Общим термином слики называют гладкие зеркальные полосы или пятна на поверхности океанов, морей или внутренних водоемов. При легком бризе они могут иметь вид пятен, при ветре более 5 м/с они разбиваются на узкие полосы. Основная причина их появления – пленки различных органических соединений, в том числе пленки поверхностно-активных веществ (ПАВ). Источниками органического вещества в океане являются животные и растения, а также естественные источники сырой нефти (рис. 1). Вещества биогенного происхождения образуют на поверхности моря пленки в несколько мономолекулярных слоев, скапливаясь в районах с высокой биологической активностью. Биогенные пленки - результат жизнедеятельности морских организмов и растений, главным образом, фито и зоопланктона, а также бактерий; они образуются в море как результат сложных биохимических реакций 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 превысит 5 м/с. После прекращения действия сильного ветра ПАВ снова выносятся на поверхность и образуют слики. Пленки антропогенного происхождения на поверхности моря образуют не только нефть и продукты ее переработки, но и различные технические и бытовые масла, жирные кислоты и спирты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), содержащиеся в бытовых, промышленных, сельскохозяйственных и канализационных стоках.

Разлившаяся в море нефть также образует пленки различной толщины, так как нефть и продукты ее переработки представляют собой сложные смеси. Благодаря своим физико-химическим свойствам нефть может существовать в океане довольно долгое время в виде пленок, эмульгированном виде или в виде агрегатов. В отличие от ПАВ/СПАВ, нефть никогда не растекаются до мономолекулярных слоев, а ее пленки имеют большую толщину. На распространение пленок 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.

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

Все 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 пленочных загрязнений моря применяются пассивные и активные датчики в ультрафиолетовом (УФ), видимом, инфракрасном (ИК) и СВЧ диапазонах. В настоящее время большинство датчиков выполнено в самолетных вариантах. В видимом и ИК диапазонах пятна загрязнений имеют более светлый тон по сравнению с незагрязненной поверхностью; при малой высоте солнца над горизонтом; в видимой области возможен темный тон пятен. ИК-датчики могут работать как в дневное время, так и ночью, однако их показания значительно искажаются при наличии облачности или осадков. Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) и радиолокаторы бокового обзора (РЛСБО) всепогодны и независимы от освещения, однако их возможности ограничены состоянием поверхности моря. Контрасты шероховатости на морской поверхности могут вызывать и другие процессы в океане и атмосфере, создавая одинаковые радиолокационные образы. Однако способность радиолокаторов к всепогодному мониторингу делает их незаменимым средством дистанционного зондирования нефтяных загрязнений.

Возможность РСА обнаруживать загрязнения на морской поверхности в целом зависит от геометрии съемки, 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 10-12 м/с. На радиолокационных изображениях (РЛИ) можно достаточно точно определить положение, форму и размер пятен; при повторных съемках - направление и скорость дрейфа.

 
С помощью РСА 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. Для решения задачи обнаружения и локализации нефтяных загрязнений на морской поверхности, а также для определения типа загрязнения необходимо привлекать дополнительную информацию, поскольку визуальный анализ РЛИ не позволяет достаточно надежно классифицировать наблюдаемые пятна, а также отличить нефтяные слики от сликов СПАВ и органических ПАВ биогенного происхождения.

 

Рис. 1. Обобщенная классификации веществ, образующих пленки на морской поверхности

 

Биогенные пленки. Пленки поверхностно-активных веществ.

Биогенные пленки являются типичными представителями соединений, известных как ПАВ. К ПАВ относятся естественно образующиеся вещества, прежде всего жирные спирты и кислоты, а также ряд углеводородов с короткой или средней длиной углеводородной цепи [Гусева и др., 2000]. Молекулы ПАВ имеют две функциональные части, а именно: гидрофильную (или полярную) и гидрофобную (или неполярную). Гидрофобная часть – это обычно длинная цепь углеродов (С₈-С₁₄), в то время как гидрофильная образована солями – карбоксилатами, сульфатами, нитратами и спиртами. Для таких веществ состояние минимальной энергии достигается путем ориентации молекул на поверхности таким образом, что гидрофобные группы стремятся расположиться вне водной фазы, а полярные, гидрофильные группы расположены в сторону водной фазы (рис. 2). Их называют поверхностно-активные из-за того, что они способны резко менять поверхностное натяжение. 

 

Одной их характерных особенностей ПАВ является то, что они, накапливаясь на поверхности моря, создают слой повышенной концентрации или пленку ПАВ. Обычно этот слой имеет толщину приблизительно равную эффективному размеру одной молекулы. Естественные ПАВ образуются в океане и вырабатываются растительными и животными организмами, а синтетические ПАВ– результат деятельности человека.

СПАВ представляют собой обширную группу соединений, различных по своей структуре, относящихся к разным классам. Эти вещества, также как и биогенные ПАВ, способны адсорбироваться на поверхности раздела и понижать вследствие этого поверхностное натяжение. В зависимости от природы и структуры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на анионоактивные (активной частью является анион), катионоактивные (активной частью молекул является катион), амфолитные и неионогенные вещества, причем последние совсем не ионизируются; часть СПАВ образует пленки на поверхности моря [Гусева и др., 2000]. Наиболее распространенными среди СПАВ являются анионоактивные вещества, на их долю приходится более 50% всех производимых в мире СПАВ.

СПАВ поступают в морскую среду в значительных количествах с хозяйственно-бытовыми (использование синтетических моющих средств в быту) и промышленными сточными водами (их используют в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования, а также в текстильной, нефтяной и химической промышленности, при производстве синтетических каучуков), а также со стоком с сельскохозяйственных угодий (в качестве эмульгаторов входят в состав пестицидов, инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов) [Гусева и др., 2000].

Вопрос о толщине пленок ПАВ оставался открытым до тех пор, пока Ленгмюр в 1917 г. не сконструировал специальную аппаратуру для изучения сверхтонких пленок. Измерив, поверхность, покрываемую данным количеством ПАВ, он подтвердил существовавшие предположения о том, что пленки ПАВ имеют толщину монослоя. Биогенные пленки ПАВ формируют мономолекулярные слики, их пленки имеют толщину 0,01-0,001 мкм или 10^-8-10^{-9 м.}

Биогенные пленки обычно формируют те органические кислоты, которые относятся к числу наиболее распространенных компонентов природных вод различного происхождения и нередко составляют значительную часть всего органического вещества в этих водах. Состав органических кислот и их концентрация определяются с одной стороны процессами внутри водоемов, связанными с жизнедеятельностью водорослей, бактерий и животных организмов, с другой – поступлением этих веществ извне [Гусева и др., 2000].

Органические кислоты, формирующие пленки ПАВ, могут образоваться за счет следующих внутренних процессов [Гусева и др., 2000]:

- прижизненных выделений в результате нормальных физиологических процессов здоровых клеток;

- посмертных выделений, связанных с отмиранием и распадом клеток;

- выделений, связанных с биохимическим взаимодействием различных организмов, например водорослей и бактерий;

- ферментативного разложения высокомолекулярных органических веществ, таких как углеводородов, протеинов и липидов.

 

Поступление органических кислот различного происхождения в водные объекты извне возможно с поверхностным стоком, особенно в период половодья и паводков, с атмосферными осадками, промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых полей.

Концентрация органических кислот в водах природных водоемов обычно колеблется в пределах 10-10² ммоль/дм³. Ряд высших жирных кислот присутствуют в природных средах в очень незначительных концентрациях [Гусева и др., 2000].

Появление пленок ПАВ или СПАВ на поверхности воды приводит к значительным изменениям многих свойств границы раздела, что влияет на генерацию, модуляцию и затухание поверхностных волн. В общем случае происходит подавление мелкомасштабных компонент ветрового волнения (в основном капиллярных и коротких капиллярно-гравитационных волн) и образование сликов. При этом уменьшается и средний наклон дециметровых волн; отражение как света, так радиосигнала, начинает отличаться по сравнению с окружающей поверхностью моря. Поэтому ряд параметров, характеризующих пленку, таких как поверхностное натяжение, вязкость, упругость имеют большое значение и определяют дальнейшее поведение пленки ПАВ в морской среде.

Пленки ПАВ оказывают существенное влияние на ряд процессов взаимодействия между океаном и атмосферой, а именно: на передачу энергии от ветра к волнам, на обмен веществом на границе раздела, приводят к замедлению процессов испарения с поверхности, препятствуют возникновению холодной пленки, влияют на образование пены [Монин и Красицкий, 1985]. С биологической точки зрения пленки ПАВ оказывают огромное влияние на жизнь тонкого слоя у поверхности.

Пленки ПАВ существуют в достаточно узком диапазоне скоростей ветра. С одной стороны, при скоростях ветра меньше 2 м/с, волны на МП практически не развиваются, и наблюдать слики с помощью РСА становится не возможным; при скорости ветра большей 5 м/с целостность пленки нарушается и она разрушается под воздействием ветра и крупных волн. С другой стороны, при небольшой скорости ветра (не более 5 м/с) пленки ПАВ не только ослабляют существующие волны, но и препятствуют генерации новых [Монин и Красицкий, 1985].

Наличие сликов в виде пятен или полос свидетельствует о неравномерном распределении ПАВ по поверхности моря рис. 3-4. Эту неоднородность объясняют неоднородностью поля скорости течений на поверхности, создаваемая теми или иными причинами. Поле скорости возмущают такие явления как внутренние волны, вихри, различные циркуляции, конвективные движения и т.п. Неоднородности поля течений приводят к локальным сжатиям и растяжениям пленки, изменениям спектра поверхностного волнения в диапазоне длин волн, на которые оказывает влияние пленка [Монин и Красицкий, 1985].

Для того чтобы отличить слики (пленки) ПАВ на РЛИ от других пленочных сликов, надо понимать следующее: в натурных условиях на МП ПАВ формируют самые тонкие, практически мономолекулярные пленки, которые легко переносятся течениями. Они обычно существуют в виде длинных (десятки – сотни километров) квазипараллельных, часто искривленных или спиральных полос, иногда формируя характерную «муаровую» структуру на РЛИ, и очень редко в виде отдельных пятен. Пленки ПАВ, скапливаясь в зонах конвергенций поверхностных течений и вытягиваясь вдоль них, визуализируют ряд явлений и процессов в атмосфере и океане; среди них назовем: циркуляции Ленгмюра, апвеллинг (см. раздел «Апвеллинг»), внутренние волны (см. раздел «Внутренние волны»), конвергентные зоны фронтов и вихревых структур (см. разделы «Фронты и фронтальные зоны» и «Вихри и вихревые структуры»). Ветер практически не оказывает влияние на перераспределение вещества в пленке; они исчезают с поверхности, когда скорость ветра превысит 5 м/с. На рис. 3-4 показаны РЛИ, на которых течения и вихри в открытом море, визуализируются благодаря пленкам ПАВ. На фотографиях и снимках видимого диапазона такие слики выглядят широкими гладкими полосами (рис. 5)

К сликам биогенного происхождения также следует отнести слики, образованные скоплениями фитопланктона и плавающими водорослями (например, в Саргассовом море), а также выделениями/спермой рыб и крупных морских млекопитающих в зонах размножения и нереста.

 
Рис. 2. Схематическое представление поверхностного микрослоя при наличии пленки ПАВ на поверхности моря (рисунок из [OffshoreBasinScreening]).

 

 

Рис. 3. Биогенные пленки на радиолокационном изображении спутника ERS-1. © ESA

Рис. 4. Течения и вихри в океане, визуализируемые биогенными пленками, на фрагменте РЛИ спутника ERS-1 (рисунок из [OffshoreBasinScreening]). © ESA 

Рис. 5. Слики поверхностно-активных веществ в районе якорной стоянки у м. Дооб в Черном море (снимок с вертолета 15.09.2004, 07:33 UTC). © СЦ ГМС ЧАМ

 

Нефть и нефтепродукты

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и характерный запах. Сырая нефть – сложная смесь нескольких видов жидких углеводородов (80-90 % по массе), нафтеновых кислот, асфальтенов, смол и других компонентов. Она включает производные, содержащие серу (меркаптаны, тиофены, дисульфиды, тиофаны и др.), азот (гомологи пиридина, акридина, гидрохинолина и др.) и кислород. Нефть содержит также до 10 % воды, до 4 % растворенных газов, минеральные соли (преимущественно хлориды) и ряд металлов и микроэлементов, соотношение концентраций которых дополнительно характеризует происхождение нефти [Патин, 2001].

Основные компоненты нефти – нефтеуглеводороды (НУ) подразделяются на 4 класса:

- Парафины (алкены) (до 90 % от общего состава) – устойчивые вещества, молекулы которых характеризуются прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

- Циклопарафины (30-60 % от общего состава) – насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

- Ароматические углеводороды (20-40 % от общего состава) – ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на шесть атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин) и полуциклические (пирен).

- Олефины (алканы) (до 10 % от общего состава) – ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Так как сырая нефть помимо НУ содержит органические кислоты, спирты и соли, при контакте с водой эти естественные ПАВ аккумулируются на границе раздела и образуют пленку адсорбции, которая понижает поверхностное натяжение интерфейса. В зависимости от типа сырой нефти пленка адсорбции может иметь большой диапазон вязко-упругих свойств. В зависимости от свойств нефти (плотность, вязкость, содержание серы, солей и металлов) структура поверхностной пленки также может иметь большое разнообразие.

Нефтяные загрязнения в общем случае классифицируются на загрязнения сырой нефти и загрязнения нефтепродуктами в зависимости от их физико-химических свойств, в первую очередь вязкости и плотности; различают также легкую нефть, которая имеет плотность 0.8-0.85 г/м³, среднюю нефть – 0.85-0.95 г/м³ и тяжелую нефть – 0.95 г/м³.

Кроме того, существует большое количество видов горюче-смазочных материалов (ГСМ), например, индустриальные, моторные, гидравлические, трансмиссионные, трансформаторные, компрессорные, турбинные масла и смазки, свойства которых – плотность и вязкость, в зависимости от их применения, находятся в широких пределах. Ряд добавок, которые используют в этих маслах, являются поверхностно-активными веществами. Некоторые ГМС, содержащие токсичные добавки, представляют опасность для морских животных и человека.

Нефтеуглероды, и, прежде всего, нефть, могут попасть в море как естественным (выбросы грифонов, грязевых вулканов на морском дне), так и искусственным путем (добыча, морские перевозки, речной сток). Знание закономерностей распространения нефтяных загрязнений (пленок нефти) имеет большое значение в связи с проблемой загрязнения окружающей среды. Нефть, в отличие от ПАВ, попав на поверхность моря, в значительной степени изменяет свои физико-химические свойства под действие факторов внешней среды, растекается по поверхности, дрейфует под действием морских течений, ветра и волн; часть компонентов нефти токсична для обитателей моря. Однако, растекаясь, пленки нефти не становятся мономолекулярными, растекание прекращается, когда толщина пленки достигнет около 20-30 мкм [Монин и Красицкий, 1985], хотя в литературе есть и другие оценки.

Индивидуальные свойства нефтей и нефтепродуктов очень важны, т.к. они влияют как на их поведение на морской поверхности, так и на скорость диссипации нефти в море под действием естественных процессов. Нефть, попавшая на поверхность моря, подвергается действию ряда естественных процессов, которые в совокупности называются выветриванием; среди них упомянем дисперсию, испарение, сорбцию, эмульгирование, биохимическое и химическое окисление. Главными факторами, влияющими на поведение нефти, являются:

- физические свойства, в частности плотность, вязкость, растворимость отдельных компонентов;

- состав и химические характеристики нефти;

-гидрометеорологические условия (состояние поверхности моря, солнечная радиация, температура воздуха);

- характеристики морской воды (температура, соленость, скорость течения, наличие взвешенных частиц, органики и бактерий).

Знание этих процессов и, каким образом они влияют на распространение нефти на МП, очень важно для понимания процессов диссипации нефтяного загрязнения в морской среде.

Нефть может находиться в море в различных миграционных формах: пленочной, растворенной, эмульгированной, сорбированной на твердых частицах (нефтяные агрегаты), осажденной на донных отложениях и в виде соединений, аккумулированных в тканях гидробионтов [Гусева и др., 2000]. Обычно во время разлива и некоторое время спустя основная масса нефти сосредоточена в пленке. Со временем происходит перераспределение между основными миграционными формами, направленное в сторону повышения доли растворенных, эмульгированных и сорбированных нефтепродуктов [Гусева и др., 2000]. Количественное соотношение этих форм определяется комплексом факторов, важнейшими из которых являются условия поступления нефтепродуктов в море, скорость ветра и течений, состояние поверхности моря, свойства морской воды, а также состав нефти и ее свойства. Соответственно на РЛИ будут видны только пленочные и эмульгированные формы, плавающие на поверхности.

Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсии двух типов: «нефть в воде» и «вода в нефти». Эмульсии «нефть в воде», состоящие из капелек нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефтей, содержащих ПАВ. При испарении летучих фракций нефть образует вязкие эмульсии «вода в нефти», которые могут долгое сохраняться у поверхности, переноситься течениями, выбрасываться на берег и оседать на дно.

В результате протекающих в морских бассейнах процессов – испарения, сорбции, биохимического и химического окисления концентрация нефтепродуктов может существенно снижаться, при этом значительным изменениям может подвергаться их химический состав.

Содержание нефтепродуктов в морских и океанских водах и осадках колеблется в довольно широких пределах и обычно составляет сотые и десятые доли мг/дм³. В незагрязненных нефтепродуктами морских водах концентрация естественных углеводородов может колебаться от 0,01 до 0,10 мг/дм³ и выше, в речных и озерных водах – от 0,01 до 0,20 мг/дм³, иногда достигая 1-1,5 мг/дм³ [Гусева и др., 2000].

Неблагоприятное воздействие нефтепродукты оказывают на организм человек, животный мир, водную растительность, включая физическое, химическое и биологическое состояние водоемов. Входящие в состав нефтепродуктов низкомолекулярные алифатические, нафтеновые и особенно ароматические углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на организм, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы. Наибольшую опасность представляют полициклические конденсированные углеводороды типа 3,4-бензапирена, обладающие канцерогенными свойствами.

Отрицательное влияние нефтепродуктов, особенно в концентрациях 0,001-10 мг/дм³, и присутствие их в виде пленки сказывается и на развитии высшей водной растительности и микрофитов [Гусева и др., 2000]. В присутствии нефтепродуктов вода приобретает специфический вкус и запах, изменяется ее цвет, рН, ухудшается газообмен с атмосферой.

Для того чтобы отличить нефтяные пятна от других пленочных сликов на РЛИ, прежде всего надо понимать, что в натурных условиях нефть и нефтепродукты на поверхности моря формируют пятна самой разнообразной формы и размеров (рис. 6-11,13-14,16) – от узких длинных, многокилометровых полос в следе за кораблем до маленьких округлых пятен; чаще всего нефтяные пленки не отслеживают поле поверхностных течений. Форма и размеры нефтяных пятен настолько характерны, что это сразу бросаются в глаза, и достаточно опытный оператор распознает их с большой вероятностью. Нефтяные пленки только случайно могут попасть в конвергентные зоны внутренних волн, фронтов и вихрей или в зону апвеллинга. Пленки нефти и нефтепродуктов имеют значительно большую толщину (от нескольких мм до 10^{-5 м), чем пленки ПАВ и пленки нефти из естественных источников, и поэтому существуют на поверхности в более широком диапазоне скоростей ветра – до 10-12 м/с [} Ivanovetal., 1998]. Нефть подвержена процессам выветривания и старения, на ней сказывается перераспределение вещества в пленке под действием ветра (рис. 12-14). В связи с антропогенным происхождением нефтяные пятна имеют контекстное окружение – привязаны к судам, морским вышкам и платформам, прибрежным терминалам и портам, устьям крупных рек, региональным или местным судоходным трассам, районам добычи или транспортировки нефти.

По данным ряда источников (см., например, [Manual on oil pollution, 1998; Offshore Basin Screening]) время жизни пятен легкой нефти и нефтепродуктов обычно составляет от одних до нескольких суток (рис. 15).

Среди нефтяныхх загрязнений также выделяют [Иванов, 2007]:

1). Балластные воды, которыми заполняют танки нефтеналивных судов, когда они идут порожняком, а также воды, образующиеся в результате промывки танков, – они представляют собой смеси нефти и нефтепродуктов с водой;

2). Отходы машинного отделения – смеси ГСМ и нефтепродуктов различного типа с водой, которые используют для смазки корабельных механизмов;

3). Трюмные воды (льяльные воды), которая накапливается на днище судна, также может содержать большое количество нефтепродуктов и ГСМ;

4). Утечки при разведке, бурении, добыче и транспортировке нефти, а также буровые шламы и их смеси (рис. 16);

5). Сбросы муниципальных канализационных систем и сбросы промышленных стоков, куда попадает нефть и нефтепродукты из нефтехранилищ, терминалов, НПЗ, бензозаправок и др. хозяйственных объектов (рис. 17).

 

 

Рис. 6. Нефтяные пятна на морских нефтепромыслах (п. Нефтяные Камни, Каспийское море) на радиолокационном изображении спутника Envisat (2004). © ESA

Рис. 7. Сброс вод, загрязненных нефтепродуктами, с греческого танкера в Черном море (снимок с вертолета 7.08.2004, 11:39 мск). © СЦ ГМС ЧАМ

Рис. 8. Обширные нефтяные пятна на поверхности моря – результат крушения танкера «Престиж» у побережья Испании. Радиолокационное изображение спутника Envisat (ноябрь 2002). © ESA

 

 

Рис. 9. Разлив в следе за кораблем у тихоокеанского побережья о. Тайвань на радиолокационном изображениях спутника ERS-1 (20.05.1994, 14:20 UTC). © ESA

Рис. 10. Разлив в следе за кораблем в Японском море на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (20.05.1994, 14:20 UTC). © ESA

 

Рис. 11. Судовые загрязнения в районе судоходных трасс в Восточно-Китайском море на радиолокационных изображениях спутника ERS-2. © ESA

Рис. 12. Воздействие ветра на пятно сырой нефти (рисунок из [Manual on oil pollution, 1998]).

 

 

Рис. 13. Фрагмент радиолокационного изображения с судовым разливом в Индийском океане на котором хорошо видна структура нефтяного разлива (спутник ERS-2, 6.04.1999, 04:58 UTC). (рисунок из [AlpersandEspedal, 2004]).

 

 
 Рис. 14.  Судовые разливы в Таиландском заливе Южно-Китайского моря на радиолокационном изображения спутника ERS-2; хорошо видна перьевидная структура наветреннего края (4.04.1997, 03:25 UTC) (рисунок из [AlpersandEspedal, 2004])

 

Рис. 15. Время жизни пятен нефти и нефтепродуктов с учетом образования нефтяной эмульсии на поверхности моря в зависимости от времени (в % от первоначального разлива). 1 – нефтепродукты (газойль, бензин, керосин) (плотность < 0.8 г/м³), 2 – легкая нефть (плотность 0.8-0.85 г/м³), 3 – средняя нефть (плотность 0.85-0.95 г/м³), 4 – тяжелая нефть (плотность > 0.95 г/м³). (рисунок из [Manual on oil pollution, 1998]).

 

 

Рис. 16. Разлив в районе разведочного бурения в северной части Каспийского моря на фрагменте радиолокационного изображения спутника Envisat (7.08.2006, 18:30 UTC) и фотография с судна, позволяющая определить источник загрязнения (фото А.В. Григорьева). Ó ESA

 

Рис. 17. Плёночные загрязнения в районе Геленджикской бухты на фрагменте радиолокационного изображения спутника Envisat (2.09.2004, 07:38 UTC); крестиками показаны возможные места сброса хозяйственно-бытовых вод и канализации (рисунок из [Литовченко и др., 2007]).

 

 

Пленки нефти из естественных источников

Особняком стоит нефть, которая поступает в море из подводных источников. Толщина пленок, которая она формирует, не превышает 10^-6-10^{-8 м [} MacDonaldetal., 1993], что, возможно, указывает на то, что выделяется только легкие фракции нефти. Есть указания на то, что эта нефть может быть биодеградирована.

Пленки нефти, происходящие из естественных источников на дне, имеют ряд характерных признаков, которые позволяет их отличить от пленок ПАВ и пленок нефтяных загрязнений. Во-первых, это тонкие пленки; визуально они имеет цвет от серебристо-серого до радужного (рис. 18,19), что говорит от том, что они толще пленок ПАВ и значительно тоньше пленок сырой нефти [BonnAgreement; Mirandaetal., 2004]. Во-вторых, они имеют подпитывающий источник на дне, работающий в постоянном или периодическом режиме, что означает выраженную повторяемость во времени в одном и том же месте и большую скорость роста слика в пространстве по сравнению с обычном разливом нефти. В-третьих, только в редких случаях на дне имеются уединенные источники, обычно они расположены группами, а более крупные – осложнены второстепенными – грифонами, сальзами и т.п., в результате чего на морской поверхности образуются хорошо выраженные кластеры или группы подобных по форме сликов – двойных или тройных сигнатур (рис. 20,21). В-четвертых, нередко слики имеют хорошо выраженную так называемую точку всплытия, где всплывшая нефть аккумулируется на поверхности (рис. 21). Поэтому, нередко при совмещении разновременных РЛИ слики на МП исходят из одной точки [WilliamsandHuntley 1998; OffshoreBasinScreening;Иванов и др., 2007]. Как тонкие пленки эти слики достаточно хорошо отслеживают поле преобладающих течений (рис. 20,21). Форма и размеры этих пятен достаточно характерны: это длинные (иногда десятки километров) линейчатые слики, иногда имеющие форму закорючек, зигзагов, петель или овалов; только что всплывшая нефть имеет форму круглых пятен небольшой площади. Имея несколько большую толщину, чем пленки ПАВ, они существуют на поверхности моря в более широком диапазоне скоростей ветра – до 7-8 м/с. По данным ряда исследователей они «живут» на поверхности от 8 до 24 час, в среднем 12 час (см. например [MacDonaldetal., 1993]). И, наконец, в связи с естественным происхождением, эти слики привязаны к хорошо известным районам (впрочем, не всегда!) сосредоточения на дне геологических образований (грифонов, грязевых вулканов, сальз, сипов, разломов и т.п.) (рис. 22), которые источают нефть [Williams and Lawrence, 2002; Иванов и др., 2007].

 

Рис. 18. Пятно всплывшей нефти на поверхности Мексиканского залива (фото J. Blair из [MacDonald, 1998])

 

 

Рис. 19. Пятна всплывшей нефти на поверхности Каспийского моря (фотография из [Williams and Lawrence, 2002])
 

 

Рис. 20. Естественное загрязнение моря нефтью – «следы» работы грифонов и грязевых вулканов на морском дне в юго-западной части Каспийского моря на радиолокационном изображении спутника Envisat (9.08.2003, 06:56 UTC). © ESA

 

Рис. 21. Многочисленные пятна грифонного происхождения в юго-западной части Каспийского моря на радиолокационном изображении спутника ERS-1; белыми кружками показаны места всплытия/аккумуляции нефти на поверхности моря (рисунок из [WilliamsandHuntley, 1998]).

 

 

Рис. 22.  Пленки нефтяных загрязнений различного происхождения на поверхности моря в проливе Санта-Барбара (Тихий океан) на РЛИ спутника «Алмаз-1» (30.08.91, 15:22 UTC). Слева – пятна грифонной природы (из грифонов группы «Coal Point»), справа - сбросы с нефтяных платформ, отобразившихся яркими точками ан РЛИ. © НПО машиностроения.

 

 

 

Пленочные загрязнения - отходы рыбной и пищевой промышленности

Биогенные жиры и масла – природные соединения, находящиеся в тканях животных и растений, в семенах и плодах различных растений, в некоторых микроорганизмах. Масла растительные, растительные жиры или продукты, извлекаемые из масличного сырья и состоящие в основном (на 95-97 %) из триглицеридов – органических соединений, сложных эфиров глицерина и жирных кислот. Животные жиры – органические соединения сложных эфиров глицерина (триглицериды) и жирных кислот, входят в класс липидов. Как правило, они сильно отличаются по внешнему виду, физическим и химическим свойствам, что связано с тем, что природные жиры и масла – не индивидуальные соединения, а смеси; они не растворяются в воде и часто формируют пленки разной толщины на поверхности моря.

Наряду с углеводами и белками, жиры – один из главных компонентов клеток животных, растений и микроорганизмов. Жиры, присутствующие в море, являются, главным образом, результатом метаболизма растительных и животных организмов и их посмертного разложения. Они образуются при фотосинтезе и биосинтезе и входят в состав внутриклеточных и резервных липидов.

Высокие концентрации жиров естественного происхождения в морской воде могут быть связаны со сбросом сточных вод предприятий пищевой и кожевенной промышленности, а также хозяйственно-бытовых стоков [Гусева и др., 2000]. Основное применение животных жиров и растительных масел – это использование их в качестве продуктов питания; примерно треть производимых жиров идет на технические цели. Жиры в большом количестве используют также в промышленности – в мыловарении, медицине, парфюмерии и др. отраслях.

Маслянистые вещества, попадающие в море при рыбной ловле или с отходами рыбной промышленности также формируют пленки на поверхности моря. Они имеют ряд характерных признаков, которые в принципе позволяет их отличить от пленок ПАВ или пленок нефтяных загрязнений. Животные жиры и растительные масла состоят в основном из глицеридов высших жирных кислот и образуют на воде бимолекулярные (10^-7-10^{-8 м) и большей толщины пленки. Они попадают в море в результате сброса с судов отходов рыбы, с выносами рек или стоком с побережья. Форма и размеры маслянистых пятен может быть самая разнообразная. Эти пленки имеют большую толщину, чем пленки ПАВ, и, поэтому, существуют на поверхности при скорости ветра до 6-8 м/с. В связи с антропогенным происхождением, эти слики привязаны к хорошо известными районам рыбной ловли в открытом море, районах разведения аквакультуры или прибрежным водам при наличии производств на побережье. Очень часто на РЛИ в районе рыболовного лова одновременно со сликами наблюдаются большие скопления разномерных судов (яркие белые токи на РЛИ), включая рыболовные и рыбоперерабатывающие (рис. 23).}

Маслянистые пленки выносятся реками в море после нереста проходных рыб как результат массовой гибели отнерестившихся рыб, а также наблюдаются в районах нереста океанских рыб и др. морских организмов.

 

 

Рис. 23. Слики в Беринговом море, образованные в результате траловых операций, на радиолокационном изображении спутника Envisat (рисунок из [Clemente-Colón and Yan, 2000]).

 

 

Список литературы

 

1.  Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М., 1979.

2.  Гусева Т.В., Молчанова Я.П., Заика Е.А. и др. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды. Справочные материалы. 2000 [http://www.ecoline.ru/mc/refbooks/hydrochem].

3.  Иванов А.Ю. Нефтяные загрязнения моря на радиолокационных изображениях КА «Космос-1870» и «Алмаз-1» // Исследование Земли из космоса. 1997. № 6. С. 73-86.

4.  Иванов А.Ю. Слики и плёночные образования на космических радиолокационных изображениях // Исследование Земли из космоса, 2007. № 3. C. 73-96.

5.  Иванов А.Ю., Востоков С.В., Ермошкин И.С. Картографирование плёночных загрязнений морской поверхности по данным космической радиолокации (на примере Каспийского моря) // Исследование Земли из космоса. 2004. № 4. С.82-92.

6.  Иванов А.Ю., Голубов Б.Н., Затягалова В.В. О нефтегазоносности и разгрузке подземных флюидов в южной части Каспийского моря по данным космической радиолокации // Исследование Земли из космоса, 2007. № 2. C. 62-81.

7.  Иванов А., Голубов Б., Затягалова В. Прогноз нефтегазоносности и поиск нефтяных месторождений в море по данным космической радиолокации // Технологии ТЭК, 2007. № 4. С.40-47.

8.  Иванов А.Ю., Ермошкин И.С. Картографирование плёночных загрязнений морской поверхности по данным космической радиолокации // Технологии ТЭК, 2004. № 3. С. 64-69.

9.  Иванов А.Ю., Ермошкин И.С., Фанг М., Хе М.-С, Кровотынцев В.А. Использование космической радиолокации широкого обзора для картографирования нефтяных загрязнений моря // Исследование Земли из космоса, 2005. № 5. С.78-95.

10.  Иванов А.Ю., Затягалова В.В. Картографирование пленочных загрязнений моря с использованием космической радиолокации и географических информационных систем // Исследование Земли из космоса, 2007. № 6.

11.  Иванов А.Ю., Литовченко К.Ц., Ермаков С.А. 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.

12.  Литовченко К.Ц., Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Иванов А.Ю., Юренко Ю.И. Нефтяные загрязнения восточной части Черного моря: Космический мониторинг и подспутниковая верификация // Исследование Земли из космоса, 2007. № 1. С. 81-94.

13.  Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л: Гидрометеоиздат, 1985. 375 с.

14.  Патин С.А. Нефть и экология континентального шельфа. М.: ВНИРО, 2001. 247 с.

15.  Проблемы химического загрязнения вод Мирового океана. Т.8. Методы и средства борьбы с нефтяным загрязнением вод Мирового океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 208 с.

16.  Alpers W. and Espedal H.A. Oils and surfactants. In: Synthetic aperture radar user’s manual. Chapter 10. Washington, 2004. P. 263-275.

17.  Alpers W. and Huhnerfuss H. The damping of ocean waves by surface films: A new look at an old problem // J. Geophys. Res., 1989. 94. C5. P. 6251-6265.

18.  Barni M., Betti M., Mecocci A.A fuzzy approach to oil spill detection on SAR images / Proc. IGARSS ’95, 1995. v. 1. P. 157-159.

19.  Bern T.-I., T. Wahl, T. Andersson, R. Olsen. Oil spill detection using satellite based SAR: Experience from a field experiment / Proc. 1st ERS-1 Symposium. Cannes, France, 4-6 November 1992. P. 829-834.

20.  Brekke C. and Solberg A.H.S. Oil spill detection by satellite remote sensing // Remote Sensing of Environment, 2005. 95. P. 1-13.

21.  Bonn Agreement Counter Pollution Manual, 1999. V.1. Chapt. 4. Annex 1 (http://www.bonnagreement.org/eng html/counter-pollution_manual)

22.  Change L.Y., Chen K., Chen C., Chen A. A multiplayer multiresolution approach to detection of oil slicks using ERS SAR image / Proc. 17th Asian Conference of Remote Sensing, Sri Lanka, 1996.

23.  Chen C.F., Chen K.S., Chang L.Y., Chen A.J. The use of satellite imagery for monitoring coastal environment in Taiwan / Proc. IGARSS’97, 1997. v. 3. P. 1424-1426.

24.  Clemente-Colón P. and Yan X.-H. Low-backscatter ocean features in synthetic aperture radar imagery. In: Johns Hopkins Apl. Technical Digest, 2000. v. 21. № 1. P. 116-121.

25.  da Silva J.C.B, Ermakov S.A., Robinson I.S. Role of surface films in ERS SAR signatures of internal waves on the shelf. 3. Mode transitions // J. Geophys. Res., 2000. 105. C10. pp.

26.  DiGiacomo P.M., Washburn L., Holt B., Jones B.H. Coastal pollution hazards in southern California observed by SAR imagery: storm water plumes, wastewater plumes, and natural hydrocarbon seeps // Marine Pollution Bulletin, 2004. 49. P. 1013-1024.

27.  Espedal H. Detection of oil spill and natural film in the marine environment by spaceborne SAR / Proc. IGARSS’99, 1999. v. 3. P. 1478-1480.

28.  Espedal H.A. Detection of oil spill and natural film in the marine environment by spaceborne synthetic aperture radar. Ph.D. thesis, Department of Physics University of Bergen and Nansen Environment and Remote Sensing Center, Norway, 1998.

29.  Espedal H.A., Johannessen O.M., Johannessen J.A., et al. COASTWATCH’95 ERS 1/2 SAR detection of natural film on the ocean surface // J. Geophys. Res., 1998. 92. P. 24969-24982.

30.  Fiscella B., Giancaspro A., Nirchio F., Pavese P., Trivero P. Oil spill detection using marine SAR images // Int. J. Rem. Sens., 2000. 21(18). P. 3561-3566.

31.  Frate F.D., Petrocchi A., Lichtenegger J., Calabresi G. Neural networks for oil spill detection using ERS-SAR data // IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., 2000. 38(5). P. 2282-2287.

32.  Gade M. and Alpers W. Using ERS-2 SAR images for routine observation of marine pollution in European coastal waters. In: The Science of the Total Environment 237/238. Elsevier Science B.V. London, 1999. P. 441-448.

33.  Gade M., Alpers W., Huhnerfuss H., et al. Imaging of biogenic and anthropogenic ocean surface films by the multifrequency/multipolarization SIR-C/X-SAR // J. Geophys. Res. 1998. 103. P. 18851-18866.

34.  Gasull A., Fabregas X., Jimenez J., et al. Oil spills detection in SAR images using mathematical morphology / Proc. EUSIPCO’2002, September 2002, Toulouse, France, v. 1. P. 25-28.

35.  Hovland H.A., Johannessen J.A., Digranes G. Slick detection in SAR images / Proc. IGARSS’94, 1994. v. 4. P. 2038-2040.

36.  Indregard M., Solberg A., Clayton P. D2-report on benchmarking oil spill recognition approaches and best practice. Tech. Rep., Oceanides Project, European Commission, 2004.

37.  Ivanov A.Yu., Litovchenko K.Тs., Ermakov S.A. Oil spill detection in the sea using Almaz-1 SAR // J. Adv. Marine Sci. Tech. Society, 1998. v.4. № 2. p.281-288.

38.  Ivanov A.Yu., M. Fang, M.-X. He and I.S. Ermoshkin. An experience of using Radarsat, ERS-1/2 and Envisat SAR images for oil spill mapping in the waters of the Caspian Sea, Yellow Sea and East China Sea / Proc. Envisat & ERS Symposium., Salzburg, Austria, 6-10 September 2004 (ESA SP-572).

39.  Ivanov A.Yu. and Zatyagalova V.V. A GIS approach to mapping of oil spills in the marine environment / Proceedings of the Envisat Symposium-2007, 23-27 April 2007, Montreux, Switzerland (ESA SP-636).

40.   Ivanov A.Yu., and V.V. Zatyagalova. A GIS approach to mapping of oil spills in the marine environment // Int. J. Remote Sens., 2008 (в печати).

41.  Kanaa T.F.N., Tonye E., Mercier G. et al. Detection of oil slick signatures in SAR images by fusion of hysteresis thresholding responses / Proc. IGARSS’03, 2003, v. 4, pp. 2750-2752.

42.  Liu A.K., Peng C.Y., Chang S.Y.-S. Wavelet analysis of satellite images for coastal watch // IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1997. 22(1). Р. 9-17.

43.  Lu J., L.K. Kwoh, H. Lim et al. Mapping oil pollution from space // Backscatter. 2000. 11(1). P. 23-26.

44.  MacDonald I.R. Natural Oil Spills // Scientific American, 1998. 279 (5). P. 51-66.

45.  MacDonald I.R., Guinasso Jr. N.L., Ackleson S.G., et al. Natural oil slicks in the Gulf of Mexico visible from space // J. Geophys. Res., 1993. 98(C9). P.16351-16364.

46.  Manual on oil pollution. Section IV. Combating oil spills. London: IMO, 1988. 216 p.

47.  Mercier G., Derrode S., Pieczynski W., Caillec J.-M.L., Garello R. Multiscale oil slick segmentation with Markov Chain Model / Proc. IGARSS’03, 2003. v. 6. P. 3501-3503.

48.  Miranda F.P., Marmol A.M.Q., Pedroso E.C. et al. Analysis of Radarsat-1 data for offshore monitoring activities in the Cantarell Complex, Gulf of Mexico using the unsupervised semivariogram textural classifier (USTC) // Can. J. Remote Sens., 2004. V. 30. N 3. P. 424-436.

49.  Offshore Basin Screening (OBS) Methodology [http://www.npagroup.com/oilandmineral/offshore/obs/index.htm#1].

50.  Pavlakis P. et al. Monitoring oil spill pollution in the Mediterranean with ERS SAR // Earth Observation Quarterly, 1996. 52. P. 13-16.

51.  Shi L., Ivanov A.Yu., He M.-X., Zhao C. Using satellite synthetic aperture radar imagery to map oil spills in the western part of the East China Sea // Int. J. Remote Sens., 2008 (в печати).

52.  Skоelv A. and Wahl T. Oil spill detection using satellite based SAR, Phase 1B Competition Report. Tech. Rep., Norwegian Defense Research Establishment, 1993.

53.  Solberg A.H.S., Storvik G., Solberg R., Volden E. Automatic detection of oil spills in ERS SAR images // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 1999. 37(4). P. 1916-1924.

54.  Wahl T., Skоelv А., Andersen J.H.S. Practical use of ERS-1 SAR images in pollution monitoring / Proc. IGARSS’94, 1994. v. 4. P. 1954-1956.

55.  Williams A. and Huntley A. Oil from space - detecting the sleeping giants of the deep-water Caspian by satellite / Proc. PETEX-98 Conference, London, 1998.

56.  Williams A. and Lawrence G. The role of satellite seep detection in exploring the South Atlantic’s ultradeep water. In: Surface exploration case histories: Applications of Geochemistry, Magnetics and Remote Sensing, AAPG Studies in Geology, 2002, No. 48, and SEG Geophysical References Series, 2002. № 11. P. 327-344.

57.  Zatyagalov V.V., Ivanov A.Yu., Golubov B.N. Application of Envisat SAR imagery for the mapping and estimation of natural oil seeps in the South Caspian Sea / Proceedings of the Envisat Symposium-2007, 23-27 April 2007, Montreux, Switzerland (ESA SP-636).