Нефтяные пятна с космос

Тема 1 Исследования Мирового океана средствами дистанционного зондирования

1 0 . Нефтяное загрязнение и органические плёнки

Нефтяное загрязнение морской поверхности обнаруживается на космических снимках благодаря тому, что нефтяная плёнка сдерживает волнение и вызывает появление сликов.

Слики (от англ slick – гладкий, блестящий) – это гладкие зеркальные полосы или пятна на поверхности океанов, морей или внутренних водоёмов, которые имеют на радиолокационных изображениях практически чёрный цвет. При лёгком бризе они могут иметь вид пятен, а при ветре более 5 м/с разбиваются на узкие полосы. Основная причина их появления – плёнки различных органических соединений, в том числе поверхностно-активных веществ (ПАВ). Источниками органического вещества в океане являются животные и растения, а также естественные источники сырой нефти. Вещества биогенного происхождения образуют на поверхности моря плёнки в несколько мономолекулярных слоёв толщиной 10 -7 -10 -6 см, скапливаясь в районах высокой биологической активности.

Биогенные плёнки – результат жизнедеятельности морских организмов и растений, главным образом, фито и зоопланктона, а также бактерий; они образуются в море при сложных биохимических реакциях в процессе жизнедеятельности и разложения морских организмов, и не могут считаться загрязнениями в прямом смысле слова. Органические пленки сохраняются в море при слабых ветрах в течение продолжительного времени и начинают разрушаться, когда скорость ветра превышает 6-7 м/с. После прекращения действия сильного ветра органические вещества снова выносятся на поверхность и образуют слики.

Биогенные плёнки на радиолокационном изображении спутника ERS-1

Естественное загрязнение моря нефтью – «следы» работы грифонов на морском дне (ЮЗ часть Каспийского моря) на радиолокационных изображениях со спутника E nvisat

Плёнки антропогенного происхождения на поверхности моря образуют не только нефть и продукты её переработки, но и различные технические и бытовые масла, жирные кислоты и спирты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), содержащиеся в бытовых, промышленных и канализационных стоках.

Разлившаяся в море нефть образует плёнки различной толщины, так как нефть и продукты её переработки представляют собой сложные смеси. Благодаря своим физико-химическим свойствам нефть может существовать в океане довольно долгое время в виде плёнок, в эмульгированном виде или в виде агрегатов. На распространение плёнок по поверхности моря влияют два процесса: перенос (дрейф) под действием ветра, волн и течений и самопроизвольное растекание по поверхности. При сильном ветре пятно разрушается и в слое ветрового перемешивания возникает нефтяная эмульсия (причём водная эмульсия со временем оседает на дно). В отличие от ПАВ/СПАВ, нефть никогда не растекается до мономолекулярных слоёв, а её плёнки имеют большую толщину.

Сброс балластных вод с судна в Чёрном море (снимок с вертолёта)
(Светлое пятно в нижней части снимка – солнечный блик, стрелка указывает на судно)

Радиолокационный снимок акватории Северной Атлантики у банки Галисия в районе катастрофы танкера «Престиж» в ноябре 2002 г. Снимок получен со спутника ERS -2. Для чистой морской воды характерен слабоконтрастный серый фон. Тёмные пятна на этом фоне – поверхностные плёнки нефтяных загрязнений, белые точки – морские суда. От танкера «Престиж» – белой точки в юго-западной части снимка в северо-восточном направлении тянется тёмный шлейф, который разделяется на два рукава – северный и восточный. Хорошо видны отдельные тёмные пятна эмульсии топлива, образовавшиеся в результате утечки из танков «Престижа» в первые дни аварии.

Сброс балластных вод с судна у побережья о.Тайвань (Южно-Китайское море) на радиолокационном снимке со спутника ERS-2

Отрицательное воздействие нефтяных загрязнений на морские экосистемы связано как с нарушением процессов взаимодействия океана с атмосферой, так и с накоплением в них вторичных загрязнений. Плёнки нефти и СПАВ оказывают существенное влияние на ряд гидрохимических и гидробиологических процессов в океане. Бактериальное разложение и естественное окисление нефти и нефтепродуктов затруднено.

Всё возрастающее антропогенное загрязнение океана нефтью становится проблемой высокой общественной значимости. Поверхностные загрязнения антропогенного происхождения в основном связаны с разливами нефти и нефтепродуктов, а также с выбросом в море спектра весьма разнообразных веществ бытового и промышленного происхождения. Для обнаружения и исследования плёночных загрязнений моря применяются пассивные и активные датчики в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и радио-диапазонах.

Нефтяные пятна в районе морских нефтепромыслов (п. Нефтяные камни, Каспийское море) на радиолокационном снимке со спутника ERS-2

В настоящее время большинство датчиков выполнено в самолётных вариантах. В видимом и инфракрасном диапазонах пятна загрязнений имеют более светлый тон по сравнению с незагрязненной поверхностью; при малой высоте солнца над горизонтом в видимой области возможен тёмный тон пятен. Тепловые инфракрасные датчики могут работать как в дневное время, так и ночью, однако их показания значительно искажаются при наличии облачности или осадков. Радиолокационная съёмка всепогодна и независима от освещения, однако её возможности ограничены состоянием поверхности моря. Контрасты шероховатости на морской поверхности могут вызывать и другие процессы в океане и атмосфере, создавая сходные радиолокационные образы. Однако способность радиолокаторов к всепогодному мониторингу делает их незаменимым средством дистанционного зондирования.

Возможность радиолокаторов с синтезированной апертурой обнаруживать загрязнения на морской поверхности в целом зависит от геометрии съёмки, скорости ветра (состояния поверхности моря), типа загрязняющего вещества и др. факторов. Тонкие пленки СПАВ обычно наблюдались при скоростях ветра 3-6 м/с, пятна нефти – при ветре до 12 м/с. На радиолокационных снимках можно достаточно точно определить положение, форму и размер пятен; при повторных съёмках – направление и скорость дрейфа. Приведённые выше изображения наглядно демонстрируют возможность радиолокационной съёмки обнаруживать и регистрировать на морской поверхности загрязнения нефтью в широком диапазоне условий окружающей среды.

С помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой высокого разрешения возможно осуществлять локальный мониторинг районов морской нефтедобычи на шельфе, морских путей перевозки нефти, оперативно контролировать места аварий танкеров, экологическую обстановку во внутренних морях, в портах и в местах сброса сточных вод. Уже созданы и успешно работают геоинформационные системы для мониторинга нефтяного загрязнения Средиземного моря, районов нефтедобычи на шельфе Северного и Баренцева морей. Для решения задачи обнаружения и локализации нефтяных загрязнений на морской поверхности, а также для определения типа загрязнения необходимо привлекать дополнительную информацию, поскольку визуальный анализ радиолокационных снимков не позволяет достаточно надежно классифицировать наблюдаемые пятна, а также отличить нефтяные слики от сликов органических СПАВ биогенного происхождения.

Крупнейший за последние десятилетия нефтяной разлив в Мексиканском заливе был вызван аварией, произошедшей на нефтяной платформе Deepwater Horizon (компания British Petroleum) 20 апреля 2010 г. Результаты спутникового мониторинга нефтяного загрязнения в Мексиканском заливе по материалам космических съёмок в разных диапазонах спектра подготовлены в Институте космических исследований РАН : http://www.iki.rssi.ru/asp/dep_mexi.htm

Фрагмент изображения MERIS Envisat (композит 7, 5, 2 каналов), разрешение 260 м, полученного 25 апреля 2010 г. Изображение нефтяного пятна в зоне солнечного блика

Фрагмент изображения ASAR Envisat, полученного 26 апреля 2010 г.

Источник

Мониторинг нефтяных загрязнений

Прогноз дрейфа нефтяных пятен

Независимость от облачности, тумана и дыма. Микроволновое излучение используемых в космической радиолокации частот (3.1 см (X-диапазон) – 23.5 см (L-диапазон)) обладает высокой проникающей способностью. В частности, радиолокационная съёмка используется для обнаружения подземных коммуникаций и прочих погребённых структур.

Утечка нефти в море с платформ в акватории Апшеронского п-ва. Стрелкой отмечены метеоданные по облачности на момент съёмки

Независимость от времени суток (условий освещенности). Радиолокационная съёмка использует автономный источник излучения, что позволяет получать космические снимки в тёмное время суток. Это свойство радиолокационной съёмки, в сочетании со всепогодностью, позволяет многократно увеличить объём извлекаемой информации и обеспечить регулярный мониторинг акватории интереса.

Возможность извлечения из космоснимка дополнительной информации. Из радиолокационного изображения, кроме информации о нефтяном загрязнении, извлекается информация о судовой обстановке на момент разлива, ледовой обстановке, а также возможно извлечение полей скорости и направления приводного ветра на момент съёмки (см. рис ниже), который оказывает непосредственное влияние на динамику распространения загрязнения.

Извлечение поля приповерхностного ветра. Извлекается не только направление, но и скорость ветра на каждом из локальных участков

Технологии спутникового радиолокационного мониторинга нефтяных загрязнений широко применяются во многих странах в составе систем оперативного реагирования. Существует несколько подходов к осуществлению мониторинга акваторий с использованием данных радиолокации, однако их можно разделить на 2 основные группы:

1) Оперативный мониторинг
2) Создание комплексных ГИС-систем мониторинга

Примером первой группы могут служить национальные системы оперативного
контроля нефтяных загрязнений прибрежных акваторий и территориальных вод,
созданные в Норвегии, США, Канаде и др.

В Норвегии государственная система оперативного контроля аварийного
загрязнения территориальных вод организована на основе скоординированного
спутникового и авиационного мониторинга. В автоматизированном режиме
осуществляется приём, обработка и анализ радиолокационной информации, а также сопоставление обнаруженных загрязнений с данными автоматизированной идентификации судов (АИС). Выявленные загрязнения интерпретируются со степенью достоверности обнаружения (высокая, средняя, низкая), результаты обработки посредством WEB-сервисов в оперативном режиме передаются в организацию Norwegian Pollution Control Authority (SFT), функционирующую при министерстве окружающей среды. Береговая служба Норвегии в район аварии направляет патрульный самолёт, наблюдения с которого позволяют уточнить масштаб загрязнения и установить виновника.
В Канаде и США аналогичная система функционирует в рамках государственной программы Integrated Satellite Tracking of Oil Pollution (ISTOP).

К недостаткам такого подхода относится относительно высокая стоимость системы, вероятность получения ложных тревог / упущения реальных разливов (в результате автоматизированной обработки, направленной на оперативность). Также, в рамках концепции оперативного мониторинга, как правило, непосредственно не предусматривается возможность моделирования динамики распространения загрязнения.

Осуществлять данную задачу, а также сбор статистики разливов с целью
прогнозирования, призваны методики второй группы, в основе которых лежит создание комплексных ГИС-систем мониторинга.

В рамках подобных систем, также распространённых в странах Евросоюза (программы CleanSeaNet, PRIMI и др.) и зачастую дополняющих системы оперативного мониторинга, лежит сбор и объединение архивных и новых радиолокационных снимков с дополнительными источниками информации в рамках единой геоинформационной системы. Цель: получение наиболее полной информации по конкретному загрязнению, анализ его источника и прогнозирование / восстановление динамики распространения.

Общая схема методики, как правило, состоит из следующих этапов:

Предварительная обработка радиолокационного снимка (радиометрическая коррекция, ортотрансформирование и т.п.)
Обнаружение и извлечение основной информации о разливах нефти (оконтуривание площадей разливов, присвоение атрибутов и т.п.).

Оконтуривание утечек нефтяных платформ. Используется функционал ERDAS IMAGINE

Источник

Ученые объяснили, как раскрыли загадку таинственных нефтяных пятен в Черном море

Ученые из института космических исследований буквально держат под контролем леса, горы и поля. Казалось бы, что можно разглядеть с высоты в несколько сотен тысяч метров, но им сверху видно все.

Высокие, в прямом смысле, технологии сильно упрощают жизнь сразу нескольким федеральным агентствам. МЧС мониторит ситуацию с лесными пожарами, у Росрыболовства теперь на учете каждое судно, которое ведет промысел в российской экономической зоне, Росавиация – следит за вулканической активностью на Камчатке и Курилах, а в Рослесхозе теперь точно знают, где что вырубили, что на этом месте растет теперь. У ученых есть возможность наблюдать ситуацию в развитии. Для этого они используют сложные алгоритмы, способные обработать не одну сотню снимков.

За 16 лет работы системы на серверных хранилищах института накопилось больше 1 петабайта информации. По объему это как 100 000 фильмов в hd-качестве или 300 миллионов песен в формате mp3, выделенный канал интернета, подведенный сюда, в тысячу раз быстрее, чем дома у любого из юзеров.

По интернету в институт приходят данные из центров управления полетами со всего земного шара. Здесь же – прямой канал связи с Королевом и Хьюстоном. Сигналы спутников лучше ловить за городом, там, где нет высотных зданий и так называемого радиошума. Но ученые имеют и свой собственный канал связи с космосом.

На крыше института космических исследований – глаза и уши спутниковой системы. Антенны могут принимать сигнал от космических аппаратов, пока те находятся в зоне прямой видимости. Поэтому пока спутник пролетает над Москвой, антенна будто провожает его взглядом до самого горизонта.

Вся страна отсюда – как на ладони. Благодаря взгляду из космоса, ученые, например, смогли раскрыть загадку таинственных нефтяных загрязнений в Черном море, и поймать с поличным виновных в этом серьезном экологическом преступлении.

Говоря о перспективах развития подобных систем, директор института Лев Зеленый позволяет себе пофантазировать: снимки из космоса в будущем будут такими, что видно будет едва ли не стрелки на наручных часах прохожих.

Другая ветвь развития этих аппаратов лежит уже за пределами земной орбиты: ученые уже запускают спутники к соседним планетам: например, изучают парниковый эффект на Венере и ищут выбросы метана на Марсе. Видимо, теперь самое время начинать исследовать другие миры, ведь Землю в институте Космических исследований уже сфотографировали со всех возможных ракурсов.

Источник

➤