Применение средств космической радиолокации для мониторинга морской добычи и транспортировки нефти
Разливы нефти на море наносят огромный материальный ущерб. Утечки нефти и нефтепродуктов происходят по всей технологической цепи при морской добыче и транспортировке. С учетом современных тенденций развития нефтедобычи на шельфе морей России от Охотского моря на востоке до Баренцева моря на северо-западе и Черного моря на юго-западе, а также проектов крупномасштабной транспортировки нефти танкерами, встает задача создания российских региональных систем мониторинга морских объектов ТЭК и танкерного флота.
Катастрофа танкера "Престиж" в ноябре 2002 года потрясла Испанию, а с ней и всю западную Европу. До 25 тыс. тонн нефтепродуктов вылилось в Северную Атлантику в 5-170 морских милях от побережья Пиренейского полуострова. Как и в случае катастроф танкеров "Находка" в 1997 г. и "Эрика" в 1999 г., в море вылилось тяжелое топливо, которое крайне медленно разлагалось в морской воде даже в условиях штормового волнения. Просуществовав в море долгое время, пятна загрязнений одно за другим достигали побережья Европы, нанося особый урон экономике Испании. В результате временно было запрещено рыболовство в 8-ми мильной зоне на 90% побережья провинции Галисия. Этот запрет коснулся 13 тыс. работников, занятых в промысле мидий, и владельцев 6 тыс. рыбацких судов. В море и на побережье было собрано и упаковано свыше 117 тыс. тонн жидких и твердых отходов углеводородов. На улицах испанских городов прошли массовые демонстрации, в провинции Галисия возникла кризисная политическая ситуация.
Еще не подсчитаны окончательные убытки от этой катастрофы, но с учетом потерь от туризма общие претензии Испании, Франции и Португалии, уже достигли 180 млн. евро. В аналогичном случае с катастрофой танкера "Находка" у берегов Японии в январе 1997 г., когда в Японское море вылилось 4,5 тыс. тонн топлива, компенсация японским властям, туристическому бизнесу и рыбной отрасли составила астрономическую для таких аварий сумму в 209 млн. долларов.
Уроки катастроф танкеров на море.
Ущерб от этих катастроф мог быть еще большим, если бы не удалось отслеживать перенос пятен нефтяных загрязнений в море и прогнозировать место и время их выброса на побережье. Для этого, в первую очередь, были использованы данные космических радиолокационных съемок морской поверхности из космоса. При этом японские, испанские, французские и португальские океанологи в своих прогнозах опирались на данные, полученные из Канадского и Европейского космических агентств с искусственных спутников Земли (ИСЗ) "Радарсат" (Radarsat), ЕРС-1, ЕРС-2 (ERS) и "Энвисат" (Envisat). На рис. 1 представлено космическое радиолокационное изображение акватории Северной Атлантики вблизи побережья Испании. Темным шлейфом на снимке тянется пятно от того места, где тонет танкер "Престиж". Танкер ушел под воду 19 ноября, унеся с собой на дно "бомбу замедленного действия" - более чем 50 тыс. тонн топлива.
Следует отметить, что катастрофы танкеров – это лишь один из источников загрязнения моря. Утечки нефти и нефтепродуктов происходят на море постоянно, и было бы заблуждением считать, что катастрофы танкерного флота наносят наибольший урон окружающей среде. По данным авторитетной "Международной федерации владельцев танкеров как загрязнителей" (ITOPF), с 1974 по 2002 гг. разливы нефти и нефтепродуктов в результате столкновений, посадок на мель, пробоин и пожаров танкеров составили лишь 52% от общего объема утечек нефтепродуктов при погрузке/разгрузке танкеров и бункеровке судов. Другие операции, например, сброс нефтесодержащих вод, также существенно загрязняют море. По объему загрязнений с ними сравнимы утечки при добыче нефти в море и разливы нефти при авариях на морских трубопроводах. По-видимому, наибольший, но пока не поддающийся точной оценке, вклад в загрязнение вносят бытовые и промышленные стоки, в том числе приносимые реками, а также естественные источники углеводородов, расположенные на морском дне. Нефтяные загрязнения, приносимые водотоками, и выбросы углеводородов, поднимающиеся со дна моря, также образуют пленки на морской поверхности. Естественные и антропогенные пленки нефти и нефтепродуктов могут быть обнаружены с помощью средств дистанционного зондирования Земли из космоса, прежде всего современными методами радиолокации.
В октябре 2000 г. была подписана международная хартия "Космос и крупные катастрофы". Ведущие мировые космические агентства объединились для обеспечения оперативной космической информацией потребителей, пострадавших в результате природных и техногенных катастроф. Применительно к России хартия была введена в действие уже трижды, например, в случае схода ледника Колка в Кармадонском ущелье. Космические данные позволяют точнее определить размеры катастрофы и оптимизировать действия спасательных служб. Установлен упрощенный порядок, по которому достаточно одного телефонного звонка уполномоченного потребителя, чтобы мобилизовать спутниковые ресурсы (в том числе ИСЗ "Радарсат", ЕРС-2 и "Энвисат") и наземные приемные станции на получение информации о случившейся катастрофе. Такая система мониторинга еще раз доказала свою эффективность и в случае катастрофы танкера "Престиж", о которой говорилось выше.
Возможности космической радиолокации
Мониторинг разливов нефти в море традиционными средствами контроля с судов весьма затруднен, а аэросъемки очень дороги, к тому же они бесполезны в ночное время и невозможны при нелетной погоде. Радиолокация из космоса – это в большинстве случаев единственная возможность оперативного мониторинга состояния поверхности обширных районов океана благодаря высокой чувствительности радиолокационного сигнала к поверхностной шероховатости, проникновению сквозь облачный покров, независимости сигнала от условий освещенности, регулярности и оперативности получения информации. Важно, что радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА) обеспечивает высокое пространственное разрешение. Так, радиолокационные изображения ИСЗ ЕРС-2 имеют пространственное разрешение около 25 м, что позволяет точно определять положение и границу нефтяного пятна.
Разлившаяся нефть может существовать в море довольно долгое время в виде пленок, эмульсий и агрегатов. На поверхности моря могут образовываться пленки различной толщины, так как нефть и продукты ее переработки представляют собой сложные смеси. В отличие от поверхностно-активных веществ (ПАВ), нефть не растекается до мономолекулярных слоев, а ее пленки, как правило, имеют толщину от нескольких сантиметров до долей миллиметра. При растекании легкие фракции, включая токсичные ароматические углеводороды, испаряются, а остаточная пленка имеет повышенную вязкость и не столь низкое поверхностное натяжение, как в начальной стадии разлива. При отсутствии ветра, волн и течений 1 м3 сырой нефти растекается в пятно радиусом 50 м за 1,5 часа.
Нефтяные пленки влияют на поверхностные волны, в частности, уменьшают энергию волн, их дисперсию и крутизну наклонов [1,4]. При скорости ветра до 3-5 мс-1 при наличии нефтяной пленки морское волнение не развивается. При скорости ветра до 13 мс-1 на поверхности моря различимо выглаженное пятно нефтяной пленки – так называемый "слик". Гладкая поверхность воды отражает падающие на нее электромагнитные волны в сторону от источника излучения (антенны). Отразившись от выглаженной поверхности, радиоволны не возвращаются к радиолокатору, и участок слика отражается на радиолокационном изображении черным тоном.
Резонансное (брэгговское) рассеяние радиоволн происходит в диапазоне гравитационно-капиллярных волн, кинематика которых определяется как действием силы поверхностного натяжения, так и действием силы тяжести. Диапазон длин волн, для которых существенны обе силы, находится в пределах от 0,4 см до 10 см. Российский РСА, установленный на ИСЗ "Алмаз-1", излучал и регистрировал сигналы в S-диапазоне электромагнитного спектра при длине радиоволны 9,6 см, что соответствует частоте 3,1 Ггц. Некоторые данные о современных космических РСА сведены в табл. 1.
Указанные в табл. 1 возможности РСА были подтверждены в полевых экспериментах на подспутниковых полигонах с привлечением ИСЗ ЕРС-1, "Радарсат" и CИР-С/Х (SIR-C\X) [5-7], а также отечественных радиолокационных ИСЗ "Космос-1780" и "Алмаз-1" [2,3]. В 1998-2001 гг. был выполнен ряд крупных методологических проектов по обнаружению и мониторингу нефтяных загрязнений в различных районах Мирового океана [6,9].
С помощью РСА на морской поверхности можно детектировать следующие типы нефтяных загрязнений: сырая нефть (рис. 2); мазут, дизельное топливо и т.п (рис. 1); выносы нефтепродуктов с речным стоком; технологические сбросы с судов (рис. 3, 4); буровые воды и шлам; выходы нефти из грифонов на морском дне (рис. 2); отходы рыбной промышленности.
Перед космическим мониторингом экологической безопасности морских объектов нефтегазового комплекса ставится задача фиксации и локализации с максимально возможной точностью факта и места аварии (разлива нефти) по возмущениям, которые наблюдаются на морской поверхности. Для этого используют ряд индикационных признаков, которые могут быть обнаружены дистанционно.
Хотя за последние 10 лет был достигнут значительный прогресс в разработке методов получения количественных характеристик биогенных и антропогенных сликов по данным космической радиолокации [7], все еще существует ряд проблем идентификации нефтяных загрязнений среди проявлений, связанных с другим факторами. В настоящее время продолжаются активные исследования с целью более полного анализа различных факторов, затрудняющих детектирование нефтесодержащих пленок на морской поверхности с помощью РСА. В первую очередь это относится:к влиянию скорости ветра и состояния моря; к зависимости рассеянного сигнала от длины волны и поляризации радиолокатора; к зависимости обратного сигнала от типа нефти и возраста пятна; к выделению нефтяных загрязнений на фоне естественных сликов, образованных пленками биогенных веществ; к процессам "выветривания" нефти в море (растекание, дрейф, испарение, дисперсия, эмульсификация, окисление и т.д.).
Региональный мониторинг нефтяных загрязнений (на примере проекта для Каспийского моря)
Проведение исследований по обнаружению и прогнозу распространения нефтяных загрязнений на Каспии – это приоритетная научно-практическая задача, которая нацелена на решение проблемы оценки состояния, сохранения и рационального использования ресурсов моря. Необходимость регионального мониторинга нефтяных загрязнений Каспийского моря определяется рядом принципиальных обстоятельств:крупномасштабным строительством объектов нефтегазового комплекса в шельфовой зоне и значительным увеличением добычи нефти, в частности, на северном Каспии; резким увеличением транзита нефти, в том числе, за счет танкерных экспортозамещающих поставок из России в Иран;отсутствием достоверной информации по нефтяным загрязнениям на акваториях, удаленных от берега;
Современный РСА на борту спутника "Энвисат" имеет полосу обзора 400 км, что позволяет получить панорамный радиолокационный снимок почти всего Каспийского моря примерно за одни сутки…
В заключение, отметим, что академические и ведомственные научные коллективы должны объединить усилия с компаниями и предприятиями ТЭК в организации космического мониторинга нефтяных загрязнений на море. При этом задача-минимум состоит в налаживании системы регулярного получения и обработки данных зарубежных радиолокационных ИСЗ, а задача-максимум включает запуск новых отечественных космических радиолокаторов.
Авторы признательны Европейскому космическому агентству за возможность использования квиклуков радилокационных изображений.
ЛитератураДикинис А.В., Иванов А.Ю. и др., Атлас аннотированных радиолокационных изображений морской поверхности, полученных космическим аппаратом "Алмаз-1" , ред. Л.Н. Карлин, М.: ГЕОС, 1999, 119 с. Иванов А.Ю. Нефтяные загрязнения моря на радиолокационных изображениях КА "Космос-1870" и "Алмаз-1" // Исследование Земли из космоса, 1997, № 6, с.70-80. Иванов А.Ю., К.Ц. Литовченко, С.А. Ермаков, Наблюдение нефтяных загрязнений моря радиолокаторами с синтезированной апертурой КА "Алмаз-1" и ERS-1, Электромагнитные волны и электронные системы, 2001, т. 6, № 5, с.49-57. Радиолокация поверхности Земли из Космоса, под ред. Л.М. Митника и С.В. Викторова, Л., Гидрометеоиздат, 1990, 200 с. Bern T.-I., T. Wahl, T. Andersson and R. Olsen, Oil spill detection using satellite based SAR: Experience from a field experiment, Journal of Geophysical Research, 1988, v. 93, p. 3642-3648. Gade M., and S. Ufermann, Using ERS-2 SAR images for routine observation of marine pollution in European coastal waters, Proceedings of IGARSS’98, July 6-10, 1998, Seattle, U.S.A. Gade M., W. Alpers, H. Huhnerfuss, et al., Imaging of biogenic and antropogenic ocean surface films by the multifrequency/multipolarization SIR-C/X-SAR, Journal of Geophysical Research, 1998, v. 103, p. 18851-18866. Lu J., L.K. Kwoh, H. Lim, et al., Mapping oil pollution from space, Backscatter, February 23-26, 2000. Ivanov A., M.-X. He, and M.-Q. Fang, Oil spill detection with the Radarsat SAR in the waters of the Yellow and East China Sea: A case study, Proceedings of the 23rd Asian Conference on Remote Sensing, November 25-29, 2002, Kathmandu, Nepal (http://www.gisdevelopment.net/aars/acrs/2002/sar/011.pdf)
Полный текст статьи будет опубликован в журнале "Технологии ТЭК", №6,2003