響を与えていたのではないかと予想しました。

セミはお腹の中に共鳴室という空間があり、そこに張られた「発音膜」という器官を震わせることで鳴き声を出します。また、セミが鳴くのは繁殖のためであり、鳴くのはオスだけです。大量のセミの鳴き声が、DASに検出されるほどの振動を与えたのではないかというのが研究チームの考えです。

そこで、研究チームはアメリカ自然史博物館の昆虫学者でセミの専門家であるジェシカ・ウェア氏に連絡を取りました。ウェア氏は「私はセミを観察していて、生物学的サンプルを収集するためにプリンストン周辺に滞在していました。ですから、オザーラー氏らの研究チームがセミの鳴き声を捉えたと報告し、さらにそれが実際に発生パターンとある程度一致することが示された時、私は本当に興奮しました」とコメントしています。

さらに研究チームは、ケーブルをわたしている電柱にケーブルをクルクルと丸めて輪にした部分があることに気付きました。ケーブルが直線状の場合よりも、ループしている方が受信される振動の影響が増幅されるため、ケーブルがより高い感度でセミの鳴き声による振動を受信できていたというわけです。

DASのデータを解析した結果、セミが少しずつふ化し、大量発生して生息数のピークを迎え、交尾を終えて減少していく様子がDASで拾った信号から明らかとなりました。セミによる騒音の大きさは活動するセミの数の指標となります。そのため、観測したDASの場所によって大きさが違う場合、そのエリアで活動していたセミの集団の規模も予想できます。

また、気温の変化や天候がセミの活動に影響を与えていることが、DASのデータから判明。ウェア氏は「5日間のデータを通して見ると、気温が少し下がると鳴き声の周波数がHz単位で微妙に異なることがわかります」と述べています。

以下のグラフはDASで検出したセミの鳴き声による信号の強弱を示したグラフ。6月11日から6月12日にかけて大雨(heavy rain)が降ったそうで、赤い丸を付けた部分で急激にセミの鳴き声による信号が弱まっていることが分かります。

研究チームは、今回の研究で「DASを応用してセミの観測を実現する可能性」が示されたと述べています。屋外に設置された標準的な光ファイバーケーブルを利用することで、セミの活動をより定量的に分析することが可能になり、光ファイバーケーブルのルートに沿ってセミの活動をリアルタイムでマッピングすることもできます。また、研究チームは、光ファイバーを使って広い範囲でセミの活動を比較し、単一の個体の活動を地下の光ファイバーケーブルを介して経時的に記録できるかが今後の課題だとしています。

オザーラー氏は「私たちは0と1のデータを伝送するために光ファイバーを利用しています。しかし、光ファイバーにはもっと多くのことができるのです。光ファイバーによるDASは近い将来ますます重要になり、より広く使われるようになるでしょう」とコメントしました。