ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 5, с. 3-8
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 528.813.+631.432.2
РАДИОЯРКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ
© 2008 г. П. П. Бобров1*, С. В. Кривальцевич2, А. С. Ященко1
1Омский государственный педагогический университет 2Омский государственный университет *Тел.: (3812) 23-51-38; е-шаП: bobrov@omgpu.ru Поступила в редакцию 28.12.2007 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния загрязнений почв нефтепродуктами на динамику их радиояркостной температуры. Показано, что такая почва по своим излучательным характеристикам в микроволновом диапазоне существенно отличается от незагрязненной. Если толщина загрязненного слоя меньше глубины скин-слоя, то на этой длине волны радиояркостная температура меньше, чем на более коротких волнах, но все же выше, чем у чистой почвы. При наличии нефтяной корки с низкой водопроницаемостью яркостные температуры загрязненной почвы после выпадения осадков на всех длинах существенно меньше, чем у чистой почвы. Исследовано влияние деструкции углеводородов, приводящей к изменению гидрофизических свойств почв.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка нефтяных месторождений, транспортировка и переработка нефтепродуктов серьезно сказываются на окружающих геосистемах. Вследствие аварий происходят крупномасштабные разливы нефти и ее производных. Значительные площади водной поверхности и поверхности суши становятся зонами экологического бедствия. Для ликвидации последствий аварий привлекаются значительные материальные и людские ресурсы. Нефть и нефтепродукты вызывают практически полную депрессию функциональной активности флоры, фауны и почвенной био-ты. Ухудшается азотный режим почвы, что в случае рекультивации требует внесения повышенных доз азотных удобрений. В составе гумуса возрастает нерастворимый остаток, что является одной из причин ухудшения плодородия [1].
С течением времени в процессе деградации нефти в почве происходит распад всех ее составляющих от метано-нафтеновых углеводородов до смолисто-асфальтеновых фракций. Однако скорости процессов окисления существенно зависят от вида углеводородов. Наиболее быстро окисляются короткоцепочные метано-нафтеновые углеводороды с образованием спиртов, простых эфи-ров и кислот. Это первый этап деградации, длительность которого соответствует 24—27 мес. инкубации нефти в почве. В дальнейшем происходит окисление длинноцепочечных нечетных н-алканов, являющихся наиболее предпочтительным субстратом биохимической трансформации. Содержание нафтено-циклических углеводородов практически не изменяется вследствие
относительной устойчивости последних. Среди продуктов окисления появляются альдегиды, кето-ны, сложные и ненасыщенные эфиры. Включение в метаболические процессы неустойчивых и устойчивых подвижных продуктов трансформации (окисей, спиртов, кислот, сложных эфиров) имеет явные негативные последствия, поскольку основная часть этих соединений экологически опасна. На заключительном этапе, который начинается через 48—52 мес. после загрязнения почвы, битумоид почв представляет собой смешанный субстрат, включающий техногенную и производную компоненты, причем в техногенной компоненте преобладают смолисто-асфальтено-вые фракции с высокой молярной массой. Соотношение техногенной и производной компоненты определяется составом нефти до начала процесса деградации. Разложение высокомолекулярных углеводородов представляет собой довольно длительный процесс. Исследования разливов нефти показали, что полная регенерация биоценозов (микрофлора, микро- и мезофауна, высшая растительность) не достигается даже через 25 лет после аварии [2]. Так же скорость деструкции нефти и нефтепродуктов существенным образом зависит от вида почвогрунтов. Наиболее быстро деструкция нефти проходит в торфяных почвах и песке. По сравнению с торфяными почвогрунта-ми, процессы окисления нефти в глинистых почвах с различным содержанием гумуса проходят в 1.8 раза медленнее.
В настоящий момент существует множество способов выявления области нефтяных загрязнений. К ним можно отнести сканирование поверх-
Тя, К 310
265
220
1
■-♦-■ 3
-и-4
175
130
3
310г
265
220
175
12
130
♦......
-о— 2
3
-■о-- 4
3
6
9
12 X, см
Рис. 1. Радиояркостные температуры загрязненного маслом и незагрязненного участков на разных длинах волн: а — глубина загрязнения 3—4 см, б — глубина загрязнения 4—5 см; 1, 2 — загрязненный и незагрязненный участки перед поливом, 3, 4 — загрязненный и незагрязненный участки сразу после полива.
ности в ультрафиолетовом и ИК-диапазонах, радио- и лазерную локацию, микроволновое радиометрическое зондирование. Сканирование и локация поверхности позволяют не только устанавливать факт загрязнения, но и определять некоторые характеристики загрязнителя: преобладание легких или тяжелых фракций, толщину нефтяной пленки [3].
Радиометрические методы исследования зон нефтяного загрязнения развиты в гораздо меньшей степени [3, 4]. Не выяснено, в частности, влияние деструкции нефтепродуктов на радиояр-костные характеристики почвы.
ДИНАМИКА РАДИОЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССАХ ИСПАРЕНИЯ, ПРОМЕРЗАНИЯ И ОТТАИВАНИЯ
Изучение влияния загрязнений нефтепродуктами на динамику радиояркостной температуры в
процессе испарения почвенной влаги, а также исследование возможностей дистанционного выявления загрязненных участков проводилось нами в период 2004—2006 гг. Изучалось влияние загрязнений нефтепродуктами (минеральное моторное масло марки М-8В Омского НПЗ) суглинистой почвы с содержанием гумуса 6.6%. Выбор масла в качестве загрязнителя обусловлен тем, что в процессе производства масла очищаются от наиболее устойчивых к разложению углеводородов. Следовательно, применение в качестве загрязнителя моторного масла как субстрата углеводородов, не содержащего метан-нафтеновых и смолистых фракций, позволяет сократить сроки натурного эксперимента.
Загрязнение почвы производилось путем распыления масла над воздушно сухой почвой с шероховатой поверхностью. Вначале, таким образом, было внесено масло эквивалентным слоем 2.7 мм. В результате впитывания масла загрязненным оказался слой почвы толщиной 3—4 см, степень загрязнения в среднем составила 7.5% (в объемных долях). Затем в течение двух месяцев было проведено пять экспериментальных циклов полив—испарение. После этого поверхность почвы была дополнительно загрязнена эквивалентным слоем 1.3 мм. В итоге загрязненным оказался поверхностный слой толщиной 4—5 см, степень загрязнения составила около 9%.
Сравнение излучательных характеристик загрязненного и незагрязненного участков одной и той же почвы проводилось с помощью радиометрического комплекса, состоящего из трех радиометров с длинами волн X = 3.6, 5 и 11 см [5].
На рис. 1 приведены результаты экспериментов, проводившихся при различной толщине загрязненного слоя. Как можно видеть, яркостные температуры (ТЯ) загрязненного и незагрязненного участков перед поливом практически не отличались. После увлажнения участков одинаковым слоем воды (20 мм) яркостная температура незагрязненного участка снизилась на всех длинах волн до величины 140—150 К.
Увеличение влажности поверхностного слоя приводит к увеличению его диэлектрической проницаемости б и увеличению коэффициента отражения Я. Яркостная температура связана с коэффициентом отражения и термодинамической температурой почвы (при условии ее неизменности с глубиной) выражением
Тя = (1 - Я) Т.
(1)
При наличии поверхностных шероховатостей яркостная температура выше, чем определяемая по формуле (1) [6].
Поскольку при интенсивном орошении поверхностные агрегаты чистой почвы разрушаются, степень шероховатости поверхности умень-
6
9
б
Тя 330
280
230
180
130
4
ТЯ 330
280
230
180
130
сЯ ♦
□
♦1
* 2
щ
6 Дата, июнь
1
2
5 6 Дата, июнь
Рис. 2. Временной ход радиояркостной температуры после полива: а — длина волны 3.6 см, б — длина волны 11 см; 1 — загрязненный участок, 2 — незагрязненный участок.
шается. Таким образом, яркостная температура чистой почвы снижается при поливе как за счет увеличения диэлектрической проницаемости, так и за счет уменьшения степени шероховатости.
Яркостная температура загрязненного участка заметно снизилась лишь на длине волны 11 см и имела величину 180 К при толщине загрязненного слоя 3—4 см (рис. 1а). Снижение яркостной температуры участка при большей толщине загрязненного слоя было еще меньше (рис. 1б).
Такое различие в излучательных характеристиках загрязненного и чистого участков обусловлено сильным изменением структуры поверхностного слоя почвы при загрязнении. Поверхностные почвенные агрегаты, загрязненные маслом, перестают впитывать воду и не распадаются при поливе, поэтому структура шероховатости поверхности не изменяется. Из-за сильных водоотталкивающих свойств поверхностный слой загрязненной почвы увлажняется мало, а большая часть воды впитывается нижележащей незагрязненной почвой. Кроме того, как показано в [3], при одинаковых влажностях значения диэлектрической проницаемости почвы, загрязненной маслом, несколько меньше соответствующей величины для незагрязненной почвы. Поэтому по-
- 0.1
- 0.2
ЫБТ
У
-ЁГ
л
Дата, июнь -'
♦
1
2
-0.1
-0.2
ЫБТ
-0.1
-0.2
шТ
> ♦ Р г8' ♦
27 $ □ у □ 31 Дата, июль
1
- 2
в Дата, май I
7 □ □ 8 ■= ♦♦
1
2
Рис. 3. Изменение ЫБТ загрязненной (1) и незагрязненной (2) почв в процессе испарения почвенной влаги: а — первый уровень загрязнения (2004 г.); б — второй уровень загрязнения (2004 г.); в — через два года после загрязнения (данные 2006 г.).
лив загрязненной почвы привел к заметному снижению радиояркостной температуры только на длине волны 11 см, глубина зондирования на которой выше, и на яркостную температуру оказывает влияние нижележащий слой влажной незагрязненной почвы. Увеличение толщины загрязненного слоя приводит к меньшему падению яркостной температуры при поливе.
Загрязнение сказывается и на испарении почвенной влаги. На рис. 2 показана динамика ра-диояркостной температуры в течение нескольких часов после полива.
3
а
0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.