Обнаружение нефтяных загрязнений радиолокационными средствами космического базирования

В настоящее время загрязнение Мирового океана нефтепродуктами является одной из основных угроз нарушения его экологического равновесия. Особенно заметно это для закрытых и полуоткрытых морей. Так, объем поступающих в Черное море нефтепродуктов приближается к ассимиляционной емкости бассейна¹. Необходимость проведения природоохранных мероприятий требует разработки всепогодных методов и средств оперативного контроля поступлений нефтепродуктов в море.

Одним из перспективных методов обнаружения разливов нефти на морской поверхности является радиолокационный (РЛ). Различными научными коллективами выполнено множество работ, направленных на изучение особенностей обнаружения радиолокационными методами загрязнения морской поверхности поверхностно-активными веществами (ПАВ) — преимущественно нефтью и нефтепродуктами. Исследования проводились с помощью РЛ-систем корабельного, авиационного и космического базирования в широком диапазоне частот и углов наблюдения^[1][2].

При использовании РЛ-систем космического базирования возможен контроль обширных акваторий в любое время суток и независимо от погодных условий. Однако использование только одного признака — наличия контраста между участками чистой и загрязненной поверхности — дает неоднозначный результат. Причина этого в том, что «радиолокационная неоднородность» изображения морской поверхности создается не только присутствием пленок ПАВ, но и множеством других естественных геофизических явлений, таких, например, как пространственная неоднородность поля ветра, вариации скорости поверхностных течений, морские температурные фронты, а также слики «штилевой погоды». Последние образуются при снижении скорости ветра ниже порогового значения, при котором генерируются ветровые волны, ответственные за рассеяние радиоволн морской поверхностью. Вследствие этого, для повышения надежности распознавания необходим учет не только РЛ-контраста изображений, но и других признаков.

Интенсивность и продолжительность эволюции нефти, разлитой на морской поверхности, определяются множеством факторов, и соотношение между различными формами существования нефтяного загрязнения зависит как от состава и свойств самой нефти (нефтепродукта), так и условий (в том числе — метеорологических) ее поступления в водоем и его гидрологических особенностей. В отличие от химически чистых ПАВ, нефть никогда не растекается до мономолекулярных слоев, а ее пленки имеют большую толщину. Так, по данным Агентства по охране окружающей среды США (US Environmental Protection Agency), через 10 мин после попадания в воду 1 т нефти образуется пятно, толщина которого составляет около 10 мм. С течением времени толщина пленки в пятне уменьшается (до величин менее 1 мм), а само пятно расширяется, покрывая поверхность площадью до 12 км². Растекание нефти продолжается до тех пор, пока толщина пленки не достигнет величины 10—30 микрон. Дальнейшее изменение толщины пленки происходит за счет испарения и поступления нефти в нижележащие слои. Обычно толщина свободной нефтяной пленки оценивается величиной порядка 3 • 10″ ³ см¹.

При попадании нефти на морскую поверхность, на ней, вследствие изменения поверхностного натяжения, образуется слик, т. е. область, в которой подавлены высокочастотные составляющие ветрового волнения. Поскольку при этом уменьшается шероховатость поверхности, подобные области хорошо выделяются на РЛ-изображениях как зоны пониженного сигнала. РЛ-контрасты принято определять как отношение мощностей сигналов РСр) и Р*Л, регистрируемых при зондировании загрязненной и чистой поверхности:

Далее везде индекс р соответствует загрязненной поверхности, индекс/—чистой (фоновой).

Находящиеся на морской поверхности пленки нефти и нефтепродуктов являются не единственным источником формирования обширных областей, характеризующихся пониженным уровнем РЛ-сигнала. На рис. 12.3.1 приведен фрагмент РЛ-изображения внутренних приливных^[3]

волн, полученного с помощью РСА, установленной на канадском космическом аппарате РЛ-наблюдения «RADARSAT»^г.

Рис. 12.3.1. Фрагмент РЛ-изображения внутренних приливных волн, полученного с помощью РСА КА «RADARSAT».

На рис. 12.3.2 показан фрагмент РЛ-изображения морской поверхности, полученного с помощью РСА ASAR, установленной на борту КА РЛ-наблюдения ENVISAT.

Рис. 12.3.2. Фрагмент РЛ-изображения морской поверхности, полученного с помощью РСА ASAR КА ENVISAT (дата съемки 28.05.2005, режим Wide.

Swath Mode).

Область пониженного РЛ-сигнала соответствует области интенсивного цветения водорослей. Площадь пятна — 97 км²

Также следует отметить существование еще одного физического механизма, оказывающего влияние на уровень шероховатости границы раздела «океан — атмосфера» при попадании ПАВ в море. В результате изменения шероховатости морской поверхности в зоне слика проис-^[4]

ходит изменение потока энергии от ветра к волнам. Очевидно, что чем больше размеры слика, тем на больших длинах волн проявление указанного механизма будет заметным. В частности, видимо, именно этим механизмом обусловлено значительное затухание волн длиной до 3,2 м под пленкой ПАВ. Многофакторность формирования структуры РЛ-изображений взволнованной морской поверхности обусловливает неоднозначность трактовки их неоднородности, вследствие чего задача выявления разливов нефтепродуктов сводится не столько к задаче обнаружения, сколько к задаче распознавания и, в частности, — к задаче оптимального выбора дешифровочных признаков.

Радиолокационный контраст «слик — рябь». При зондировании морской поверхности на углах падения более 20° (типичные условия наблюдения поверхности с помощью спутниковых РСА) рассеянный в обратном направлении сигнал определяется, в основном, резонансным (брегговским) механизмом взаимодействия радиоволн с морской поверхностью. В ситуации, когда брегговские составляющие поля поверхностных волн распространяются по плоской поверхности, нормированное сечение обратного рассеяния о°можно представить в форме.

где К = 27сА,^-1 — волновое число радиоволны X, облучающей морскую поверхность; Ь — угол падения; а — азимутальный угол; G_pp — функция угла зондирования, определяемая диэлектрической проницаемостью в и видом поляризации рр (первый индекс определяет поляризацию излучаемого излучения, второй — принимаемого); S — спектр возвышений морской поверхности.

Условие резонанса, связывающее волновые числа поверхностных к_в и рассеянных в обратном направлении электромагнитных волн К, имеет вид, к_в = K2sin0.

Присутствие длинных волн приводит к тому, что брегговские составляющие распространяются по криволинейной поверхности. Это, в свою очередь, приводит к изменению локального угла падения радиоволн на величину, равную углу наклона морской поверхности в направлении зондирования (З^. Как следствие меняется значение функции угла зондирования G_pp = G_pp(0 — (З^), а волновое число брегговской составляющей поверхностного волнения становится функцией трех переменных к_в = (К, 0, (3|). Влияние длинных волн на величину рассеянного назад сигнала можно учесть, усреднив выражение (12.3.1) по всему диапазону создаваемых ими углов наклонов морской поверхности с весом (3-Г, равным плотности вероятностей углов наклонов P ((3t) в данном направлении,.

Подавление (damping) мелкомасштабных составляющих волнения пленками и является причиной появления на взволнованной морской поверхности сликов и областей с пониженным уровнем сигнала на ее РЛ-снимках.

В последние годы большое внимание уделяется изучению составляющей РЛ-сигнала, которую нельзя описать в рамках резонансной модели. Существует целый ряд «нерезонансных» и «незеркальных» механизмов рассеяния, связанных с обострением гребней волн (как энергонесущих, так и более мелких) перед обрушением, с брызгами и пеной, образующимися при обрушении морских волн, и т. д. При этом термин «нерезонансное, небрегговское рассеяние» является собирательным, интегрально впитывающим в себя проявления всех возможных механизмов формирования РЛ-сигнала, называемых «эффектами обрушения» и связываемых с реализацией неустойчивости свободной поверхности.

При таком подходе сечение обратного рассеяния представляется в виде суммы двух составляющих: брегговской (резонансной) и небрегговской:

где индексы В и NB соответствуют брегговской и небрегговской составляющим.

С учетом вышесказанного, РЛ-контраст описывается выражением.

В реальных условиях РЛ-наблюдения взволнованной морской поверхности контраст D определяется многими факторами: начиная от соотношения размеров нефтяного пятна и элемента разрешения РЛС и заканчивая выбором оптимальной длины радиоволны X и углов наблюдения поверхности Л. Этим, по-видимому, и объясняется наблюдаемый в литературе разброс данных о контрастах участков поверхности, покрытых пленками ПАВ и нефтепродуктов.

А. Ю. Иванов и соавторы, используя многочастотный авиационный комплекс дистанционного зондирования, наблюдали в районе нефтепромысла «Нефтяные Камни» на удалении от 10 до 20 км от эстакад контрасты, не превышающие 7 дБ, вблизи же эстакад контраст стабильно превышал 7 дБ, максимальные его значения достигали 14 дБ. Эксперименты показали также, что при использовании радиоволны X = 8 мм даже при работе с самолета наблюдается влияние погодных условий на результат измерения — в этом смысле, с точки зрения решения задачи обнаружения разливов нефтепродуктов, радиоволна X = 8 мм не является оптимальной. Получены результаты экспериментов, выполненных при скользящих углах наблюдения (|/ < 10°): на радиоволне X = 3,2 см наблюдались РЛ-контрасты пленок нефтепродуктов, превышающие 10 дБ. К сожалению, авторы не привели данных о температуре воды и воздуха во время выполнения эксперимента¹.

Основываясь на выражениях (12.3.2) — (12.3.5) можно показать, что РЛ-контраст D может возникать вследствие изменения следующих характеристик: диэлектрической проницаемости (соответственно функции G_pp), спектра поверхностных волн на масштабах брегговской компоненты, плотности вероятностей уклонов морской поверхности (углов наклонов), создаваемых волнами, длина которых много больше длины брегговских компонент, а также изменением характера обрушений.

Если уменьшать угол падения радиоволн на морскую поверхность (оставаясь в диапазоне углов, где доминирует резонансный механизм рассеяния), то вклад в регистрируемый радиосигнал небрегговской составляющей, обусловленной обрушением поверхностных волн, снижается. Соответственно снижается и возможность использовать поляризации для распознавания нефтяных сликов.

Применение в качестве дешифровочного признака только значения контраста D при обнаружении загрязнений морской поверхности нефтепродуктами дает неоднозначный результат. Поэтому для повышения достоверности опознания привлекаются дополнительные дешифровочные признаки: особенности формы, типичные размеры, текстура, четкость границ, параметры поля ветра, статистика появления в регионе сликов естественного происхождения и т. д.

Мировое научное сообщество выполняет ряд международных проектов, направленных на создание систем регионального контроля (ERUNET, OSCSAR, DEMOSSS, MOPED и др.). Одно из направлений в создании систем обнаружения — выделение новых информативных признаков для распознавания нефтяного загрязнения. Предложен новый информативный признак для разделения аномалий тонкой структуры морской поверхности, создаваемых нефтяным загрязнением и вариациями скорости поверхностного течения^[5][6]. Он основан на том, что при распространении коротких поверхностных волн в область переменного по скорости течения происходит трансформация их углового распределения энергии. При попадании коротких волн в область нефтяного загрязнения они подавляются в равной мере, независимо от направления распространения.

В настоящее время в мире уже существуют оперативные и квазиоперативные системы мониторинга загрязнений морских акваторий.

Например, Дания ежесуточно выпускает карту загрязнений своих территориальных вод. Ведут постоянную работу по мониторингу нефтяных загрязнений морских акваторий и другие страны. В частности, известны методические работы специалистов исследовательского центра Европейской комиссии (Joint Research Centre — JRC), систематизирующих спутниковые данные о нефтяном загрязнении европейских морей.

• [1] Рябинин А. И., Губанов В. И., Клименко Н. П., Назаренко С. А. Гидрометеорологияи гидрохимия морей. Т. IV. Черное море. Вып. 3. Современное состояние загрязнениявод Черного моря. Севастополь «ЭКОСИ-Гидрофизика», 1996.
• [2] Запевалов А. С., Показеев К. В., Пустовойтенко В. В. Обнаружение нефтяныхзагрязнений радиолокационными средствами космического базирования. Проблемыи пути их решения // Физические проблемы экологии (Экологическая физика). Сб.науч. тр. МГУ. М.: Макс Пресс. 2010. Вып. 16. С. 151—167.
• [3] Боев А. Г., Ясницкая Н. Н. Коэффициент затухания поверхностных волн под пленкой поверхностно-активного вещества конечной гидродинамической толщины // Прикладная гидромеханика. 2002, Т. 4. № 4. С. 14—22.
• [4] Запевалов А. С., Показеев К. В., Пустовойтенко В. В. Обнаружение нефтяныхзагрязнений радиолокационными средствами космического базирования. Проблемыи пути их решения.
• [5] Иванов А. Ю., Достовалов М. Ю., Синева А. А. Определение параметров нефтяных загрязнений по данным космической поляризационной радиолокационной съемкив районе нефтепромыслов «Нефтяные камни» в Каспийском море // ИсследованиеЗемли из космоса. 2011.
• [6] Запевалов А. С., Пустовойтенко В. В., Станичный С. В., Показеев К. В. Информативные признаки для распознавания нефтяного загрязнения морской поверхности // Физические проблемы экологии (Экологическая физика). М.: Макс Пресс. 2012.Вып. 18. С. 146—151.