Использование спутниковых данных для мониторинга рисков разлива нефти и предотвращения

Введение: Растущая роль спутников в управлении разливами нефти

Разливы нефти остаются одним из самых разрушительных экологических катастроф, угрожающих морским экосистемам, прибрежной экономике и здоровью человека. Инциденты 1989 года Exxon Valdez [1] и [2]2010 года Deepwater Horizon [3] высветили катастрофические последствия крупномасштабных разливов, в то время как тысячи небольших незаконных сбросов продолжают ежедневно разрушать океаны. Спутниковая технология коренным образом изменила то, как мы отслеживаем, обнаруживаем и реагируем на эти угрозы. Обеспечивая наблюдение в режиме реального времени на широкой территории с орбиты, спутники позволяют властям действовать быстрее, планировать более эффективно и в конечном итоге предотвращать многие разливы. В этой статье исследуется, как спутниковые данные используются для мониторинга разливов нефти, технические возможности, стоящие за этим, текущие ограничения и многообещающее будущее защиты окружающей среды на основе космоса.

Спутниковый мониторинг эволюционировал от экспериментальных изображений в 1990-х годах до операционных систем сегодня, которые могут обнаруживать нефтяные пятна толщиной до нескольких микрометров. Агентства, такие как Европейское агентство по безопасности на море (EMSA) и Национальное управление по океанической и атмосферной безопасности США (NOAA), регулярно используют спутниковые данные для реагирования на разливы. Кроме того, интеграция спутникового спутника с автоматической системой идентификации (AIS) позволяет властям выявлять потенциальных загрязнителей и обеспечивать соблюдение правил. Поскольку изменение климата увеличивает частоту экстремальных погодных явлений, которые могут вызвать разливы, необходимость в надежном, непрерывном мониторинге из космоса никогда не была больше.

Как спутниковые данные помогают в мониторинге разливов нефти

Спутники обнаруживают разливы нефти с использованием двух основных типов датчиков: оптических датчиков и радаров с синтетической апертурой (SAR) . Каждый из них имеет уникальные сильные стороны и ограничения, и их совместное использование обеспечивает всестороннюю возможность мониторинга.

Радар с синтетической апертурой (SAR): рабочая лошадка обнаружения разливов

Сенсоры SAR активно излучают микроволновые импульсы и измеряют обратное рассеяние с поверхности Земли. На воде радиолокационный сигнал отражается обратно по-разному в зависимости от шероховатости поверхности. Чистая вода с ее капиллярными волнами и мелкой ряби производит умеренное обратное рассеяние. Нефтяные щепки заглушают эти короткие волны, делая поверхность более гладкой и уменьшая обратное рассеяние, которое появляется в виде темных пятен в радиолокационных изображениях. Этот принцип работает день и ночь и может проникать в облака, дождь и туман, что делает SAR самым надежным инструментом для оперативного мониторинга разливов нефти.

Ключевые спутники, оснащенные SAR, включают созвездие Европейского космического агентства , канадскую Radarsat-2 и Radarsat Constellation Mission и итальянскую COSMO-SkyMed. Sentinel-1 обеспечивает покрытие в широком диапазоне (250 км) с частым временем повторного посещения (каждые 6 дней на экваторе, еще чаще на более высоких широтах), что делает его идеальным для регулярного наблюдения за оживленными судоходными путями и морской нефтяной инфраструктурой. Разрешение обычно колеблется от 5 до 25 метров, достаточно для обнаружения разливов размером до нескольких сотен квадратных метров.

Оптические датчики: дополнительные видимые и инфракрасные данные

Оптические спутники, такие как Sentinel-2, захватывают отраженный солнечный свет в нескольких спектральных диапазонах. Масляные щёлчки имеют отчётливые спектральные сигнатуры: темнее в видимых полосах из-за поглощения, и ярче в тепловом инфракрасном диапазоне, если щёлк достаточно толстый, чтобы улавливать тепло. Оптические датчики также могут помочь отличить масло от природных явлений, таких как цветение водорослей или сдвиги ветра. Однако им требуется дневной свет и чистое небо, ограничивая их использование в ночное время или в устойчиво облачных областях. Сочетание SAR и оптических данных мощно: SAR обнаруживает степень и местоположение щёлка, в то время как оптические изображения могут помочь охарактеризовать его толщину и тип.

Обнаружение и раннее предупреждение

Раннее обнаружение является единственным наиболее важным фактором минимизации ущерба окружающей среде. Спутниковые данные позволяют властям идентифицировать новые разливы в течение нескольких часов после прохождения спутника, а не ждать визуальных наблюдений с самолетов или кораблей. Например, служба CleanSeaNet, управляемая EMSA, предоставляет предупреждения о разливе нефти в режиме реального времени европейским государствам-членам, используя данные Sentinel-1 и других спутников SAR. Когда обнаружен возможный разлив, предупреждение отправляется национальным органам, которые могут отправлять самолеты или суда для проверки и реагирования. Эта способность быстрого обнаружения сыграла важную роль в сокращении среднего времени реагирования от дней до часов.

В отдаленных или морских районах, где регулярное патрулирование нецелесообразно, спутниковое наблюдение выступает в качестве основного механизма обнаружения. Разлив Deepwater Horizon в 2010 году широко отслеживался с использованием изображений SAR от Radarsat-2, предоставляя важную информацию о ежедневном движении slick для руководства операциями по очистке. С тех пор спутниковые системы раннего предупреждения стали стандартной практикой для крупных нефтяных компаний, работающих в чувствительных районах, таких как Арктика, где условия окружающей среды делают традиционный мониторинг особенно трудным.

Отслеживание и мониторинг: после щелчка во времени

После обнаружения разлива отслеживание его эволюции с течением времени имеет решающее значение для сдерживания и защиты уязвимых ресурсов. Спутники могут посещать район разлива каждые несколько дней или даже чаще с помощью созвездий с несколькими спутниками, что позволяет респондентам видеть, как скользкий поток распространяется под воздействием ветра, течений и приливов. Эта информация сочетается с океанографическими моделями (например, от модели NOAA GNOME или модели MEDSLIK) для прогнозирования траектории скользящего объекта и выявления потенциальных воздействий на береговые линии, морские охраняемые районы, рыбные фермы и рекреационные пляжи.

Способность отслеживания также помогает в оценке эффективности мер реагирования. Например, если применяются диспергаторы или работают скиммерные суда, спутниковые снимки могут показать, сокращается ли щелчок или фрагментируется, как ожидалось. После разлива МТ Хавила у побережья Норвегии в 2010 году данные SAR ежедневно использовались для мониторинга щелчка и корректировки развертывания судов по рекуперации нефти, что привело к более эффективной очистке. Аналогичным образом, во время столкновения танкеров Санчи и последующего разлива в 2018 году спутниковые данные отслеживали дрейф нефтяных и химических грузов на сотни километров в Восточно-Китайском море, обеспечивая решающее руководство для китайских и японских групп реагирования.

Преимущества использования спутниковых данных

Преимущества спутникового мониторинга разливов нефти выходят далеко за рамки обнаружения и отслеживания. Ниже приведены ключевые преимущества в реальном мире.

• Широкое покрытие:] Один проход Sentinel-1 охватывает территорию, большую, чем Великобритания. Спутники могут контролировать целые исключительные экономические зоны (ИЭЗ), отдаленные океанские бассейны и трансграничные регионы без необходимости в наземной инфраструктуре. Это особенно ценно для развивающихся стран, у которых нет ресурсов для воздушного патрулирования.
• Непрерывная работа:] Спутники SAR обеспечивают съемку днем и ночью, независимо от погоды. В арктических регионах, где тьма может длиться месяцами и туман является обычным явлением, спутниковый радар является единственным жизнеспособным инструментом мониторинга. Например, Миссия по созвездию Радарсат может ежедневно снимать всю береговую линию Канады.
• Всепогодные возможности: В то время как оптические датчики требуют солнечного света и ясного неба, микроволновые сигналы SAR проникают в облачный покров, дым и дождь.В течение 2015 года Разлив нефти в Калифорнии, постоянный туман задержал воздушную разведку, но спутник SAR предоставил немедленные данные о местоположении слика.
• Интеграция данных с другими системами:] Спутниковые данные могут быть объединены с отслеживанием судов АИС, моделями океанического течения, прогнозами ветра и картами уязвимостей побережья. Эта интеграция позволяет проводить прогнозную аналитику, такую как идентификация судов, которые меняют курс вблизи нефтяных платформ, помечая потенциальные незаконные сбросы.
• Экономическая эффективность: В то время как запуск спутников является дорогостоящим, предельная стоимость за изображение низкая по сравнению с поддержанием парка специализированных самолетов или кораблей.Многие источники спутниковых данных, включая Sentinel-1 и Sentinel-2, являются бесплатными и открытыми, что позволяет широко использовать их правительствами, НПО и исследователями.
• Правовые доказательства: Спутниковые снимки использовались в качестве доказательств в судебных делах для судебного преследования незаконных сбросов нефти.В 2017 году Международная морская организация приняла спутниковые доказательства в деле против грузового судна, которое сбросило нефть у побережья Испании, что привело к существенному штрафу.