Акустический мониторинг

Содержание Введение…2

1. Трудности перевода «языка океана»…4

2. Новое звучание океана…7

3. Методы и средства освещения подводной обстановки…8

Заключение

…17

Список используемой литературы…19

Введение

В настоящее время наиболее актуальными являются исследования антропогенного и естественного воздействия на окружающую среду, климатообразования, возможностей прогнозирования природных катаклизмов. Мировой океан играет огромную роль в жизни всей биосферы планеты. Покрывая большую часть поверхности Земли, сложно устроенный и богато населенный живыми организмами, океан активно участвует в процессах функционирования живой оболочки планеты. Поэтому существует острая необходимость изучения и выявления закономерностей происходящих явлений для достижения глубокого понимания и возможности реализации эффективного контроля и воздействия в интересах страны и человечества в целом. Результаты исследований в значительной мере зависят от качества применяемых технических средств.

В связи с изменением геополитической и экономической ситуации в нашей стране изменилась концепция глобального мониторинга Мирового океана. На настоящий момент с учетом реальных возможностей нашей страны и ее национальных интересов, сформулирован ряд основных задач, которые изложены в ФЦП «Мировой океан». В ней предполагается совершенствование методологии проведения океанологических исследований в океане, предусматривающее переход от глобального к региональному мониторингу приоритетных районов Мирового океана и окраинных морей. Исходя из этого, исследование и мониторинг динамики и структуры вод Японского моря, на побережье которого сосредоточены крупные населенные пункты, промышленные и военные объекты России, Японии и Кореи, имеет огромное значение.

Современная тенденция проведения исследований предполагает снижение объемов морских экспедиционных рейсов и возрастание роли долговременных автономных буйковых станций; комплексное использование системы океанологического наблюдения, включающего судовые, авиационно-космические и автономные подводные станции и аппараты.

В настоящее время можно утверждать, что долговременный мониторинг с применением измерительных многофункциональных автоматизированных комплексов с большим сроком автономности становится основным средством изучения водной среды. Но следует отметить, что только массовое применение автономных средств позволит осуществить оперативный контроль и мониторинг акваторий океана.

Подобному применению автономных средств препятствует фактор, обусловленный высокими затратами на закупку, развертывание и последующую эксплуатацию аппаратуры, а также специфика условий эксплуатации автономной аппаратуры, обусловленная необходимостью длительного функционирования в тяжелых условиях. При этом отсутствие доступа к аппаратуре, практически полностью исключает возможность ее профилактического осмотра и последующего ремонта.

Необходимым условием массового применения автономных средств является низкая стоимость производства, транспортировки, развертывания и последующей эксплуатации средств автономного мониторинга, а также высокая надежность их долговременного функционирования в тяжелых эксплуатационных условиях. Ситуация, сложившаяся в данной области показывает, что затраты связанные с обозначенными выше особенностями при прочих равных условиях могут быть значительно снижены за счет существенного уменьшения массы и габаритов аппаратуры и ее энергопотребления, что может быть достигнуто благодаря использованию современной элементной базы, прогрессивных технологий, оригинальных конструктивных и схемотехнических решений. Поскольку основные характеристики в значительной мере зависят от применяемой элементной базы, необходимо отметить, что только за прошедшие десятилетия развития микроэлектроники произошло существенное улучшение таких характеристик технических средств, как вес, габариты, энергопотребление, производительность, надежность и стоимость.

Актуальность исследований. Одной из первоочередных и важнейших задач, стоящих в настоящее время перед специалистами подводной акустики, является приоритетное развитие материально-технической и методологической базы для дистанционных исследований и мониторинга океанологических процессов. Правильный выбор комплекса используемых методов и средств измерения для решения проблем технической океанологии, обеспечение научной и технической перспективы развития и эффективности его использования является одной из важнейших современных научно-технических проблем.

1. Трудности перевода «языка океана»

Человек издревле прислушивался к звукам, идущим из водных глубин. Правда, не всегда мог объяснить их происхождение. Так, в 1963 году, когда моряки советской атомной подводной лодки достигли Северного полюса, акустическая вахта субмарины уловила в недрах океана загадочный звук. Время от времени моряки слышали шум работающего двигателя. Объект с необычной «внеземной» ловкостью резко изменял скорость и направление. Подводники пришли в смятение. Позже источник сигнала был установлен — оказалось, что акустики уловили сердцебиение кита. Млекопитающее сопровождало лодку и создавало причудливый шумовой фон. Сердце царя океанов обладает мощностью в несколько десятков лошадиных сил и способно перекачивать до десяти тонн крови в сутки. Неудивительно, что оно шумело, словно мощный дизель.

В шестидесятые годы современная гидроакустика только зарождалась, и поэтому технические средства не позволяли правильно идентифицировать всю какофонию океанских звуков. Теперь же акватории бороздят научно-исследовательские суда, напичканные современным высокотехнологичным оборудованием, которые помогут ученым разобраться в океанском многоголосии.

Именно военные специалисты подтолкнули гражданских технарей к созданию проекта глобального акустического мониторинга Мирового океана. Стратегическую систему звукового контроля, состоявшую из цепочки подводных гидрофонов, впоследствии перенацелили для решения мирных задач. Этот проект работает на базе технической системы наблюдений американского ВМФ. Однако со временем она претерпела значительный «апгрейд». Специалисты Тихоокеанской морской экологической лаборатории национального Центра управления океанических и атмосферных исследований США научились контролировать отдаленные области Мирового океана, не покрытые сетью гидрофонов, расположенных на глубине нескольких сотен метров. Ученые усилили акустическую систему военных гидротелефонами, которые способны работать автономно и передавать данные на центральный пульт управления. Именно здесь исследователи получают окончательные данные в виде спектрограмм, другими словами, графических изображений сигналов. За годы работы у сотрудников лаборатории набралась целая «романтическая коллекция» всевозможных записей. Здесь есть песни китов, отголоски подводных землетрясений, шум винтов подводных лодок, звуки столкновения айсбергов и даже шорох растущих кораллов.

Однако на этом «апгрейд» не закончился. Следуя в ногу с прогрессом, океанологи дополнительно оборудовали свои плавающие лаборатории мощными активными системами гидроакустики, основанными на низкочастотном излучении. Так к процессу прослушивания океанских глубин добавилась еще одна методика — сканирование. Новое оборудование можно назвать идеальным инструментом для поиска подводных цивилизаций — эффективно и безопасно. «Дело в том, что оптические средства не позволяют заглянуть в глубины океана, — говорит кандидат физико-математических наук из Института прикладной физики РАН Александр Малеханов, принимавший участие в разработке системы, — даже в условиях идеально чистой воды видимость ограниченна. Электромагнитные волны тоже не проникают на большую глубину. Поэтому остается один-единственный способ безвредного изучения океана — гидроакустика». Схема простая: сигнал «А» выходит из передатчика высокой мощности, дальше отражается от точки «Б» и затем возвращается обратно и попадает в высокочувствительный приемник. Хитрый механизм обработки сигнала позволяет получить представление о рельефе дна и о нахождении практически любого объекта на территории в несколько сотен километров.

2. Новое звучание океана Казалось бы, до раскрытия самых сокровенных тайн океана рукой подать. Однако совершенная техника лишь добавила загадок. Ее чуткие электронные «уши» начали слышать новые, необъяснимые с научной точки зрения звуки. «Мощный источник звучит на длинных волнах, которые разносятся по всему океану на расстояния в тысячи миль. Эти низкочастотные звуки очень похожи на какую-то искусственную систему, — рассказывает директор проекта глобального акустического мониторинга океана Роберт Джиак. — Мы теряемся в догадках, звучание очень напоминает шум техники, однако доподлинно известно, что в этих районах не проводятся какие-либо работы».

Правда, у исследователей существует еще одна версия, которой они отдают предпочтение, но не спешат говорить о ней вслух. Есть предположение, что загадочные звуки — это не что иное, как упорядоченный код, своего рода сигналы, адресованные нашей цивилизации. «Звук имеет свой ритм, особенный характер, — рассказывает участник проекта профессор Кристофер Фокс, — впервые его зафиксировали на спектрограмме, он практически неразличим человеческим ухом. Но если воспроизвести запись с увеличенной скоростью, то можно услышать различные тональности сигнала, гул поезда сменяется свистом, переходящим в звук торможения и местами в вой. Он распространяется во все стороны земного шара. Впервые мы зарегистрировали источник в 1997 году в Тихом океане. Теперь он переместился на юг Атлантики и расположен далеко от гидрофонов, так что засечь его точное местоположение мы не можем».

Поиск подтверждения гипотезы экспериментальным путем — это единственный путь в науке, который поможет установить истину. Поэтому океанологи пока не спешат делать выводы, не так много данных накопилось об этом феномене. Используя все доступные средства, исследователи пытаются понять природу загадочного звука. В этом году он значительно усилился по сравнению с прошлым. «Однако это не помогает засечь источник, который часто меняет свое положение и перемещается вдали от наших акустических приборов, — сетуют ученые, — словно руководимый каким-то звериным чутьем или инстинктом. Ясно одно: звук, модулированный по частоте, скорее всего имеет осмысленный характер». В лаборатории исследователи прозвали свою тайну НЗО — неопознанный звуковой объект — и очень часто шутят на эту тему. «Вот опять жители Атлантиды заголосили», — говорят океанологи.

3. Методы и средства освещения подводной обстановки Технический комплекс многоуровневого экологического мониторинга должен включать следующие подсистемы:

— гидрометеорологического мониторинга;

— мониторинга присутствия нефтяных загрязнений в морской среде;

— геодинамического мониторинга;

— мониторинга состояния объектов недропользования с судна;

— спутникового мониторинга;

— информационного обеспечения.

Подсистема гидрометеорологического мониторинга предназначена для:

— определения опасных метеорологических и гидрологических явлений, представляющих угрозу сооружениям и персоналу нефтедобывающей платформы;

— диагностики поступления и переноса загрязняющих веществ с соседних участков акватории;

— получение исходных метеорологических и гидрологических данных для прогноза распространения нефтяного загрязнения (при аварийных разливах нефти);

— информационное обеспечение безопасности судового и воздушного сообщения между нефтедобывающей платформой и берегом.

К числу измеряемых этой подсистемой характеристик относятся следующие: параметры состояния приводного слоя атмосферы, облачность, осадки, уровень моря, характеристики волнения, вертикальный профиль скорости морских течений, толщина морского льда, температура и соленость воды. Критерии наблюдаемых опасных явлений гидрометеорологического режима должны соответствовать инструкциям Росгидромета. При этом применяются гидрометеорологические приборы, соответствующие по своим техническим характеристикам требованиям нормативно-методических документов, в том числе Госстроя.

Автоматическая метеорологическая станция должна быть размещена на открытой площадке (стреле), исключающей экранирующее влияние сооружения на показания измерительных приборов, и оснащена следующими датчиками:

— температуры воздуха;

— скорости и направления ветра;

— атмосферного давления;

— парциального давления водяного пара (влажности);

— атмосферных осадков;

— видимости;

— высоты нижнего края облачности.

Основа подводной части подсистемы гидрометеорологического мониторинга — заякоренный автоматический профилирующий комплекс «Аквазонд» (см. рис. 2) — своего рода морской грузовой лифт. Этот прибор перемещает полезный груз — измерительную аппаратуру, передвигаясь по тросу, натянутому вертикально между подповерхностной плавучестью и донным якорем. В отличие от традиционных буйковых постановок с размещением приборов на фиксированных горизонтах, в данном случае измеряются непрерывные вертикальные распределения (профили) параметров среды и биоты, что позволяет точно оценивать как дифференциальные, так и интегральные характеристики этих распределений. Наряду с этим носитель может останавливаться — «зависать» на нужное время, чтобы произвести измерения на заданных горизонтах. Передача данных с «Аквазонда» осуществляется по ходовому тросу с помощью магнитных модемов и далее по кабелю или по подводному гидроакустическому каналу в подсистему информационного обеспечения на нефтедобывающей платформе.

Подсистема мониторинга присутствия нефтяных загрязнений в морской среде обеспечивает:

— обнаружение утечки и присутствие нефти на водной поверхности на расстоянии до 100 м от нефтяной платформы (с возможностью количественной оценки обнаруженной утечки) посредством лидара и от 100 м до 2−3 км с помощью радиолокационной станции;

— обнаружение маломерных плавсредств в радиусе 5−7 км и контроль за надводной обстановкой в зоне морской нефтедобывающей платформы в радиусе 12−14 км (в зависимости от высоты установки и балльности моря) посредством радиолокационной станции.

Нефть и нефтепродукты интенсивно флуоресцируют при возбуждении светом ультрафиолетового диапазона, причем спектры флуоресценции разных типов нефтепродуктов существенно различаются по интенсивности и форме. Нефтяные загрязнения на поверхности моря можно обнаружить и идентифицировать посредством флуоресцентных лидаров.

В результате большой методической работы было показано, что лидар может не только обнаруживать загрязнения нефтепродуктами вокруг платформы, но и позволяет оценивать толщину нефтяной пленки, давая тем самым возможность количественной оценки обнаруженной утечки.

Для обнаружения нефтяных пленок на расстояниях более 100 м от платформы предлагается использовать радиолокационную станцию. При утечке нефти на поверхности воды образуются пленки, которые влияют на поверхностные волны, в частности, уменьшают энергию волн, их дисперсию и крутизну наклонов. Сглаженная пленкой поверхность воды отражает падающие на нее электромагнитные волны в сторону от антенны радиолокатора. Отразившись от выглаженной поверхности, радиоволны не возвращаются к радиолокатору, и участок, покрытый пленкой, отображается на мониторе радиолокатора черным тоном.

Специальная радиолокационная станция для обнаружения протяженных слабоконтрастных нефтяных пленок существенно отличается от навигационных радаров, предназначенных для обнаружения локализованных сильноконтрастных мишеней (суда и другие объекты). У сильноконтрастных объектов эффективная площадь рассеяния составляет 10−1000 м2, у низкоконтрастных — 0,01−0,1 м². Специализированный радиолокатор использует когерентный приемо-передатчик и новые технологии сверхвысокочастотных антенн, благодаря чему удается на два порядка сократить время формирования изображения для обнаружения нефтяного пятна и снизить уровень фоновых помех. Преимущество такого радара также в низком уровне излучения, что позволяет устанавливать радар вблизи помещений, где находятся люди.

Подсистема геодинамического мониторинга предназначена для регистрации данных:

— о развитии процесса растрескивания твердой среды, признаках разрушения среды, выраженных в появлении микроземлетрясений, спровоцированных перераспределением порового давления;

— об изменениях углов наклона, наклонных перемещениях и колебаниях морской нефтедобывающей платформы с выработкой сигнала тревоги при превышении значения ускорения заданного порога.

В различных нефтегазоносных акваториях Мирового океана, в том числе на шельфах окраинных морей, зарегистрированы аномальные геодинамические события на разрабатываемых месторождениях углеводородов в форме деформаций и просадок, природно-техногенной сейсмичности, современной активизации разломов, горизонтальных смещений массивов горных пород, которые приводили к серьезным негативным промышленным и экологическим последствиям. Прогнозирование этих событий и снижение масштабов их последствий является актуальной практической задачей.

На первом этапе организации работ по геодинамическому мониторингу на шельфе в качестве базовых методов используются:

— режимные сейсмологические наблюдения с использованием донных сейсмостанций, а также наземных пунктов, расположенных на прилегающей суше;

— методы пассивной эмиссионной сейсмической томографии (шумовой 3D-локации), которые позволят оценивать состояние поля напряжений в объеме изучаемого месторождения углеводородов;

— геомеханическое моделирование последствий разработки месторождений.

В состав подсистемы геодинамического мониторинга входят три донных сейсмографа, помещаемых в герметичные прочные корпуса, располагающиеся на дне акватории на расстоянии примерно 300−500 м от платформы и содержащие блоки сейсмических датчиков с выносными гидрофонами. Сейсмометрические каналы донных сейсмических станции обеспечивают непрерывное измерение трех компонент скорости смещения морского дна в ортогональных друг к другу направлениях (одного вертикального и двух горизонтальных).

На нефтедобывающей платформе размещаются следующие датчики:

— прецизионный наклономер;

— трехкомпонентный акселерометр;

— микропроцессорная система обработки информации.

Трехкомпонентный акселерометр должен непрерывно регистрировать ускорение колебаний платформы с выработкой сигнала тревоги при превышении значения ускорения заданного порога. Инклинометр предназначен для измерения малых углов наклона, наклонных перемещений и низкочастотных колебаний нефтедобывающей платформы.

Подсистема работает в автоматическом режиме. Интерактивный контроль состояния измерительной аппаратуры с использованием соответствующего программного обеспечения рекомендуется проводить ежедневно. Регламентные работы необходимо проводить 2 раза в год. Они включают подъем донных сейсмографов для очистки от обрастания гидрофонов, размыкателей, притопленных буев и корпусов донных станций; контроль и калибровку датчиков; установку сейсмографов на место (выполняется с маломерного судна); контроль и калибровку наклономера и акселерометра.

Подсистема мониторинга состояния объектов недропользования с судна предназначена для обнаружения и идентификации загрязнений нефтепродуктами на поверхности и в приповерхностном слое морской воды на удалении от нефтедобывающей платформы, а также для оценки содержания взвешенного вещества и его вертикального распределения в водной толще от поверхности до дна.

Выполнение этих задач может быть обеспечено оптическими приборами, — прозрачномером и флуориметрами, а также телеуправляемым подводным аппаратом (ТПА), оснащенным поворотными видеокамерами с осветителями.

В ИОРАН разработан погружаемый измеритель показателя ослабления света и температуры воды — прибор ПУМ (прозрачномер универсальный малогабаритный), предназначенный для исследования в режиме вертикального зондирования. Прибор может работать как в автономном режиме, так и в режиме реального времени.

Для выявления нефтяных загрязнений в водной толще предлагается использовать зонды-флуориметры, специально предназначенные для регистрации подобных загрязнений в морской среде.

Детальное обследование трубопроводов с одновременным определением их координат и картографированием расположения выполняются с использованием буксируемой аппаратуры и ТПА. ТПА двигается вдоль трубопровода, и операторы на судне фиксируют техническое состояние трубопровода (места провисания, нарушения гидроизоляции, состояние протекторов электрохимической защиты, состояние обрастания и т. д.).

Подсистема спутникового мониторинга нефтяных загрязнений в первую очередь должна опираться на радиолокационные спутники. Она может обеспечить:

— обнаружение нефтяных пятен и источников их происхождения на обширной акватории,

— оценку направления и скорости перемещения нефтяных пятен.

Спутниковые радиолокационные наблюдения дают возможность получать одновременные изображения всей контролируемой акватории с пространственным разрешением до нескольких метров регулярно в течение многих лет.

Более широкое применение спутниковых методов с использованием сканеров цвета, ИК-радиометров, альтиметров и скатеррометров позволяет оценивать концентрации взвеси и хлорофилла, первичную продукцию в приповерхностном слое моря, а также температуру поверхности моря, скорость и направление приводного ветра, аномалии уровня морской поверхности. Спутниковые наблюдения обеспечивают регулярную последовательность пространственных распределений каждого из вышеуказанных параметров и позволяют своевременно обнаруживать происходящие изменения и выявлять их причины. Спутниковые наблюдения дают возможность отслеживать источники обнаруженных загрязнений и тем самым отличать загрязнения, обусловленные нефтегазодобывающей деятельностью, от загрязнений, не связанных с такой деятельностью.

Следует отметить, что спутниковый мониторинг, при всех своих достоинствах, не может по многим причинам заменить наблюдения, проводимые с платформы или судна; разработанная система комплексного многоуровневого мониторинга предполагает их оптимальное сочетание.

Основным предназначением подсистемы информационного обеспечения является сбор и обработка данных от различных подсистем наблюдений (стационарной, судовой, спутниковой), анализ полученной информации и передача созданной на его основе информационной продукции корпоративным органам управления промышленной и экологической безопасностью и государственным органам управления природопользованием и охраной окружающей среды.

В информационную продукцию целесообразно включать следующие сведения:

— оценку техногенного воздействия, прогноз возможных негативных изменений в соответствующих элементах природной среды и природном комплексе в целом;

— рекомендуемые мероприятия, снижающие и локализующие отрицательные последствия антропогенной деятельности.

Функционирование информационной подсистемы должно осуществляться в двух режимах: оперативном — on-line и в режиме получения обобщенной информации.

В то же время корпоративных информационных ресурсов часто бывает недостаточно для оценки и прогноза состояния и загрязнения морской среды в районах проведения работ. Это обусловлено лабильностью морских экосистем, находящихся под воздействием природных и антропогенных факторов, таких, как речной сток и поступление загрязняющих веществ с речными водами, водообмен с открытой частью моря. Недостаток информации может быть восполнен проведением наблюдений на Государственной наблюдательной сети, подведомственной Росгидромету. Интеграция корпоративного и государственного экологического мониторинга может рассматриваться как региональная система экологического мониторинга.

Для устойчивого функционирования информационной подсистемы предполагается оснащение аналитического центра, выполняющего также функции оператора оборудованием для приема и передачи информации по спутниковым каналам связи, а также приобретение ГИСи WEB-технологий управления данными, интеграции информационных ресурсов, анализа и визуализации поступающей информации. Аналогичное оборудование и программное обеспечение целесообразно установить в специализированном центре мониторинга в компании, ведущей разработку месторождения.

Заключение

Современный экологический кризис ставит под угрозу возможность устойчивого развития человеческой цивилизации. Дальнейшая деградация природных систем ведет к дестабилизации биосферы, утрате ее целостности и способности поддерживать качества окружающей среды, необходимые для жизни. Преодоление кризиса возможно только на основе формирования нового типа взаимоотношений человека и природы, исключающих возможность разрушения и деградации природной среды.

Устойчивое развитие Российской Федерации, высокое качество жизни и здоровья ее населения, а также национальная безопасность могут быть обеспечены только при условии сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды. Для этого необходимо формировать и последовательно реализовывать единую государственную политику в области экологии, направленную на охрану окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сохранение и восстановление природных систем должно быть одним из приоритетных направлений деятельности государства и общества. Россия играет ключевую роль в поддержании глобальных функций биосферы, так как на ее обширных территориях, занятых различными природными экосистемами, представлена значительная часть биоразнообразия Земли. Масштабы природно-ресурсного, интеллектуального и экономического потенциала Российской Федерации обусловливают важную роль России в решении глобальных и региональных экологических проблем.

Из всего выше сказанного, следует вывод о необходимости совершенствования системы природопользования в нашей стране. Сохранение природы и улучшение окружающей среды — приоритетные направления государства и общества. Задачами, требующими скорейшего разрешения, являются создание единой государственной структуры, осуществляющей экологический мониторинг, и стимулирование исследовательской деятельности в области химического анализа компонентов окружающей среды вкупе с социальными программами, призванными информировать нацию о насущных экологических проблемах.

Список используемой литературы

1. Официальный сайт государственной службы охраны окружающей природной среды России — http://www.eco-net.ru/

2. Кузнецов В. В. Химические основы экологического мониторинга, 1999; Химия.

3. Курапов А. А. Научные основы охраны природной среды Северного Каспия при освоении нефтегазовых месторождений. // «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе», 2005, № 7, с. 21−27.

4. Иванов А., Островский А. Применение средств космической радиолокации для мониторинга морской добычи и транспортировки нефти. // «Технологии ТЭК», 2003, № 6, с. 58−64.

5. Голованов Н. В., Князев А. А., Пугин А. М., Шайдаков В. В. Передвижная станция оперативного экологического мониторинга. // Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Материалы II Всероссийской научно-практической конф. Уфа.: 2001.-С.77−80.