Найактуальнішим питанням гідроекології є боротьба із забрудненням Світового океану методами дистанційного виявлення й оконтурення плям нафти й нафтопродуктів на поверхні акваторій. В даний час розроблені радіофізичні методи для рішення зазначеної задачі, засновані на принципі розходження контрастності оптичних, теплових і радіоактивних властивостей гідроповерхні "чистої" води і забрудненою нафтою і нафтопродуктами. Створені методи, крім високої оперативності, дозволяють виявляти й оконтурювати забруднення незабаром після розливу нафти, коли ще при малих витратах реально здійснити очищення акваторії.

При розливі нафти, як показують дослідження, на поверхні акваторії утвориться нафтовий шар товщиною в кілька сантиметрів (2-6 см), що потім у плині декількох годин розпливається на значну площу (літр нафти на 1 гектар), при цьому товщина плівки досягає 0,1-0,01 мм. Через кілька діб товщина плівки зменшується до молекулярного шару і при цьому частина нафти емульгує й знаходиться в товщі води у вигляді включень.

Нафтовий шар, що утворився, змінює умови термодинамічної рівноваги і приводить до виникнення температурної аномалії (температурному контрасту між чистою водою й водою, забрудненою нафтопродуктами. Ця аномалія обумовлена:

1) зменшенням швидкості випару з поверхні води через придушення нафтовою плівкою високочастотних водяних хвиль;

2) зміною випромінювальної здатності забрудненої поверхні води через більш високий коефіцієнт відбиття нафтопродуктів;

3) більш низькою теплопровідністю нафти і нафтопродуктів (у 3-6 разів) і теплоємністю (1,5-2,5 раза) у порівнянні з "чистою" водою.

Унаслідок цих причин, відповідно до розрахунків, відмінність у радіаційних температурах нафти Т_н і води Т_в : у сонячний день Т_н-Т_в » (1?2) К, уночі » (0,5?1) К.

Оптичні властивості чистої води також істотно відрізняються від властивостей води, забрудненої нафтопродуктами. Для чистої води в океані довжина хвилі максимально розсіяного світла в близькій УФ і видимій області спектра дорівнює 470 нм, коефіцієнт заломлення n»1,3, кут Брюстера 53⁰. У забрудненій нафтопродуктами воді за рахунок електронних переходів легкі фракції нафти, що є присутніми у нафтових плівках на поверхні води і поглинаючі випромінювання  в області ~300 нм, можуть давати люмінесценцію в діапазоні 360-460 нм; більш важкі фракції поглинають в області ~370 нм і люмінесцують в області ~520 нм. Коефіцієнт заломлення в УФ (~300 нм) і видимому діапазоні (~550 нм) 1,6; кут Брюстера 58⁰.

В ІЧ-області коефіцієнт заломлення нафти більше, ніж у води, що обумовлює більш високі коефіцієнти відбивання від нафтових плівок. Істотно відрізняються і поляризаційні характеристики.

Природна радіоактивність нафти, обумовлена, головним чином, гамма-випромінюванням урану і радію, значно вище природної радіоактивності морської води. Контраст (відношення концентрацій радіоактивних елементів у нафті до води) коливається в межах для урану 0,5-10, для радію - 1-100, що обумовлює можливості виявлення нафтових забруднень, використовуючи власне гамма-випромінювання нафтових плівок і забруднених акваторій.

Відповідно до існуючих методів дистанційного виявлення нафтових (і не тільки нафтових) забруднень їх підрозділяють на три типи: пасивні, напівактивні й активні.

Пасивні методи засновані на реєстрації теплового випромінювання (ІЧ і НВЧ) і природного гамма-випромінювання; напівактивні методи засновані на опроміненні природними (Сонце, Місяць) і штучними джерелами електромагнітного випромінювання в широкому спектральному діапазоні й в аналізі зіставлення зміни спектрального складу прийнятого сигналу забруднених і незабруднених ділянок поверхні акваторії; при використанні активних методів досліджувана водяна поверхня опромінюється джерелами випромінювання заданого спектрального складу (лазером) із реєстрацією чи відбитого випромінювання, чи флуоресценції, чи комбінаційного розсіювання.

При вимірі відбитого УФ випромінювання можна зафіксувати сиру нафту і важкі нафтопродукти, прозорі нафтопродукти фіксуються дещо складніше. Максимальний контраст нафта-вода спостерігається при товщинах плівки до 1 мкм. Метод відбиття на мілководді істотно ускладнюється через погіршення співвідношення сигнал/шум у результаті росту фону від піску й черепашнику.

Метод реєстрації власного теплового випромінювання мікрохвильовим радіометром дозволяє визначати товщину плівок d (при d>100 мкм) шляхом виміру двох чи більш частот і може застосовуватися в будь-який час доби і при будь-яких погодних умовах. Основне обмеження зв'язане із впливом хвилювання моря.

Методика виявлення нафтових плям на основі спектрів флуоресценції дозволяє при використанні декількох довжин хвиль збудження (гелій-кадмієвий, ексимерний, аргоновий, лазери з довжиною хвилі, що перебудовується, рубіновий) розрізняти до декількох десятків сортів нафти. Однак, при цьому варто звернути увагу на усунення фонової люмінесценції від мікроорганізмів морського середовища.

Використання активної радіолокації для виявлення нафтових забруднень засновано на ефекті зміни розсіяного сигналу нафтовою плівкою в порівнянні з чистою водою. Однак, істотне обмеження застосуванню цього методу створюють сильні вітри (швидкість не більш 5-8 м/с), при яких характер хвилювання не визначається наявністю на поверхні води нафтопродуктів.

Методика на базі відбитого лазерного випромінювання є дуже перспективної, оскільки, як показали дослідження, при використанні СО₂-лазера, що генерує на довжині хвилі 10,6 мкм, контраст у відбивній здатності води, покритій плівкою нафтопродуктів товщиною менш 30-40 мкм, і чистою водою складає 4,7-4,9. Солоність морської води і зміна температури поверхні в інтервалі 10-50⁰ С практично не впливає на відбивну здатність плівки, більш того піна й хвилювання моря в межах 5-6 балів також не впливають на контраст.

Виявлення нафтових забруднень можна здійснювати і за допомогою He-Ne-лазера на довжині хвилі l=633 нм, лазера на GaAs (l=900 нм), лазера на рубіні (l=690 нм) і неодимі (l=1,06 мкм). Однак для цих довжин хвиль контраст менше (~2). Експерименти проводилися, зокрема, на плівках дизельного палива й автолу на спокійній і схвильованій морській поверхні в різний час доби. Установлено, що плівки дизельного палива збільшують відбивну здатність на довжині хвилі l~900 нм у залежності від товщини плівки і стану поверхні акваторії. Для d~0,07-0,1 мм і поверхні із брижами 3-5 см відбивна здатність h (стосовно відбивної здатності чистої води) дорівнює ~3,5-4; при d~0,2 мм h»1; при  d>0,7 мм залишається практично постійною - h~2,5. На спокійній морській поверхні при товщині плівки d<0,1 мм h»5-7, із збільшенням товщини значення h падає і, починаючи з d~0,15 мм, стає нижче, ніж для чистої води.

Для автолу при d=0,05-0,12 мм на схвильованій поверхні h~2-3, із ростом товщини спадає, але залишається більше одиниці. Для спокійної водяної поверхні при d~0,2 мм h~7,5. При рості d до 1,2 мм h знижується десь до 3.

Згідно з експериментальними даними найбільший контраст яскравостей нафтова плівка-вода має місце в спектральних областях 700-800 нм, 1 мкм і 10 мкм, причому в області 10? 11 мкм величина контрасту максимальна. Тому варто орієнтуватися при проектуванні апаратури за методикою відбиття на СО₂-лазер (l=10,6 мкм).

При врахуванні ослаблення лазерного випромінювання в атмосфері й хвилювання моря має місце наступне співвідношення для розрахункової висоти над рівнем моря, на якій можливе дистанційне виявлення нафтових плівок методом відбиття

,

де Р - потужність сигналу, що приходить на прийомну антену, Р₀ - потужність випромінювання лазера, S₀ - площа антени, q=rТ² - геофізичний фактор (r - коефіцієнт яскравості моря, Т - функція пропускання атмосфери), h - висота крапки виміру над рівнем моря, Q - кут візування. Умова спостереження сигналу на висоті h визначається співвідношенням h/P>Q, де Q - гранична чутливість системи.

Коефіцієнт відбиття від плівки  залежить від її середньої товщини , показника заломлення n і поглинання A нафти (нафтопродукту) і від довжини хвилі l зондуючого випромінювання. Установлено, що незалежно від параметрів розподілу плівки по товщині зберігається залежність , де R_в - коефіцієнт відбиття від води, від  для інтервалу товщини плівок у межах . Для l~10 мкм цей інтервал відповідає товщинам плівок 0,1?2 мкм. Використовуючи залежність  можна оцінювати товщину плівки.

Відповідно до експериментальних результатів при постійній швидкості дрейфу плівки й відсутності різких неоднорідностей товщина плівки змінюється за законом L^-1, де L - відстань від джерела уздовж траси. За таким само законом змінюється потужність і відбитий сигнал, відповідно до експерименту це має місце при L~600 м від джерела. У максимумі сигналу R_отн=50. При надійній реєстрації (R_отн»10) це відповідає d»2 км. У такий спосіб можна оцінювати товщину плівки по всій поверхні забруднення.

Як демонстрацію в табл. 1 приведені розрахункові значення висот, із яких проводиться локація плями на прикладі СО₂-лазера (l=10,6 мкм) при наступних параметрах: P₀=2 Вт, Q=10^-6 Вт, S₀=1200 см² і . Розрахунки виконані для двох кутів візування Q=0⁰ і 20⁰; у таблиці приведені значення q.

З табл. 1 випливає, що при Q=0⁰ умови реєстрації виконуються для висот 200 і 500 м, а для Q=20⁰ тільки для значення h=200 м. Оскільки відбиття від нафтової плівки на l=10,6 мкм у п'ять разів вище, ніж від чистої поверхні моря, то отримані оцінки будуть справедливі й у випадку нафти й нафтопродуктів.

Великим недоліком методу відбиття є обмеженість кута прийому відбитого сигналу.

Методів виявлення поверхневих нафтових забруднень гідросфери на основі тих чи інших аномалій достатньо багато, що відзначалося вище. Однак, ні один із цих методів не може конкурувати з люмінесцентним методом, більш того тільки методи, засновані на флуоресценції і комбінаційному розсіюванні, дозволяють класифікувати тип нафти. Результати дослідження 29 проб сирої нафти показали, що кожну пробу можна однозначно охарактеризувати, вимірюючи довжину хвилі максимуму випущення, час життя і квантовий вихід флуоресценції. Більш того, ефективність люмінесценції цілком достатня для того, щоб проводити виміру з борту літального апарата (~0,5-1 км).

 

                                                          Таблиця 1.

Значення розрахункових висот, на яких надійно приймається нормований сигнал відбиття лазерного випромінювання від чистої поверхні моря при зазначених геофізичних факторах.

 

h, км	Q=00		Q=200
	qx10-3	h	qx10-3	h
1	33	4,14?10-9	5,05	5,26?10-10
0,5	53	2,66?10-8	8,30	3,33?10-9
0,2	72	2,26?10-7	11,2	2,92?10-8

 

Для характеристики "плями" використовуються спектральні і часові (час життя спектральних компонентів) характеристики прийнятого сигналу.

Схема дії люмінесцентного лідара (флуородатчика) така:

 

 

 

Особливо варто підкреслити, що метод флуоресценції є дуже ефективним для виявлення стічних вод, органічних природних речовин, зокрема, визначення зміни наявності хлорофілу (l~685 нм) з чутливістю краще 10 мг/м³ із висоти 100 м при використанні He-Ne-лазера з імпульсною потужністю в 20 кВт.

Удосконалений 4-х хвильовий за збудженням (аргоновий лазер 454,4; 539,0; 598,7 і 617,8 нм) лазерний локатор із мінімальною енергією в імпульсі 0,6 мДж виявляв концентрацію хлорофілу на рівні 1 мг/м³ із висоти 100 м.

Лазерні локатори дозволяють у реальному масштабі часу визначати поширення забруднюючих речовин.

 

П.А.Коротков, А.И. Писанский
Киевский университет имени Тараса Шевченко,
Украина252601, г.Киев - 33, ГСП, ул. Владимирская 64,
тел.(380)-44-266-05-70,
e-mail - spr@boy.rpd.univ.kiev.ua
fax - (380)-44-266-10-7