Мониторинг нефтяных загрязнений акваторий морей и океанов

Морские акватории напрямую задействованы в нефтегазовом комплексе. Многие крупные месторождения находятся в шельфовой зоне морей, некоторые современные нефтепроводы проходят по морскому дну, а морской транспорт находится на втором месте по объёмам перевезенного сырья. К сожалению, аварии и сопутствующие им нефтяные разливы были и остаются неизбежными спутниками многих операций по добыче, транспортировке и хранению нефти в море и на суше.

Причины возникновения и тяжесть последствий разливов нефти различны в зависимости от сочетания множества обстоятельств, но однозначно все они наносят едва ли поправимый урон морской экосистеме. Только за последние 20 лет произошло более 10 крупных катастроф, в результате которых в Мировой океан попало более 20 млн тонн нефти. Помимо этого, в процессе добычи нефть попадает в море путём естественного просачивания; во время штатных танкерных операций (залить и слить нефть) утекает до 36 тысяч тонн нефти в год, а при транспортировке некоторые танкеры сбрасывают отработанное топливо в море, чтобы не платить за переработку материала.

Дистанционный метод экологического мониторинга акваторий

На данный момент мониторинг акваторий морей и прибрежных территорий с помощью дистанционного зондирования — основной способ контроля их экологического состояния. Метод основан на приёме и обработке изображений и других цифровых данных с различных систем, находящихся как на зарубежных, так и на отечественных спутниках. Анализ получаемых данных позволяет оперативно и регулярно определять экологическое состояние акваторий, подвергшихся воздействию загрязнений различного происхождения, оценивать масштаб и степень загрязнения, выявлять процессы, которые переносят загрязнения по акваториям, а иногда и определять непосредственных виновников катастроф. Возможность оперативно и регулярно наблюдать за состоянием больших площадей акваторий, а также проводить повторный мониторинг одних и тех же мест с небольшим интервалом времени делает данные космической съёмки наиболее дешёвым, оперативным и объективным дистанционным методом экологического мониторинга акваторий морей и океанов. Рассмотрим возможности применения радарных данных для экологического мониторинга. В наше время радиолокационная съёмка является основным методом дистанционного мониторинга как процессов, протекающих в океане, так и процессов между океаном и атмосферой.

У радиолокационной съёмки есть ряд весомых преимуществ получения информации о состоянии морей:

• возможность круглосуточного мониторинга, при этом качество изображения не зависит от времени суток;
• возможность проводить мониторинг при любой погоде, в частности при 100% облачности;
• интерпретация радиолокационных снимков поверхности воды достаточно проста за счёт однородности диэлектрических свойств воды в данном диапазоне спектра.

Радиолокационный мониторинг

Метод мониторинга земной поверхности с помощью радиолокационной съёмки основан на измерении отражённого излучения. Во время проведения мониторинга поверхности океана с помощью радиолокационной съёмки данные о характеристиках поверхности содержатся в функции отражения, которая находится в виде отражённой от морской поверхности электромагнитной волны. Функция отражения формируется не только свойствами самой поверхности, но и условиями её формирования. Изображение морской поверхности на радиолокационном снимке зависит от диапазона съёмки, поляризации излучения и угла падения сигнала.

В зависимости от особенностей конструкции приёмника и режима работы радиолокационные системы могут выполнять излучение и приём:

• на вертикальной поляризации (VV);
• горизонтальной поляризации (HH);
• двойных поляризациях (VH и HV).

Вертикальная поляризация применяется для изучения различных процессов и явлений, проявляющихся на морской плоскости, с помощью модуляции гравитационно-капиллярной составляющей спектра поверхностного волнения.

Мониторинг льдов

Горизонтальная поляризация, являясь менее чувствительной к вариациям мелкомасштабной шероховатости морской поверхности, широко применяется для мониторинга морских льдов и разделения радиолокационных образов ледяного покрова и открытой воды.

Поскольку интенсивность отражения морской поверхностью сигнала значительно снижается при использовании излучения и приёма на двойных поляризациях (VH и HV), такие режимы используются для определения на морской поверхности объектов, способных на многократные отражения, таких, как корабли и деформации ледяного покрова (торосы, трещины, расколотый лёд).

Сигнал радиолокационной съёмки способен проникать в воду всего на несколько миллиметров, но процессы, протекающие в море, определяются с помощью поверхностных проявлений. Поэтому радиолокационные космические снимки поверхности акваторий несут информацию о процессах, происходящих не только в приповерхностном слое, но и на определённой глубине.

Отражённый от поверхности воды радиолокационный сигнал зависит от коротких гравитационно-капиллярных волн на поверхности моря, создающихся ветром. Атмосферные и океанические процессы так или иначе создают эти гравитационно-капиллярные волны, что проявляется в разных по интенсивности радиолокационных сигналах. Разнообразные структуры на поверхности моря становятся обозримыми именно благодаря тем или иным механизмам модуляции волн, главным образом — течениям и инородным веществам на поверхности моря, влияющим на поверхностное натяжение жидкости. Таким образом, радиолокационная съёмка поверхности акваторий позволяет визуализировать процессы как в самом океане, так и в атмосфере над ним.

Преимущество радиолокационных данных

Огромное преимущество радиолокационного сигнала перед электромагнитными волнами других диапазонов спектра заключается в том, что он проникает через облачный покров, обеспечивая круглосуточное и всепогодное наблюдение океана. Ещё одно преимущество сверхвысокочастотных радиоволн, важное для задач дистанционной диагностики океана, заключается в том, что эти волны резонансным образом взаимодействуют с коротковолновой компонентой поверхностного волнения и тем самым визуализируют движения в океане, недоступные для наблюдения в других диапазонах электромагнитного спектра.

Эффективность применения космических средств дистанционного зондирования в большей степени зависит от правильно построенных моделей, связывающих характеристики принимаемого спутниковым прибором микроволнового излучения с параметрами морской поверхности и атмосферы над ней.

Основной интерес дистанционного зондирования прикован к областям морской поверхности, покрытым нефтяными плёнками — плёночными сликами. Наличие нефтяной плёнки на поверхности океана приводит к снижению интенсивности взаимодействия воды и атмосферы и к уменьшению резонансной гравитационно-капиллярной компоненты поверхностного волнения. В этом случае на поверхности океана образуются сглаженные области, которые проявляются на радиолокационном изображении как области пониженного отражения, которые могут служить индикаторами загрязнения поверхности.

Радиолокационные образы разливов углеводородов на морской поверхности зависят от внешних условий. Контраст между областью разлива и окружающей поверхностью определяется рядом параметров: скоростью ветра, высотой волн, количеством и типом разлитой нефти. Форма разлива оказывается разной в случаях выброса нефти из стационарного и движущегося объекта. Поведение разлитой на морской поверхности нефти может быть весьма разнообразным. Сырая нефть растекается по морской поверхности, образуя слик ― область «выглаживания». В экспериментах с контролируемыми разливами было обнаружено, что более 90% нефти длительное время находится в относительно небольшой центральной области, площадь которой растёт пропорционально времени.

Приповерхностный ветер является важнейшим фактором, позволяющим верно выявить и оценить нефтяные загрязнения на морской поверхности по радиолокационным изображениям. При скорости ветра выше 9–10 м/сек. плёночные загрязнения любого происхождения, как нефтяные, так и биогенные, неразличимы на радиолокационных изображениях морской поверхности.

Экологический мониторинг нефтяных загрязнений акваторий показал свою экономическую эффективность. Стоимость выезда экологов на корабле или вертолёте кратно сильно превышает стоимость любого вида космической съёмки. К тому же корабль сам по себе является источником загрязнения морской поверхности. Оперативный контроль крупных нефтяных разливов позволяет точно очертить зону разлива и срочно начать мероприятия по недопущению дальнейшего его распространения. Это значит, что загрязнение не затронет берега моря, не будет уничтожена прибрежная флора и фауна и, следовательно, будут снижены экономические затраты.

Причины нефтяных разливов

Причины возникновения нефтяных разливов на поверхности моря могут быть различными. Самый худший вариант ― это техногенные аварии в местах добычи и во время транспортировки нефтяными танкерами. Худший он потому, что вброс нефти в акваторию моря происходит массово и одновременно, моментально убивая всё живое вокруг и не оставляя времени на принятие мер.

Другой путь загрязнения — выброс нефтепродуктов во время бурения скважины на шельфе и её дальнейшей эксплуатации. В данном случае разливы держат под контролем и позволяют им уплыть далеко от мест добычи. Нефтепродукты попадают в море также из-за халатности экипажей морских судов. Случайно или специально они сливают отработанное топливо в океан, чтобы не платить за утилизацию отходов. 

Справедливости ради стоит отметить, что часть нефти попадает в Мировой океан всё-таки естественным путем ― через просачивания в океанической коре. Это в свою очередь может послужить сигналом для разведки нефти.