ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 3, с. 48-65
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
СПУТНИКОВЫЙ МОНИТОРИНГ ПЛЕНОЧНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ © 2012 г. О. Ю. Лаврова*, М. И. Митягина
Институт космических исследований Российской академии наук, Москва *Е-таИ: olavrova@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 20.07.2011 г.
В работе обобщаются результаты многолетнего комплексного спутникового мониторинга Черного моря, проводимого с целью выявления загрязнений морской поверхности нефтью и нефтепродуктами, а также проявлений биогенных и антропогенных пленок поверхностно-активных веществ. Проведен совместный анализ разнородных данных, полученных методами дистанционного зондирования (ДЗ) морской поверхности из космоса. Большой объем данных позволил провести обобщения и получить статистически достоверные результаты о пространственных и временных изменчи-востях проявлений пленочных загрязнений различных типов на радиолокационных изображениях морской поверхности. Выявлены районы, подверженные наиболее частому загрязнению нефтепродуктами. Выдвинута гипотеза о наличии связи между поверхностными проявлениями определенного типа пленочных загрязнений и естественными газо- и нефтепроявлениями, грязевым вулканизмом в Черном море. Обсуждаются вопросы повышения надежности интерпретации спутниковых данных.
Ключевые слова: спутниковый мониторинг, спутниковая радиолокация, нефтяное загрязнение морской поверхности, биогенные и антропогенные пленочные загрязнения морской поверхности, метановые сипы, естественные газо- и нефтепроявления
ВВЕДЕНИЕ
На современном этапе исследование океана невозможно представить без использования информации, полученной с помощью приборов дистанционной диагностики, установленных на различных спутниках, специализированных на дистанционном зондировании Земли (ДЗЗ). В последнее время во всем мире запущено большое количество спутников с научной аппаратурой на борту, работающей в разных диапазонах электромагнитного спектра. Огромное количество поступающей со спутников информации используется не только в чисто научных целях, но и для решения многих хозяйственных и природоохранных задач.
Непрерывно возрастает загрязнение нефтепродуктами акваторий российских морей. Это вызвано, прежде всего, увеличением объемов перевозок морским транспортом, в частности, перевозки экспортируемой нефти водным путем, вводом в эксплуатацию новых нефтяных терминалов и морских буровых установок, выносом реками загрязненных вод. Нефтяные загрязнения наносят практически невосполнимый ущерб окружающей среде (Бондур, 2010; Бондур и др., 2006). Они не только оказывают пагубное воздействие на флору и фауну, прежде всего прибрежных районов, нарушая процессы физико-хими-
ко-биологического обмена в системе океан—атмосфера, но и влияют на социальные процессы, нанося непоправимый урон сельскому хозяйству и индустрии туризма, которые несут огромные материальные потери. Своевременное обнаружение и принятие экстренных мер по ликвидации загрязнения может если не предотвратить, то снизить ущерб в десятки раз. Таким образом, назрела жизненно важная необходимость оперативного мониторинга всех российских морей. Вследствие больших размеров акваторий, а зачастую и географической удаленности эта задача может быть решена только методами дистанционного зондирования из космоса.
На заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России 27 июня 2011 г., на котором обсуждались экологические аспекты модернизации экономики, Президент РФ Дмитрий Медведев назвал несколько перспективных проектов. Первый из них — создание системы мониторинга экологической обстановки из космоса. Он отметил: "... принят в первом чтении законопроект о создании системы экологического мониторинга, в Государственную Думу внесен законопроект о защите морей от нефтяных загрязнений".
В России примерами хорошо организованных ежедневных оперативных спутниковых монито-
рингов морских акваторий могут служить: оперативный спутниковый мониторинг юго-восточной части Балтийского моря, который проводился с июня 2004 по ноябрь 2005 гг. силами специалистов из шести организаций: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Москва), Институт космических исследований РАН (ИКИ) (г. Москва), Геофизический центр РАН (г. Москва), Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (г. Москва), Атлантический научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (г. Калининград), Морской гидрофизический институт (г. Севастополь) (Костяной и др.,
2006, 2009; Kostianoy et al., 2006), — и оперативный мониторинг состояния и загрязнения морской среды российского сектора Черного и Азовского морей, который проводится с 2003 г. ежегодно с апреля по октябрь под руководством НИЦ "Планета" Росгидромета (Бедрицкий и др.,
2007, 2009; Shcherbak et al., 2008). Авторы статьи, работающие в лаборатории Аэрокосмической радиолокации ИКИ РАН, принимали активное участие в проведении обоих мониторингов, обеспечивая получение, обработку, анализ и интерпретацию спутниковых радиолокационных изображений (РЛИ). Накопленные опыт и основные наработки используются в настоящее время при проведении круглогодичного ежедневного оперативного спутникового мониторинга акваторий Черного, Балтийского и Каспийского морей, который осуществляется коллективом лаборатории с начала 2009 г. по сегодняшний день (Лаврова и др., 2010).
В ходе работ по проведению мониторинга накоплен большой объем спутниковой информации. В частности, с февраля 2009 г. по июнь 2011 г. получено, обработано и проанализировано 2760 РЛИ морской поверхности высокого разрешения сенсоров ASAR Envisat и SAR ERS-2. Практически ко всем из них была подобрана сопутствующая информация: данные спутниковых сенсоров видимого и ИК-диапазонов, данные метеостанций. Огромный массив данных потребовал тщательной совместной обработки и осмысления. Большой объем накопленного экспериментального материала обеспечил статистическую достоверность результатов.
Следует отметить, что задачи выявления загрязнения морской среды и исследования динамических процессов, происходящих в этой среде, необходимо решать в тесной взаимосвязи, поскольку попадая в морскую среду, загрязнения становятся частью этой среды и развиваются по тем же законам, по которым развивается и сама морская среда.
В частности, при проведении мониторинга нами выявлены и подвергнуты исследованию внутренние волны в морях без приливов: выявлены
сезонная, межгодовая и пространственная изменчивости их проявлений, сформулированы предположения об источниках их генерации (Лаврова и др., 2008, 2009, 2010).
Еще одной важной задачей, решаемой на основе данных спутникового мониторинга, является исследование мелкомасштабных вихревых структур и их тонкой пространственной структуры за счет сликового механизма проявления на РЛИ (Митягина, Лаврова, 2009; Мкуа§та й а1., 2010). Однако основная задача — задача спутникового контроля состояния и загрязнения морской поверхности. Результатам спутникового мониторинга акватории Черного моря и проблемам, возникающим при решении этой задачи, посвящена настоящая статья.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И СРЕДСТВА ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
В ходе выполнения мониторинга состояния и загрязнения морской поверхности Черного моря на основе спутниковых данных выявлялись пленочные загрязнения четырех основных типов, обусловленные:
— сбросами с судов вод, содержащих нефтепродукты;
— выносом сточных и речных вод, содержащих пленочные загрязнения смешанного антропогенного и естественного происхождения;
— грязевым вулканизмом и естественными выходами углеводородов (метановые сипы), которые обнаруживаются в Черном море практически повсеместно;
— повышенной биологической продуктивностью, в том числе с жизненными циклами хлорофилла и активным цветением водорослей.
Успешное решение перечисленных выше задач базировалось на оперативном приеме, обработке и совместном анализе космических изображений в микроволновом, видимом и ИК-диапа-зонах электромагнитного спектра, полученных с помощью различных приборов дистанционной диагностики, установленных на различных спутниках, специализированных на ДЗЗ.
Основным средством спутникового контроля состояния морской поверхности и оценки степени загрязненности являются радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА), установленные на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) ERS-2 и Епуьза! Европейского космического агентства (ЕКА). Это обусловлено следующими физическими и техническими особенностями РСА:
— возможностью круглосуточной работы благодаря использованию активного зондирования,
причем характеристики изображения от времени суток не зависят;
— возможностью всепогодной съемки, т.к. атмосфера практически прозрачна для используемого РСА микроволнового излучения;
— диэлектрические свойства воды в микроволновом диапазоне однородны, что позволяет считать вариации рассеянного сигнала связанными только с геометрическими параметрами возмущений и тем самым облегчает интерпретацию снимков;
— высоким пространственным разрешением современных космических РСА, позволяющим с необходимой точностью детектировать нефтяные загрязнения даже относительно небольшого размера и оценивать их параметры.
Кроме того, для интерпретации РЛИ привлекались данные сенсоров MODIS ИСЗ Aqua/Terra, MERIS ИСЗ Envisat и AVHRR ИСЗ NOAA видимого и ИК-диапазонов, несущие информацию о полях температуры поверхности моря (ТПМ) и мезомасштабной динамике вод. Дополнительно использовались данные сканирующих радиометров ETM+ ИСЗ Landsat 7 и TM Landsat 5.
Спутниковые данные подвергались следующей обработке:
— координатной привязке РЛИ по навигационным данным, содержащимся в служебной информации к каждому кадру, в результате изображение представляется в координатах долгота-широта;
— подбору гистограммы с целью наилучшего визуального восприятия основных информативных сигнатур на морской поверхности;
— нанесению координатной сетки;
— географической привязке и приведению данных различных приборов дистанционной диагностики, полученных в разных диапазонах зондирования
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.