Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 3. С. 9-27

Дистанционные методы определения толщины плёнок нефти и нефтепродуктов на морской поверхности

А.А. Мольков 1 , И.А. Капустин 1, 2 , А.В. Ермошкин 1 , С.А. Ермаков 1, 2 
1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 18.04.2020
DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-3-9-27
Плёнки на взволнованной водной поверхности морей и океанов являются индикатором процессов, представляющих экологическую угрозу водным объектам и прибрежным районам. Среди них особое место занимают нефтяные разливы, регулярно происходящие при авариях на буровых станциях, авариях танкеров и перекачке топлива. Для количественной оценки возможного ущерба и определения мер по предотвращению катастрофы необходимо располагать информацией об объёме загрязнения, который обычно вычисляется из оценки площади и толщины поверхностной плёнки. Современные инструменты дистанционного зондирования водной поверхности, а точнее их комплекс, позволяют оперативно обнаруживать поверхностные загрязнители, вести их мониторинг и получать информацию о площади покрытия. Одновременно с этим оценивать толщину плёнок на морской поверхности с необходимой точностью на сегодняшний день не представляется возможным. В настоящем обзоре подробно рассмотрены возможности современных инструментов дистанционной диагностики толщины плёнок с указанием ограничений их применимости. Обзор включает пассивные и активные методы оптического и радиодиапазонов, акустические методы, а также их комбинации.
Ключевые слова: морская поверхность, волнение, слики, плёнки ПАВ, нефтяные загрязнения, толщина плёнки, визуальные оценки, ИК-изображение, УФ-изображение, лидарное зондирование, оптоакустика, оптико-акустические методы, радиометрия, радиолокационное зондирование
Полный текст

Список литературы:

  1. Ахманов С. А., Руденко О. В. Параметрический лазерный излучатель ультразвука // Журн. техн. физики. 1975. Т. 1. № 15. С. 725–728.
  2. Бирульчик В. П., Пелюшенко С. А., Советкин М. Ю., Чирков В. В., Шавин П. Б. Измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности. Патент РФ 2227897. Рег. 27.04.2004.
  3. Богородский В. В., Кропоткин М. А. Дистанционное обнаружение нефтяных загрязнений вод ИК-лазером. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 40 с.
  4. Гуревич И. Я., Шифрин К. С. Отражение видимого и ИК-излучения нефтяными пленками на море // Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Новосибирск: Наука, 1979. С. 166–176.
  5. Егерев С. В., Есипов И. Б., Лямшев Л. М., Наугольных К. А. Генерация звука длинными лазерными импульсами // Акуст. журн. 1979. Т. 25. № 2. С. 220–226.
  6. Ермаков С. А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн. Н. Новгород: ИПФ РАН, 2010. 165 с.
  7. Ермаков С. А., Сергиевская И. А., Зуйкова Э. М., Кияшко С. В., Щегольков Ю. Б. Об эффекте доплеровских сдвигов частоты радиолокационных сигналов в присутствии органических пленок на морской поверхности // Докл. Акад. наук. 2003. Т. 388. № 1. С. 109–112.
  8. Ермаков С. А., Сергиевская И. А., Гущин Л. А. Пленки на морской поверхности и их дистанционное зондирование // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2006. Т. 3. № 2. С. 86–98.
  9. Ермаков С. А., Сергиевская И. А., Гущин Л. А., Щегольков Ю. Б. Радиолокационное зондирование органических и нефтяных пленок на морской поверхности // Проявления глубинных процессов на морской поверхности. Н. Новгород: ИПФ РАН, 2007. C. 66–81.
  10. Ермаков С. А., Капустин И. А., Лазарева Т. Н., Сергиевская И. А., Андриянова Н. В. О возможностях радиолокационной диагностики зон эвтрофирования водоемов // Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. № 3. С. 336.
  11. Есипов И. Б. Излучение звука движущим со сверхзвуковой скоростью тепловым источником // Акуст. журн. 1977. Т. 23. № 1. С. 155.
  12. Карабутов А. А., Лапшин Е. А., Панасенко Г. П., Руденко О. В. Генерация мощных звуковых импульсов при лазерном нагреве поверхности // Вычислительные методы и программирование. М.: Изд во МГУ, 1979. Т. 31. С. 174–183.
  13. Лаврова О. Ю., Костяной А. Г., Лебедев С. А., Митягина М. И., Гинзбург А. И., Шеремет Н. А. Комплексный спутниковый мониторинг морей России. М.: ИКИ РАН, 2011. 470 с.
  14. Шифрин К. С., Осадчий В. Ю., Беляков Г. К., Гуревич И. Я., Пороховник В. А., Лимин А. А. Индикация нефтяных пленок на море с  помощью лидара на CO2 // 5-й Всесоюз. симп. по лазерному и акуст. зондированию атмосферы: тез. докл. 1978. Т. 1. С. 155–159.
  15. Aussel J. D., Monchalin J. P. Laser-ultrasonic measurement of oil thickness on water from aircraft, Feasibility Study: Industrial Materials Research Institute Report. 1989.
  16. Babichenko S. Laser remote sensing of the European marine environment: LIF technology and applications // Remote Sensing of the European Seas. Dordrecht: Springer, 2008. P. 189–204.
  17. Blume H. J. C., Huhnerfuss H., Alpers W. Variation of the microwave brightness temperature of sea surfaces covered with mineral and monomolecular oil films // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1983. No. 3. P. 295–300.
  18. Bonn Agreement: Aerial Surveillance Handbook. Expanded edition produced and renamed as the Aerial Operations Handbook. 2008. 65 p.
  19. Brown C. E. Laser fluorosensors // Oil spill science and technology. 2011. P. 171–184.
  20. Brown C. E., Fingas M. F. Development of airborne oil thickness measurements // Marine Pollution Bull. 2003. V. 47. No. 9–12. P. 485–492.
  21. Brown C. E., Fingas M. F., Goodman R. H., Choquet M., Blouin A., Drolet D., Monchalin J.-P., Hardwick C. D. The LURSOT sensor: providing absolute measurement of oil slick thickness // Proc. 4th Thematic Intern. Conf. Remote Sensing for Marine and Coastal Environments. V. 1. Ann Arbor, U. S.: Environmental Research Institute of Michigan, 1997. P. 393.
  22. Brown H. M., Baschuk J. J., Goodman R. H. Infrared sensing and the measurement of oil slick thickness // Arctic and Marine Oil Spill Program Technical Seminar. Canada: Ministry of supply and services, 1998. V. 2. P. 805–810.
  23. Byfield V. Optical remote sensing of oil in the marine environment: Doctoral Thesis. University of Southampton, 1998. 302 p.
  24. Cheemalapati S., Forth H. P., Wang H., Konnaiyan K. R., Morris J. M., Pyayt A. L. Measurement of thickness of highly inhomogeneous crude oil slicks // Applied Optics. 2017. V. 56. No. 11. P. E72–E76.
  25. Choquet M., Heon R., Vaudreuil G., Monchalin J.-P., Padioleau C., Goodman R. H. Remote thickness measurement of oil slicks on water by laser-ultrasonics // Intern. Oil Spill Conf. American Petroleum Institute. 1993. V. 1993. No. 1. P. 531–536.
  26. Clark R. N., Swayze G. A., Leifer I., Livo K. E., Lundeem S. A., Eastwood M., Green R. O., Kokaly R., Hoefen T., Sarture Ch., McCubbin I., Roberts D., Steele D., Ryan T., Dominguez R., Pearson N. A Method for Qualitative Mapping of Thick Oil Using Imaging Spectroscopy: U. S. Geological Survey. Reston, Virginia, 2010. 54 p.
  27. Davies L., Lunel T., Boxall S., Shimwell S., Byfield V., Gommenginger C., Gurney C. Review of Sea Empress aerial/satellite images and optimization of procedures and interpretation: Report for the Sea Empress Environmental Evaluation Committee (SEEEC). AEA Technology Limited. AEAT-1476. October, 1997. 52 p.
  28. Ermoshkin A. V., Molkov A. A., Kapustin I. A. Statistical characteristics of Doppler velocity shift in artificial slick on sea surface // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions: Proc. SPIE. 2019. V. 11150. P. 111501L.
  29. Estes J. E., Senger L. W. The multispectral concept as applied to marine oil spills // Remote Sensing of Environment. 1971. V. 2. P. 141–163.
  30. Fingas M. How to measure slick thickness (or not) // Proc. 35th Arctic and Marine Oil Spill Program Technical Seminar. 2012. P. 617–652.
  31. Fingas M. The challenges of remotely measuring oil slick thickness // Remote Sensing. 2018. V. 10. No. 2. P. 319.
  32. Foudan M. F. S. Hyperspectral remote sensing: a new approach for oil spill detection and analysis: Doctoral Thesis. U. S.: George Mason University, 2003. 154 p.
  33. Goodman R. H. Simple remote sensing system for the detection of oil on water. Environmental Studies Research Funds. Report No. 098. Calgary, Alberta, Canada: Esso Resources Canada Ltd, Research Department, 1988. 39 p.
  34. Goodman R. H. Application of the technology in North America // The remote sensing of oil slicks / ed. Lodge A. E. Chichester, UK: John Wiley and Sons, 1989. P. 39–65.
  35. Grüner K., Reuter R., Smid H. A new sensor system for airborne measurements of maritime pollution and of hydrographic parameters // GeoJournal. 1991. V. 24. No. 1. P. 103–117.
  36. Hammoud F. N., Faour G., Ayad H., Jomaah J. Bayesian statistics of wide-band radar reflections for oil spill detection on rough ocean surface // J. Marine Science and Engineering. 2019. V. 7. No. 12.
  37. Hoge F. E., Swift R. N. Oil film thickness measurement using airborne laser-induced water Raman backscatter // Applied Optics. 1980. V. 19. No. 19. P. 3269–3281.
  38. Hollinger J. P., Mennella R. A. Oil spills: Measurements of their distributions and volumes by multifrequency microwave radiometry // Science. 1973. V. 181. No. 4094. P. 54–56.
  39. Hornstein B. A. The Appearance and Visibility of Thin Oil Films on Water / Edison Water Quality Research Lab.; Invironmental Protection Technology Agency. Technology Series Report EPA-R2-72-039. Cincinnati, OH, 1972. 95 p.
  40. Hua U. Remote sensing of oil spills in thermal infrared-Contour line effect // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. 1991. V. 3. P. 1315–1317.
  41. Hurford N. Review of remote sensing technology // The Remote Sensing of Oil Slicks: Proc. Intern. Meeting. L.: Institute of Petroleum, 1989. P. 7–16.
  42. Jenkins A. D., Jacobs S. J. Wave damping by a thin layer of viscous fluid // Physics of Fluids. 1997. V. 9. No. 5. P. 1256–1264.
  43. Jha M. N., Levy J., Gao Y. Advances in remote sensing for oil spill disaster management: state-of-the-art sensors technology for oil spill surveillance // Sensors. 2008. V. 8. No. 1. P. 236–255.
  44. Karpicz R., Dementjev A., Kuprionis Z., Pakalnis S., Westphal R., Reuter R., Gulbinas V. Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation // Applied Optics. 2006. V. 45. No. 25. P. 6620–6625.
  45. Kordyban E., Cuker S. Instrumentation to measure the oil thickness on wavy water surface // Review of Scientific Instruments. 1978. V. 49. No. 11. P. 1574–1578.
  46. Leifer I., Lehr W. J., Simecek-Beatty D., Bradley E., Clark R., Dennison P., Wozencraft J. State of the art satellite and airborne marine oil spill remote sensing: Application to the BP Deepwater Horizon oil spill // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 124. P. 185–209.
  47. Lennon M., Babichenko S., Thomas N., Mariette V., Mercier G., Lisin A. Detection and mapping of oil slicks in the sea by combined use of hyperspectral imagery and laser induced fluorescence // EARSeL eProceedings. 2006. V. 5. No. 1. P. 120–128.
  48. Levin I. M. Spectral contrast of oil films on the sea surface: influence of water type, wind velocity, and solar altitude // Ocean Optics XII: Proc. SPIE. V. 2258. 1994. P. 759–769.
  49. Li X. L., Zhao C. F., Qi M. J., Ma Y. J., Li Z. G., Liu Z. S. The experiment of multi-channel oceanographic laser remote sensing of oil spills system at high platform // Periodical of Ocean University of China. 2010. V. 40. No. 8. P. 145–150.
  50. Li Y., Qi X., Wang H. Experimental Study on Thickness Measuring Method of Oil-on-Water Using Laser-Ultrasonic Technique // Nanotechnology and Precision Engineering. 2017. V. 15. P. 159–167.
  51. Linde B., Pogorzelski S., Sliwinski A. The effect of thickness of crude oil layers on the attenuation of the surface capillary wave // Oceanologia. 1986. V. 24. P. 41–46.
  52. Manual on Disposal of Refinery Wastes. Volume on Liquid Wastes. Washington, D. C.: American Petroleum Institute, 1969.
  53. Massaro A., Lay-Ekuakille A., Caratelli D., Palamara I., Morabito F. C. Optical performance evaluation of oil spill detection methods: Thickness and extent // IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 2012. V. 61. No. 12. P. 3332–3339.
  54. Migliaccio M., Nunziataa F., Buonoa A. SAR polarimetry for sea oil slick observation // Intern. J. Remote Sensing. 2015. V. 36. No. 12. С. 3243–3273.
  55. Millard J. P., Arvesen J. C. Polarization: A Key to an Airborne Optical System for the Detection of Oil on Water // Science. 1973. V. 180. No. 4091. P. 1170–1171.
  56. Molkov A. A., Kapustin I. A., Ermakov S. A., Lazareva T. N., Leshchev G. V., Sergievskaya I. A. (2019a) An effect of sound generation due to surfactant films on the water surface illuminated by intensive IR radiation // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions: Proc. SPIE. 2019. V. 11150. P. 111501K.
  57. Molkov A. A., Leshchev G. V., Lazareva T. N., Kapustin I. A. (2019b) Fluorescence of organic films various origin and thickness to develop a method of their remote sensing on the sea surface: laboratory studies // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions: Proc. SPIE. 2019. V. 11150. P. 111501O.
  58. Monchalin J. P. Optical detection of ultrasound // IEEE Trans. Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control. 1986. V. 33. P. 485–499.
  59. O’Neil R. A., Neville R. A., Thompson V. The Arctic and marine oil spill program (AMOP) Remote Sensing Study. Report EPS 4-EC-83-3. Ottawa, Ontario, 1983. 257 p.
  60. Open Water Oil Identification Job Aid for Aerial Observation. With Standardized Oil Slick Appearance and Structure Nomenclature and Codes. Version 2. Washington, D. C.: National Oceanic and Atmospheric Administration, 2012. 54 p.
  61. Pelyushenko S. A. Microwave radiometer system for the detection of oil slicks // Spill Science and Technology Bull. 1995. V. 2. No. 4. P. 249–254.
  62. Pinel N., Monnier G., Sergievskaya I., Bourlier C. Simulation of infrared emissivity and reflectivity of oil films on sea surfaces // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions: Proc. SPIE. 2015. V. 9638. P. 963806.
  63. Piskozub J., Drozdowska V., Varlamov V. A Lidar system for remote measurement of oil film thickness on sea surface // Environments. 1997. V. 17. P. 19.
  64. Salisbury J. W., D’Aria D. M., Sabins F. F. Thermal infrared remote sensing of crude oil slicks // Remote Sensing of Environment. 1993. V. 45. No. 2. P. 225–231.
  65. Scott J. C., Thomas N. H. Sea surface slicks-surface chemistry and hydrodynamics in radar remote sensing // Wind-Over-Wave Couplings. Perspectives and Prospects / eds. S. G. Sajjadi, N. H. Thomas, J. C. R. Hunt. Oxford: Clarendon Press, 1999. V. 69. P. 221–229.
  66. Sergievskaya I., Ermakov S., Lazareva T., Guo J. Damping of surface waves due to crude oil/oil emulsion films on water // Marine Pollution Bull. 2019. V. 146. P. 206–214.
  67. Shi Z., Yu L., Cao D., Wu Q., Yu X., Lin G. Airborne ultraviolet imaging system for oil slick surveillance: oil-seawater contrast, imaging concept, signal-to-noise ratio, optical design, and optomechanical model // Applied Optics. 2015. V. 54. No. 25. P. 7648–7655.
  68. Shih W. C., Andrews A. B. Modeling of thickness dependent infrared radiance contrast of native and crude oil covered water surfaces // Optics Express. 2008. V. 16. No. 14. P. 10535–10542.
  69. Skrunes S., Brekke C., Eltoft T. Oil spill characterization with multi-polarization C-and X-band SAR // IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. 2012. P. 5117–5120.
  70. Stewart S., Spellicy R., Polcyn F. Analysis of Multispectral Data of the Santa Barbara Oil Slick. Final Report. Willow Run Laboratories University of Michigan. Contract No. USCG 14-08-0001-12082. 1970. 57 p.
  71. Stroop D. V. Behaviour of Fuel Oil on the Surface of the Sea // Report on Oil-Pollution Experiments. U. S. House of Representatives Committee on River and Harbors. 71st Congress. 2nd Session. Washington, D. C., 1930. P. 41–49.
  72. Subochev P., Belyaev R., Prudnikov M., Vorobyev V., Turchin I., Bugrov A., Pyanova A., Ermoshkin A., Kapustin I., Molkov A. Underwater optoacoustic detection and characterization of oil films: laboratory study // 20th Intern. Conf. Photoacoustic and Photothermal Phenomena: Book of Abstracts. 2019. BP 026. P. 279.
  73. Sun Z., Zhao Y., Yan G., Li S. Study on the hyperspectral polarized reflection characteristics of oil slicks on sea surfaces // Chinese Science Bull. 2011. V. 56. No. 15. P. 1596–1602.
  74. Thomas D. P. Measurements of oil slick thickness using multi-spectral radiometry // IEE Colloq. (Digest). 1983. V. 8. P. 1–12.
  75. Utkin A., Lavrov A., Vilar R. Evaluation of water pollution by LIF LIDAR // Proc. 31st EARSeL Symp. 2011. V. A2589. p. 28.
  76. Wang Y., Sheng L., Li K., Zhao N., Zhao Y. Measurement of light polarization characteristics from an oil-polluted soil surface in near-infrared bands // Chinese Science Bull. 2009. V. 54. No. 9. P. 1607–1612.
  77. Wezernak C. T., Polcyn F. C. Technological Assessment of Remote Sensing Systems for Water Pollution Control / Institute of Science and Technology; University of Michigan; Environmental Protection Agency. Contract No. 16020-FOY. 1971. P. 4-13–4-14.
  78. Wright D. E., Wright J. A. Evaluation of an infrared oil film monitor: US Coast Guard Report CG-D-51-74 / Department of Transportation. Washington, D. C., 1973.
  79. Yin D. Y., Feng X., Zhang Y., Li X. Y., Huang X. X., Liu B. L., Feng Q. Research of new-style ultraviolet push-broom imaging technology // Advances in Imaging Detectors and Applications: Intern. Symp. Photoelectronic Detection and Imaging: Proc. SPIE. 2009. V. 7384. P. 738403.
  80. Zhao Y. S., Wu T. X., Luo Y. J., Zhao L. L., Zhou Q. C. Research on quantitative relation between polarized bidirectional reflectance and bidirectional reflectance of water-surface oil spill // J. Remote Sensing. 2006. V. 10. No. 3. P. 294–298 (in Chinese).
  81. Zholkovskij E. K., Kovalchuk V. I., Fainerman V. B., Loglio G., Krägel J., Miller R., Zholob S. A., Dukhin S. S. Resonance Behavior of Oscillating Bubbles // J. Colloid and Interface Science. 2000. V. 224. No. 1. P. 47–55.
  82. Zwick H. H., Neville R. A., O’Neil R. A. A recommended sensor package for the detection and tracking of oil spills // Proc. EARSeL-ESA Symp. ESA SP-167. 1981. P. 77–88.