Актуальнейшим вопросом гидроэкологии
является борьба с загрязнением Мирового океана методами
дистанционного обнаружения и оконтуривания пятен нефти
и нефтепродуктов на поверхности акваторий. В настоящее
время разработаны радиофизические методы для решения указанной
задачи, основанные на принципе различия контрастности
оптических, тепловых и радиоактивных свойств гидроповерхности
"чистой" воды и загрязненной нефтью и нефтепродуктами.
Созданные методы, помимо высокой оперативности, позволяют
выявлять и оконтуривать загрязнения вскоре после разлива
нефти, когда еще при малых затратах реально осуществить
очистку акватории.
При разливе нефти, как показывают исследования, на
поверхности акватории образуется нефтяной слой толщиной
в несколько сантиметров (2-6 см), который затем в течении
нескольких часов расплывается на значительную площадь
(литр нефти на 1 гектар), при этом толщина пленки достигает
0,1-0,01 мм. Через несколько суток толщина пленки уменьшается
до молекулярного слоя и при этом часть нефти эмульгирует
и находится в толще воды в виде включений.
Образовавшийся
нефтяной слой изменяет условия термодинамического равновесия
и приводит к возникновению температурной аномалии -
температурному контрасту между чистой водой и водой,
загрязненной нефтепродуктами. Эта аномалия обусловлена:
1) уменьшением скорости испарения с поверхности
воды из-за подавления нефтяной пленкой высокочастотных
водяных волн;
2) изменением излучательной способности загрязненной
поверхности воды из-за более высокого коэффициента отражения
нефтепродуктов;
3) более низкой теплопроводностью нефти и нефтепродуктов
(в 3-6 раз) и теплоемкостью (1,5-2,5 раза) по сравнению
с "чистой" водой.
Вследствие
этих причин, согласно расчетам, отличие в радиационных
температурах нефти Тн и воды
Тв : в солнечный день Тн
- Тв » (1-2) К, ночью »
(0,5-1) К.
Оптические
свойства чистой воды также существенно отличаютсч от
свойств воды, загрязненной нефтепродуктами. Для чистой
воды в океане длина волны максимально рассеянного света
в близкой УФ и видимой области спектра равна 470 нм,
коэффициент преломления n»1,3,
угол Брюстера 530. В загрязненной нефтепродуктами
воде за счет электронных переходов легкие фракции нефти,
присутствующие в нефтяных пленках на поверхности воды
и поглощающие излучение в области ~300 нм, могут давать
люминесценцию в диапазоне 360-460 нм; более тяжелые
фракции поглощают в области ~370 нм и люминесцируют
~520 нм. Коэффициент преломления в УФ (~300 нм) и видимом
диапазоне (~550нм) 1,6; угол Брюстера 580.
В
ИК-области коэффициент преломления нефти больше, чем
у воды, что обуславливает более высокие коэффициенты
отражения от нефтяных пленок. Существенно отличаются
и поляризационные характеристики.
Естественная
радиоактивность нефти, обусловленная главным образом
гамма-излучением урана и радия, значительно выше естественной
радиоактивности морской воды. Контраст (отношение концентраций
радиоактивных элементов в нефти к воде) колеблется в
пределах для урана 0,5-10, для радия - 1-100, что обуславливает
возможности выявления нефтяных загрязнений, используя
собственное гамма-излучение нефтяных пленок и загрязненных
акваторий.
Согласно
существующим методам дистанционного обнаружения нефтяных
(и не только нефтяных) загрязнений их подразделяют на
три типа: пассивные, полуактивные и активные.
Пассивные
методы основаны на регистрации теплового излучения (ИК
и СВЧ) и естественного гамма-излучения; полуактивные
методы основаны на облучении естественными (Солнце,
Луна) и искусственными источниками электромагнитного
излучения в широком спектральном диапазоне и в анализе
сопоставления изменения спектрального состава принятого
сигнала загрязненных и незагрязненных участков поверхности
акватории; при использовании активных методов исследуемая
водная поверхность облучается источниками излучения
заданного спектрального состава (лазером) с регистрацией
или отраженного излучения, или флуорисценции, или комбинационного
рассеяния.
При
измерении отраженного УФ излучения можно зафиксировать
сырую нефть и тяжелые нефтепродукты, прозрачные нефтепродукты
фиксируются несколько сложнее. Максимальный контраст
нефть-вода наблюдается при толщинах пленки до 1 мкм.
Метод отражения на мелководье существенно осложняется
из-за ухудшения соотношения сигнал/шум в результате
роста фона от песка и ракушечника.
Метод
регистрации собственного теплового излучения микроволновым
радиометром позволяет определять толщину пленок d (при
d>100 мкм) путем измерения двух или более частот
и может применяться в любое время суток и при любых
погодных условиях. Основное ограничение связано с влиянием
волнения моря.
Методика
обнаружения нефтяных пятен на основе спектров флуоресценции
позволяет при использовании нескольких длин волн возбуждения
(гелий-кадмиевый, эксимерный, аргоновый, лазеры с перестраиваемой
длиной волны, рубиновый) различать до нескольких десятков
сортов нефти. Однако, при этом следует обратить внимание
на устранение фоновой люминесценции от микроорганизмов
морской среды.
Использование
активной радиолокации для обнаружения нефтяных загрязнений
основано на эффекте изменения рассеянного сигнала нефтяной
пленкой по сравнению с чистой водой. Однако, существенное
ограничение применению этого метода создают сильные
ветры (скорость не более 5-8 м/с), при которых характер
волнения не определяется наличием на поверхности воды
нефтепродуктов.
Методика
на базе отраженного лазерного излучения является весьма
перспективной, поскольку, как показали исследования,
при использовании СО2-лазера, генерирующего
на длине волны 10,6 мкм, контраст в отражательной способности
воды, покрытой пленкой нефтепродуктов толщиной менее
30-40 мкм, и чистой водой составляет 4,7-4,9. Соленость
морской воды и изменение температуры поверхности в интервале
10-500 С практически не влияет на отражательную
способность пленки, более того пена и волнение моря
в пределах 5-6 баллов также не влияют на контраст.
Обнаружение
нефтяных загрязнений можно осуществлять и с помощью
He-Ne-лазера на длине волны l=633 нм,
лазера на GaAs (l=900 нм),
лазера на рубине (l=690 нм)
и неодиме (l=1,06 мкм).
Однако для этих длин волн контраст меньше (~2). Эксперименты
проводились, в частности, на пленках дизельного топлива
и автола на спокойной и взволнованной морской поверхности
в различное время суток. Установлено, что пленки дизельного
топлива увеличивают отражательную способность на длине
волны l~900 нм
в зависимости от толщины пленки и состояния поверхности
акватории. Для d ~ 0,07-0,1 мм и поверхности с рябью
3-5 см отражательная способность h
(по отношению к отражательной способности чистой воды)
равна ~ 3,5-4; при d ~ 0,2 мм h»1;
при d > 0,7 мм остается практически постоянной -
h~2,5. На спокойной морской
поверхности при толщине пленки d < 0,1 мм h»5-7,
с увеличением толщины значение h падает и, начиная с d ~ 0,15 мм,
становится ниже, чем для чистой воды.
Для
автола при d=0,05-0,12 мм
на взволнованной поверхности h~2-3, с ростом толщины падает,
но остается больше единицы. Для спокойной водной поверхности
при d ~ 0,2 мм h~7,5.
При росте d до 1,2 мм h снижается где-то до 3.
Согласно
экспериментальным данным наибольший контраст яркостей
нефтяная пленка-вода имеет место в спектральных областях
700-800 нм, 1 мкм и 10 мкм, причем в области 10?11 мкм
величина контраста максимальна. Поэтому следует ориентироваться
при проектировании аппаратуры по методике отражения
на СО2-лазер (l=10,6 мкм).
При
учете ослабления лазерного излучения в атмосфере и волнения
моря имеет место следующее соотношение для расчетной
высоты над уровнем моря, на которой возможно дистанционное
обнаружение нефтяных пленок методом отражения
,
где Р
- мощность сигнала, приходящего на приемную антенну,
Р0 - мощность излучения лазера,
S0
- площадь антенны, q=rT2
- геофизический фактор (r
- коэффициент яркости моря, Т - функция пропускания
атмосферы), h
- высота точки измерения над уровнем моря, Q
- угол визирования. Условие наблюдения сигнала на
высоте h определяется соотношением h/P>Q, где Q - пороговая чувствительность
системы.
Коэффициент
отражения от пленки 
зависит от ее средней толщины
, показателя преломления n
и поглощения A
нефти (нефтепродукта) и от длины волны l зондирующего излучения.
Установлено, что независимо от параметров распределения
пленки по толщине сохраняется зависимость 
, где Rв
- коэффициент отражения от воды, от 
для интервала толщины пленок в
пределах 
. Для l~10 мкм этот интервал соответствует
толщинам пленок 0,1?2 мкм. Используя зависимость 
можно оценивать толщину пленки.
Согласно
экспериментальным результатам при постоянной скорости
дрейфа пленки и отсутствии резких неоднородностей толщина
пленки изменяется по закону L-1, где L
- расстояние от источника вдоль трассы. По такому же
закону изменяется мощность и отраженного сигнала, согласно
эксперименту это имеет место при L~600 м
от источника. В максимуме сигнала Rотн=50.
При
надежной регистрации (Rотн»10)
это соответствует d»2 км.
Таким образом можно оценивать толщину пленки по всей
поверхности загрязнения.
В
качестве демонстрации в табл. 1 приведены расчетные
значения высот, с которых производится локация пятна
на примере СО2-лазера (l=10,6 мкм)
при следующих параметрах: P0=2 Вт,
Q=10-6 Вт, S0=1200 см2
и 
. Расчеты выполнены для двух углов
визирования Q=00 и 200;
в таблице приведены значения q.
Из
табл. 1 следует, что при Q=00 условия
регистрации выполняются для высот 200 и 500 м, а для
Q=200 только для значения h=200 м.
Поскольку отражение от нефтяной пленки на l=10,6 мкм
в пять раз выше, чем от чистой поверхности моря, то
полученные оценки будут справедливы и в случае нефти
и нефтепродуктов.
Большим
недостатком метода отражения является ограниченность
угла приема отраженного сигнала.
Методов
обнаружения поверхностных нефтяных загрязнений гидросферы
на основе тех или иных аномалий достаточно много, что
отмечалось выше. Однако, ни один из этих методов не
может конкурировать с люминесцентным методом, более
того только методы, основанные на флуоресценции и комбинационном
рассеянии, позволяют классифицировать тип нефти. Результаты
исследования 29 проб сырой нефти показали, что каждую
пробу можно однозначно охарактеризовать, измеряя длину
волны максимума испускания, время жизни и квантовый
выход флуоресценции. Более того, эффективность люминесценции
вполне достаточна для того, чтобы проводить измерения
с борта летательного аппарата (~0,5-1 км).
Таблица 1.
Значения
расчетных высот, на которых надежно принимается нормированный
сигнал отражения лазерного излучения от чистой поверхности
моря при указанных геофизических факторах.
|
h, км
|
Q=00
|
Q=200
|
|
|
qx10-3
|
h
|
qx10-3
|
h
|
|
1
|
33
|
4,14x10-9
|
5,05
|
5,26x10-10
|
|
0,5
|
53
|
2,66x10-8
|
8,30
|
3,33x10-9
|
|
0,2
|
72
|
2,26x10-7
|
11,2
|
2,92x10-8
|
Для
характеристики "пятна" используются спектральные
и временные (время жизни спектральных компонент) характеристики
принятого сигнала.
Схема
действия люминесцентного лидара (флуородатчика) такова:
Особо
следует подчеркнуть, что метод флуоресценции является
весьма эффективным для выявления сточных вод, органических
природных веществ, в частности определения изменения
наличия хлорофилла (l~685 нм) с чувствительностью лучше
10 мг/м3 с высоты 100 м при использовании
He-Ne-лазера с импульсной мощностью в 20 кВт.
Усовершенствованный
4-х волновый по возбуждению (аргоновый лазер 454,4;
539,0; 598,7 и 617,8 нм) лазерный локатор с минимальной
энергией в импульсе 0,6 мДж обнаруживал концентрацию
хлорофилла на уровне 1 мг/м3 с высоты 100 м.
Лазерные
локаторы позволяют в реальном масштабе времени определять
распространения загрязняющих веществ.
П.А.Коротков,
А.И. Писанский
Киевский университет имени Тараса Шевченко,
Украина252601, г.Киев - 33, ГСП, ул. Владимирская 64,
тел.(380)-44-266-05-70,
e-mail - spr@boy.rpd.univ.kiev.ua
fax - (380)-44-266-10-7
