Российский
Государственный Гидрометеорологический Университет
Курсовая работа
Предмет: Методы и средства ГМИ
Тема:
«Фиксация загрязнений водной поверхности дистанционными методами»
Выполнила:
студентка гр. О-236
Иванова Анна
г
Введение
Проблема защиты окружающей среды от загрязнений, в наши дни является международной проблемой: количество вредных веществ, которые попадают в атмосферу и океан, зачастую превосходят допустимые пределы.
На первом месте среди веществ, загрязняющих среду и в особенности океан, находится нефть и продукты ее переработки. Это один из наиболее серьезных источников загрязнений поверхностных вод.
Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что первоочередной задачей, стоящей перед человечеством, является изучение и освоение Мирового океана, который занимает 70,8% земного шара.
С древнейших времен человек использует ресурсы океана, именно они обуславливают развитие современной океанологии - совокупности дисциплин, изучающих различные аспекты природы Мирового океана: физические, химические, биологические, геологические.
Поэтому объектом исследования будут являться дистанционные методы фиксации загрязнений водной поверхности.
Данная тема достаточно широко освещена в
специальных литературных источниках.
Вода - самое распространенное неорганическое соединение на нашей планете и является ценнейшим природным ресурсом. Большая часть воды сосредоточена в морях и океанах. А большая часть пресных вод (85%) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Возобновление пресных вод происходит в результате круговорота воды. Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.
И, поэтому, несомненно, очень важно сохранять имеющиеся водные ресурсы от загрязнений. Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения.
Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям.
Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод. Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах.
Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы:
Химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;
Радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;
Тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС;
Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающее качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов.
Реальную опасность экологическому равновесию в океане представляют следующие формы антропогенного воздействия: загрязнение акваторий; нарушение механизма воспроизводства морских организмов; отторжение берегового и акваториального пространства для хозяйственных целей.
Реки выносят в океан промышленные отходы, сточные воды, сельскохозяйственные удобрения. Водные пространства морей и океанов - конечные вместилища подавляющего большинства отходов. Морские воды загрязняются в результате захоронения различных отходов, удаления нечистот и мусора с кораблей, при исследовании дна морей и океанов и, особенно в результате различных аварий.
К числу наиболее вредных химических загрязнений относятся нефть и нефтепродукты. Ежегодно в океан попадает более 10 млн. т нефти. Загрязняют поверхность танкеры, содействует загрязнению и утечка нефти при подводном бурении. В период между 1973-1984 годами в США Институтом охраны окружающей среды и энергетики отмечено до 12000 случаев загрязнения вод нефтью. В период между 1970-1982 годами в мире зарегистрировано 169 крупных аварий танкеров и 17000 второстепенных случаев разлития нефти.
Обеспокоенность общественности нефтяным загрязнением обусловливается неуклонным ростом экономических потерь в рыболовстве, туризме и других сферах деятельности. Только 1 т нефти способна покрыть до 12 км2 поверхности моря, а нефтяная плёнка нарушает все физико-химические процессы: повышается температура поверхностного слоя воды, ухудшается газообмен, рыба уходит или погибает, но и осевшая на дно нефть долгое время вредит всему живому. Нарушается обмен океана с атмосферой, на поверхности же накапливается вещества-загрязнители.
В связи с этим в нашей стране и во всем мире все большее внимание уделяется защите водных бассейнов от поступления в них нефти и очистке акваторий от нефтяных загрязнений. Был принят закон о запрете сливания остатков нефтепродуктов и промывки танков нефтеналивных судов в портах и открытом море.
С проблемой очистки акваторий теснейшим образом связана проблема их обнаружения. Сейчас разработано несколько методов индикации нефтяных загрязнений на поверхности воды. Однако существующие методы недостаточно эффективны, так как не обеспечивают той оперативности, которая нужна при оценке степени загрязнения. Поэтому необходима разработка более совершенных способов обнаружения.
В работе Богородского и Кропоткина
«Дистанционное обнаружение нефтяных загрязнений вод ИК лазером» сделана попытка
обобщить накопленные сведения о методах оценки нефтяных загрязнений. И на
основе исследования оптических свойств нефтепродуктов и их пленок на воде в
инфракрасной (ИК) области спектра, предложить метод активной лазерной локации
нефтяных загрязнений.
Влияние нефтяных пленок на физические процессы,
происходящие в морях и океанах
Больше всего от нефтяных загрязнений страдают наиболее богатые в биологическом отношении прибрежные воды, где происходит накапливание нефтепродуктов вследствие приливов и ветрового нагона.
Физические свойства нефтепродуктов существенно
отличаются от свойств воды. Поверхностное натяжение нефтяной пленки в 3-4 раза
меньше поверхностного натяжения воды, поэтому нефтяная пленка воздействует на
процесс обмена энергией между различными типами волн. Коэффициент
теплопроводности нефтепродуктов в 3-6 раз, а теплоемкость в 1,5-2,5 раза
меньше, чем воды. Поэтому пленки нарушают теплообмен между атмосферой и водными
массами. Оптические свойства нефтепродуктов - отражательная и излучательная
способности - также отличаются от оптических свойств воды. А потому изменяется
доля поглощаемой и излучаемой водными массами энергии. Все это, в конечном
итоге, пагубно сказывается на условиях жизни в океане и на Земле.
Применяемые методы обнаружения нефтяных
загрязнений
Нефтяные загрязнения могут быть обнаружены как контактными, так и дистанционными методами. Однако их индикация связана с определенными трудностями.
Отражательная способность нефти в видимой области спектра близка к отражательной способности воды, поэтому визуально нефтяные загрязнения обнаружить трудно, в особенности с больших дистанций.
а) Контактные методы обнаружения. В настоящее время обнаружение нефтяных загрязнений производится контактными методами. К ним могут быть отнесены традиционные методы, основанные на отборе проб с их последующим физико-химическом анализе. Существенным недостатком методов обнаружения, основанных на отборе проб, является необходимость операции экстрагирования нефтепродуктов из проб воды, что требует большого времени. Оперативность контроля за состоянием нефтяных загрязнений вод может быть существенно увеличена путем внедрения в практику организаций, наблюдающих за состоянием загрязнений различных акваторий, дистанционных методов обнаружения.
Также, к контактным, можно отнести метод плавающего конденсатора. Метод основан на различии диэлектрической проницаемости нефтепродуктов и воды. Емкость такого конденсатора, образованная слоем воды и слоем нефтепродукта, зависит от толщины последнего. Таким методом можно обнаружить пленки нефти толщиной от 0,5 до 6, 5 см, т.е. сразу после разлива, и измерять их толщину с точностью до 0,25 см. Применение этого способа возможно только при отсутствии волнения.
б) Дистанционные методы обнаружения. При дистанционном зондировании должны решаться следующие задачи: обнаружение загрязнений, т.е. установление факта наличий загрязнений; картирование загрязнений, т.е. установление границ загрязненного участка и его площади; определение толщины пленки загрязнения; определение возраста нефтяной пленки; идентификация - определение сорта пролитого нефтепродукта. Результаты картирования и определения толщины пленки позволяют определить объем нефтепродукта, находящегося на поверхности воды, что необходимо для разработки стратегии борьбы с нефтяным разливом. Идентификация же позволяет с учетом возраста пленки определить возможный источник загрязнения.
. Фотографический метод. Максимальный контраст между нефтью и водой наблюдается в областях длин волн короче 0,4 мкм и длиннее 0,6 мкм, в диапазоне же 0,45-0,5 мкм контраст минимален. Поэтому для обнаружения нефтяных загрязнений обычно используется фотографирование в УФ или ИК лучах. Фотографирование в УФ лучах позволяет обнаружить сырую нефть и автотракторное масло. Для обнаружения дизельного топлива, бензина, керосина и других прозрачных нефтепродуктов этот способ непригоден. Не дает особых преимуществ по сравнению с панхроматической фотографией и фотографирование в ИК лучах.
. Также существует метод, основанный на регистрации бортовой самолетной аппаратурой прямого и рассеянного солнечного излучения, отраженного от поверхности воды. В качестве регистрирующего устройства используется спектрорадиометр или дифференциальный радиометр. При применении последнего регистрируется либо разница в интенсивности излучения в двух спектральных интервалах, либо разница в интенсивности излучения в двух спектральных интервалах, либо разница в интенсивности двух взаимно перпендикулярных составляющих отраженного излучения. Максимальный контраст был получен в области длин волн <0,4 и >0,6 мкм. Его недостаток - сильная зависимость от метеорологических условий: обнаружение загрязнений возможно лишь при сплошной облачности (при отсутствии прямого солнечного излучения), а также зависимость от угла возвышения Солнца над горизонтом.
. Метод, основанный на регистрации спектров флюоресценции. Основой является установленный на самолете импульсный азотный лазер, излучающий на длине волны 0,337 мкм (УФ часть спектра) и облучающий водную поверхность. Так же на самолете расположена спектральная аппаратура, регистрирующая спектры флюоресценции, возбуждаемые лазерным излучением. Спектры флюоресценции воды и нефтяных загрязнений различны, кроме того, различны и спектры различных нефтепродуктов. Может быть применении при благоприятных погодных условиях и, по-видимому, лишь в ночное время.
. При радиометрическом методе обнаружения используется различие в спектральных и интегральных излучательных способностях воды и нефтепродуктов. На длине волны 10 мкм (ИК область спектра) спектральный коэффициент излучения чистой воды равен 0,993, а воды, покрытой пленкой нефти - 0,972. В связи с этим радиационная температура нефтяного загрязнения примерно на 1К меньше, чем воды. Радиояркостный контраст загрязненных участков увеличивается при перемешивании воды с нефтью с 2-3 до 8-10 К в результате проникновения в нефтяную пленку мелких капель воды, повышающих эффективную диэлектрическую проницаемость слоя. Данный метод позволяют обнаружить пленки нефтепродуктов толщиной 10-20 мкм практически при любых погодных условиях. Существенное влияние оказывает волнение моря, т.к. при увеличении волнения увеличивается и микроволновое излучение водной поверхности в результате образования пены.
. Также возможно применение активной радиолокации в сантиметровом диапазоне. Особенность заключается в возможности обнаружения загрязнений на большой площади. Однако этот метод имеет худшее пространственное разрешение и обработка полученных результатов сопряжена с серьезными трудностями.
Ни один из описанных выше методов не получил в
настоящее время широкого распространения. Поэтому поиски новых, более
совершенных методов должны продолжаться.
Дистанционный лазерный метод обнаружения
нефтяных загрязнений вод
Теоретический анализ показывает возможность обнаружения нефтяных загрязнений вод океанов и морей методом лазерной локации. Однако для создания такого метода необходимы широкие исследования оптических свойств нефтепродуктов и воды, покрытой их пленками, в ИК области спектра.
Изучение отражательных свойств нефтепродуктов и воды, покрытой пленками нефтепродуктов, в ИК области спектра позволило окончательно установить, что индикация нефтяных загрязнений на поверхности воды может выполняться методом активной лазерной локации с использованием СО2-лазера, излучающего на длине волны 10,6 мкм. Излучение лазера, промодулированное с частотой 20 Гц механическим прерывателем М (вращающийся диск с 3 вырезами), проходит через отверстие в плоском зеркале и направляется им на исследуемую водную поверхность. Отраженное водой излучение зеркалами направляется вверх на сферическое зеркало, в фокусе которого расположен приемник - болометр БСГ-2. Сигнал болометра усиливается и регистрируется селективным усилителем У2-6 и самописцем переменного тока Н-338 или Н-327. Для контроля мощности, излучаемой лазером, используется дополнительный термоэлектрический приемник КП. Устройства испытывались в натуральных условиях на Балтийском море во время рейса НИС «Профессор Визе» в апреле-мае 1974 г. И во время плавания гидрофизического судна «Лаг» в районе Лиепаи в августе 1975г., на р.Неве летом 1975 и 1976г., на Волге и Байкале в июне и сентябре 1978г., на Черном море в районе Новороссийска летом 1979г. Таким образом испытания проводились в течение длительного времени, на различных акваториях, при различных гидрометеорологических условиях, с использованием различных носителей. Все это позволило собрать обширный статистический материал.
Рассматривается также влияние солености и температуры лоцируемой водной поверхности, наличия пены и волнения моря на результаты индикации нефтяных загрязнений предлагаемым методом.
Для изучения состава сложных смесей органических веществ, том числе нефтепродуктов, широко используются методы инфракрасной спектроскопии.
Гониометрические исследования отражательных свойств нефтепродуктов. В гониометрической установке источником служит глобар, нагретый до температуры 1300 К. Излучение глобара длиннофокусным сферическим зеркалом, перемещающимся по специальной дуге, направлялось на поверхность исследуемой жидкости. Изменяя положение сферического зеркала на дуге , можно было варьировать угол падения излучения на исследуемый объект. По той же дуге перемещался радиационный термоэлемент с круглой приемной площадкой диаметром 2 мм. В качестве регистрирующего прибора использовался электронный самописец ЭПП-09, гальванометр М-195/1 или микровольтметр Ф-116. Погрешность гониометрических измерений оценивалась с использованием известных методов статистики.