CC BY
231
Вестник ДВО РАН. 2012. № 6
УДК 528.8;504.05
В. А. ДУБИНА, И.О. КАТИН
Нефтяное загрязнение Дальневосточного морского заповедника по спутниковым данным и натурным наблюдениям
Анализ спутниковых изображений зал. Петра Великого с 1991 г. по настоящее время свидетельствует о регулярном сбросе нефтесодержащих вод с судов на основных судоходных трассах, расположенных в непосредственной близости от границ Дальневосточного морского биосферного государственного природного заповедника ДВО РАН (ДВМБГПЗ). При неблагоприятных ветрах нефтяные слики сносит на акватории восточного и южного участков охраняемой территории. Наибольшую экологическую опасность сбросы нефтесодержащих вод представляют в холодное время года при наличии ледяного покрова. Анализ спутниковых изображений ледяного покрова зал. Петра Великого в марте 2009 г. подтверждает гипотезу о том, что залповое загрязнение акватории и берегов архипелага Римского-Корсакова происходит при таянии плавучего льда, который образуется при разрушении припая у юго-западного побережья п-ова Муравьев-Амурский.
Ключевые слова: спутниковый мониторинг, зал. Петра Великого, морские охраняемые территории, нефтяное загрязнение, лед.
Oil pollution of the Far Eastern Marine Reserve: satellite data and field studies. V.A. DUBINA (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), I.O. KATIN (Far Eastern Marine Biosphere State Nature Reserve, FEB RAS, Vladivostok).
Analysis of satellite images of the Peter the Great Bay since 1991 indicate regular discharge of oil-contaminated waters from ships on main shipping routes near the Far Eastern Marine Biosphere State Natural Reserve of FEB RAS. Unfavorable winds move oil slicks into the Eastern and Southern areas of the natural reserve. The most ecological danger of the illegal ship oil-contaminated water constitute in cold season at presence of the ice cover. The analysis of the satellite images of the Peter the Great Bay ice cover obtained in March 2009 confi rms the hypothesis that the wide-scale oil pollution of the water and coast of the Rimsko-Korsakov Archipelago occurs at melting of floating ice resulted from destruction of the share ice near the southwest coast of the Muraviev-Amurskiy Peniusula.
Key words: satellite monitoring, Peter the Great Bay, marine conservations areas, oil pollution, ice.
Одним из самых пагубных антропогенных воздействий на природу является нефтяное загрязнение. Нефть в море находится в растворенном виде, в виде эмульсии, агрегатов (нефтяных комочков) и пленок. Наиболее экологически опасная миграционная форма нефти - нефтяная пленка (слик). А самым уязвимым при такой форме нефтяного загрязнения элементом экосистем является морская орнитофауна [8]. Загрязнение нефтью оперения морских птиц приводит к переохлаждению, снижению плавучести, способности летать и часто заканчивается их гибелью. Тяжесть последствий нефтяных разливов для популяций морских птиц определяется главным образом не количеством нефти, а ее типом, местом и временем разлива [8]. Наибольшие потери происходят в прибрежных
* ДУБИНА Вячеслав Анатольевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток), КАТИН Игорь Олегович - кандидат биологических наук, старший государственный инспектор (Дальневосточный морской биосферный государственный природный заповедник ДВО РАН, Владивосток). *Е-шаП: [email protected]
Работа выполнена при поддержке грантов ДВО РАН № 12-1-0-06-028 и 12-111-А-07-032, а также грантов РФФИ № 11-05-12047-офи-м-2011, 11-05-98610-р_восток_а.
районах в местах массового скопления птиц в сезоны их размножения или массовой миграции. При прочих равных условиях чем ниже температуры воды и воздуха, тем выше риск летальных исходов для птиц [8].
Основные антропогенные источники поступления нефти в море - судоходство и сток с городских и промышленных территорий [1, 7, 8]. С момента учреждения в 1978 г. и по настоящее время в Дальневосточном морском биосферном государственном природном заповеднике (ДВМБГПЗ) периодически наблюдаются следы нефтепродуктов - на берегах, на водоплавающих птицах и морских млекопитающих.
ДВМБГПЗ включает акваторию зал. Петра Великого, где находятся 6 морских портов, его географическое местоположение предопределяет значительное негативное воздействие хозяйственной деятельности, связанной прежде всего с эксплуатацией гражданского и военного флота, на прибрежные экосистемы. Если в портах нефтяное загрязнение как-то контролируется и регулируется, то сбросы нефтесодержащих вод с проходящих в заливе судов никак не регистрируются и не отслеживаются с 1991 г., когда из-за отсутствия финансирования было прекращено авиапатрулирование российской части шельфа Японского моря [3]. В отсутствие системы авиационного контроля главным источником сведений о нефтяном загрязнении с судов являются радиолокационные станции с синтезированной апертурой (РСА) спутникового базирования, которые позволяют наблюдать за морской поверхностью в любое время суток и независимо от облачности [4]. Нефтяные пленки гасят мелкомасштабные ветровые волны и тем самым изменяют отражательные и рассеивающие свойства морской поверхности, благодаря чему становятся видны на спутниковых снимках, полученных с помощью РСА и сенсоров, работающих в видимом диапазоне электромагнитного спектра. На видимых изображениях нефтяные пятна выглядят либо темнее, либо светлее окружающего фона, в зависимости от положения солнца относительно линии визирования. На РСА-изображениях слики всегда темнее фона. В рамках нескольких международных программ и проектов Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН с 2004 г. проводит исследование нефтяного загрязнения Японского моря на основе анализа спутниковых данных. Результаты исследования доступны через международный сервис программы UNEP - тематический Интернет-ресурс «Oil spill monitoring by remote sensing» (http://cearac.poi.dvo.ru/en/main/about/). На нем размещены изображения, зарегистрировавшие нефтяные загрязнения, и тематические подборки чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефти в море. Сервис используется специалистами Японии, Китая, Кореи и России для мониторинга нефтяного загрязнения в регионе NOWPAP, большую часть которого составляет Японское море.
Более всего загрязнена западная часть Японского моря, а максимально - северо-западная, включая зал. Петра Великого [2-4, 6]. На спутниковых изображениях постоянно регистрируются нефтяные разливы на основных судоходных трассах, расположенных в нескольких километрах от границ восточного и южного участков морского заповедника. Наибольшие зарегистрированные нефтяные пятна достигают по площади 25-30 км2, а по длине 100 км [2-6]. При неблагоприятных ветрах нефтяные слики ветром сносит на акватории заповедника. Скорость перемещения нефтяных пятен составляет примерно 60% от скорости течений и 3% от скорости ветра [1]. Поэтому, например, при разливе нефтепродуктов на судоходной трассе в 9 км к востоку от о-ва Большой Пелис нефтяное пятно с восточным ветром 6 м/с переместится к берегу острова через 13-15 ч. На рис. 1 показана динамика нефтяного загрязнения на примере двух пар РСА-изображений восточного участка ДВМБГПЗ, принятых с разницей ~ 12 ч в мае 2004 и августе 2007 г. Уверенную регистрацию нефтяного загрязнения на спутниковых изображениях затрудняют пленки поверхностно-активных веществ (ПАВ) природного происхождения. ПАВ на поверхности моря наблюдаются при ветрах 1-5 м/с. При скоростях ветра >5 м/с пленки ПАВ разрушаются, а нефтяные, в зависимости от толщины, могут сохраняться даже при скоростях 10-15 м/с. Яркость радиолокационного изображения (удельная эффективная площадь
И1"1 от:
131°2(У1!
131°яо'к
131°4Й
131°10Е
«ЗГ201':
131°30Е
13 гш»:
131°40Т£
шюи
Ш°20Щ
13Г-30К
13Г40Е 13И0Е
131°20'Е
131301:
1Л1чок
Рис. 1. Нефтяное загрязнение, зарегистрированное в восточном участке ДВМБГПЗ радиолокационными съемками со спутника Бпу1§а1 с интервалом ~ 12 ч.: а и б - 12 мая 2004 г. в 13:05 Гр. и 13 мая 2004 г в 01:16 Гр.; в и г - 15 августа 2007 г в 13:05 Гр. и 16 августа 2007 в 01:16 Гр.
а - в 7-8 км к юго-востоку от о-ва Большой Пелис на фоне пленок поверхностно-активных веществ природного происхождения выделяется нефтяное пятно, в длину превышающее 30 км, а по площади - 10 км2. На изображениях видно, как сброшенные с проходящих мимо морского заповедника судов нефтесодержащие воды в мае 2004 г. вначале снесло к берегу острова, затем северо-западным ветром вынесло из заповедника (а, б), а в августе 2007 г. юго-восточными ветрами за 12 ч переместило через охраняемую территорию (в, г)
рассеяния, УЭПР) зависит в первую очередь от скорости приводного ветра. Разработаны специальные геофизические функции, которые позволяют по значениям УЭПР восстанавливать модуль скорости приводного ветра. Так, на рисунках 1а, б, г рассчитанный с использованием модели СМОБ5 ветер превышал 5 м/с, поэтому отмеченные на этих рисунках темные участки надежно идентифицируются как нефтяное загрязнение.
Толщину нефтяной пленки по спутниковым измерениям в большинстве случаев установить невозможно. При мониторинге нефтяного загрязнения с самолетов и вертолетов ее можно определить с помощью микроволновых и инфракрасных радиометров. Но на практике в большинстве стран используют в основном визуальный анализ цвета и формы нефтяного пятна. Существуют специальные кодовые таблицы, по которым определенному внешнему виду нефтяной пленки соответствует ее толщина (или масса, объем и т.п.). В разных странах эти таблицы немного различаются, но в их основе лежат несколько базовых значений, полученных экспериментальным путем и проверенных на практике [11]:
1. Согласно конвенции МАРПОЛ допустимое содержание нефти в смеси, которая может быть сброшена в море, составляет 15 частей на миллион (15 мг/л). При такой концентрации и меньше слик на поверхности моря не образуется.
2. Пленка на водной поверхности становится различима при толщине 0,04 мкм. Если толщина пленки близка к длинам электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра (0,4-0,74 мкм), то нефтяной слик имеет радужную окраску. Эффект радуги наблюдается и в более широком диапазоне толщин, но полностью исчезает при толщине пленки > 5 мкм.
3. При толщине пленки более 50 мкм слик имеет цвет нефти, только при толщине до 200 мкм цвет пятна неоднородный, а более 200 мкм - равномерно окрашенный.
По данным морских экспедиций и авианаблюдений в Японском море, большая часть нефтяных пленок, связанных с эксплуатационным загрязнением с судов, в открытых районах имеет толщину в пределах 0,04-0,3 мкм. Возле берегов и в присутствии льда толщина сликов увеличивается. Минимальная толщина пленки, при которой происходит поражение водоплавающих птиц, зависит от множества факторов (тип нефти, погодные условия, вид птиц и др.) и оценивается в 10-25 мкм, хотя известны случаи гибели птиц при толщине около 0,8 мкм [8].
Максимальное время существования нефтяных сликов в Японском море, по спутниковым данным, составляет 12-13 ч. В теплое время года на спутниковых изображениях, принятых через сутки после регистрации нефтяного загрязнения, пятно либо отсутствует, либо район загрязнения закрыт облаками. В результате испарения, диспергирования и эмульгирования концентрация нефти, попавшей в морскую среду, в течение первых суток быстро уменьшается. На рис. 2 показаны результаты моделирования поведения мгновенно разлитой метрической тонны сахалинской нефти по модели ЛЭЮ82 (Шр://ге$роше. restoration.noaa.gov) при различных параметрах среды. Через сутки при температуре воды 15°С и скорости ветра 6 м/с в результате испарения и диспергирования от первоначального объема нефти остается 43%. Дальнейшее изменение свойств нефти протекает в течение длительного времени под воздействием различных физико-химических и биологических процессов. При низких температурах все эти процессы замедляются (рис. 2), а во льду, в условиях низких температур и ограниченного притока солнечной радиации и кислорода, бактериальный и фотохимический распад углеводородов почти прекращается. По результатам полевых экспериментов, в битом льду испарение нефти уменьшается примерно в 1,5 раза, а эмульгирование почти полностью подавляется [8].
При контакте битого льда со сликами нефть концентрируется в воде между льдин и сорбируется на их нижней поверхности. Лабораторные опыты показывают, что поглощение нефти гладким льдом, полученным в морозильной камере, достигает 15-18% [7]. Сорбци-онная же способность природного морского льда, особенно весеннего однолетнего, значительно выше лабораторного. Если нефтяной разлив попадет в поле дрейфующего льда, нефть может долгое время перемещаться со льдом без «выветривания». В зал. Петра Великого лед наблюдается с ноября по апрель. Основной припай формируется в
\
\
т= о°с, V ■°С,А¥=бм/с м/с 1'=1 м/с
Г,= 15°С, \¥=
1 1
24 48 72 96 Время, ч
Рис. 2. Уменьшение объема сахалинской нефти (в % от исходного) за счет испарения и диспергирования при разных температурах воды Т и скорости ветра рассчитанное по модели ЛБЮ82 '
северной половине Амурского залива, бухтах Экспедиции, Новгородская и в небольших вторичных заливах и бухтах. В стадии максимального развития ледяного покрова большую часть акватории занимает плавучий лед, состоящий в основном из начальных видов (ледяное сало, снежура и др.) и ниласа (лед толщиной менее 10 см). Более толстый дрейфующий лед образуется при разрушении припая в южной части Амурского и в небольших бухтах и заливах восточного побережья Уссурийского залива. Образование припая, его разрушение и вынос в открытую часть зал. Петра Великого могут происходить с периодичностью 3-5 сут. В штилевую погоду и при южных ветрах фрагменты разрушенного припая перемещаются по заливу несколько дней в виде массивов сжатого мелкобитого и тертого льда площадями десятки квадратных километров. Подобная ситуация наблюдалась в конце февраля - начале марта 2012 г. Устойчивые северные ветры 27 февраля сменились слабыми неустойчивыми, затем двое суток наблюдались южные, а 1 марта опять задул слабый северный. Направления дрейфа льда в зал. Петра Великого при ветрах менее 3 м/с определяются течениями в заливе, а скорость его составляет 0,1-0,2 м/с. Плавучий лед служит трассерами поверхностных течений, в поле которых наблюдаются различные вихревые образования, чаще всего спиральные циклоны.
На изображении, принятом 28 февраля со спутника ЬаМ8а!-7, был отмечен нефтяной разлив среди плавучего льда с восточной стороны о-ва Стенина. По просьбе авторов статьи инженерно-технологическим центром СканЭкс была организована высокоточная съемка со спутника БК08-Б. Первая запланированная и выполненная в научных целях спутниковая съемка сверхвысокого разрешения (лучше 1 м) зал. Петра Великого зарегистрировала нефтяное загрязнение на акватории морского заповедника (http://www.scanex.ru/ru/news/ News_Preview.asp?id=n70200122). Пятно площадью примерно 0,1 км2 наблюдалось 2 марта 2012 г. у восточного берега о-ва Большой Пелис в поле дрейфующего битого льда. По визуальному описанию нефтяного разлива, выполненному с борта моторной лодки, толщина пятна была не менее 5 мкм (так как отсутствовала радужная окраска, которая исчезает при толщине пленки > 5 мкм). С высокой степенью вероятности можно заключить, что зарегистрированное по спутниковым и натурным наблюдениям нефтяное пятно просуществовало в битом льду в условиях низких температур не менее 3 сут.
Если нефть взаимодействует с ледяным покровом в процессе его формирования, лед проявляет «эффект промокашки», активно захватывая нефтепродукты с поверхности моря, он способен аккумулировать нефтяные углеводороды в количестве, эквивалентном 25% собственной массы [7]. Нефть собирается подо льдом, в его неровностях, трещинах и пустотах, выдавливается на поверхность льда и поглощается снегом (рис. 3). Для отрыва нефти от нижней поверхности льда требуется скорость течений более 0,2-0,3 м/с [8], а измеренные скорости течений под припаем в Амурском заливе не превышают 0,1 м/с [9].
ВОДА
Рис. 3. Процессы, происходящие при взаимодействии нефти с ледяным покровом (схема составлена на основе
[7, 8, 10])
ВОЗДУХ
Просачивание Поглощение
Выдавливание Осевшие капли Перенос под лёд нефти и газа стечениями
Нефть удерживается подо льдом и инкапсулируется в толщу в процессе его намерзания, а с началом весеннего таяния поднимается по солевым каналам к поверхности. В арктических условиях лед способен аккумулировать и перемещать с дрейфом до 1 млн баррелей нефти на одну квадратную милю ледяного покрова [8].
В зал. Петра Великого местом максимально возможного накопления нефти во льду является участок припая у восточного берега Амурского залива между мысами Токарев-ского и Фирсова. В этом районе присутствуют практически все источники поступления нефти в морскую среду: городской и речной сток, нелегальные сбросы с судов, аварийные ситуации при загрузке топливом на нефтебазе и пр. Припай здесь начинает формироваться одновременно с основным припаем в северной части Амурского залива, но из-за стока Первой и Второй речек толщина льда вдоль юго-западного берега п-ова Муравьев-Амурский, как правило, несколько выше, чем в центральной части Амурского залива.
На изображениях, полученных в видимом диапазоне тематическими картографами со спутников Landsat (http://glovis.usgs.gov/), цвет разрушающегося припая Амурского залива в районе между мысами Фирсова и Бурный резко отличается от остального ледяного покрова (например, 23 марта 2003 г.). Изменение цвета льда в этом месте может быть обусловлено рядом причин, в том числе повышенным содержанием нефтяных углеводородов. Площадь «грязного» льда составляет примерно 10 км2, что при толщине 0,5 м соответствует объему 5 х 106 м3. Согласно оценкам, приведенным выше [7], такой массив льда способен в течение зимы аккумулировать около миллиона тонн нефти.
Во льду, как сказано выше, процессы «выветривания» нефти почти прекращаются, поэтому весной, при быстром таянии льда, происходит высвобождение экологически более опасной нефти.
По многолетним натурным наблюдениям, залповый выброс нефтяного загрязнения на акваторию восточного участка морского заповедника (архипелаг Римского-Корсакова) происходит весной и совпадает по времени с разрушением основного припая в Амурском заливе. От нефтепродуктов страдают водоплавающие птицы и тюлени ларга (Phoca largha). Если взрослые тюлени могут контактировать с нефтью за пределами морского заповедника, например вблизи порта Владивосток, то новорожденные детеныши загрязняются только на лежбищах. Ларга в зал. Петра Великого рождает и выкармливает детенышей исключительно на островных лежбищах архипелага Римского-Корсакова. Отмечены случаи, когда детенышей ларги, загрязненных нефтепродуктами, самки переставали кормить, и они умирали.
Для проверки гипотезы о массированном загрязнении акватории морского заповедника нефтепродуктами, аккумулированными припаем у юго-западного побережья п-ова Муравьев-Амурский, проанализированы изображения, полученные в 2002-2012 гг. спектрорадиометрами MODIS, установленными на спутниках Terra и Aqua (http://lance-modis.eosdis.nasa.gov/imagery/subsets/?subset=FAS_China2). В указанный период залповое загрязнение акватории восточного участка морского заповедника наблюдалось в марте 2004, 2007-2009 гг. Анализу ледовой обстановки в зал. Петра Великого по спутниковым данным в начале весны, как правило, препятствует облачность. Адвекцию льда из района максимально возможного накопления нефтепродуктов до островов архипелага Римского-Корсакова удалось зафиксировать в конце марта 2009 г. Основной припай в Амурском заливе, расположенный севернее линии, соединяющей п-ов Песчаный и мыс Фирсова, а также в узкой полосе от этого мыса до о-ва Попова, начал разрушаться 14 марта северным ветром, имевшим среднесуточную скорость 11 м/с. Двое следующих суток наблюдались слабые ветры переменных направлений, поэтому плавучий лед находился у кромки оставшегося припая, а 17 и 18 марта был прижат к нему южными ветрами. В ночь с 18 на 19 марта задул устойчивый северный ветер со средней скоростью 13 м/с, который сохранялся в течение суток и 20 марта ослабел до 5 м/с. Площадь припая 14 марта составляла 349 км2, а 20-го - 269 км2. На изображении за 20 марта
между островами Антипенко и Стенина наблюдается плавучий лед площадью 18 км2. На момент спутниковой съемки лед продрейфовал примерно 50 км за 36 ч. Скорость дрейфа, посчитанная по трем спутниковым измерениям, составляла 0,4 м/с (01:45-03:30 Гр.) и 0,3 м/с (03:30-05:05 Гр.). Высвобождение аккумулированных нефтепродуктов при таянии льда, зарегистрированного 20 марта на спутниковых изображениях, вероятнее всего, явилось причиной массового загрязнения водоплавающих птиц и морских млекопитающих на восточном участке ДВМБГПЗ в последней декаде марта 2009 г.
К счастью, до настоящего времени зарегистрированное в морском заповеднике нефтяное загрязнение не носило катастрофического характера. В связи со строительством на побережье зал. Петра Великого объектов нефтегазового комплекса и при отсутствии системы контроля несанкционированных разливов с проходящих судов риски нефтяного загрязнения многократно возрастают. Чтобы оценить степень потенциальной экологической опасности нефтяного загрязнения при наличии ледяного покрова, достаточно представить, что льдина размером 2 х 2,5 м и толщиной 20 см способна переносить в себе 200 л нефтепродуктов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Герлах С.А. Загрязнение морей. Диагноз и терапия. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 263 с.
2. Дубина В.А., Митник Л.М. Мониторинг нефтяного загрязнения дальневосточных морей спутниковыми радиолокационными станциями с синтезированной апертурой // Эколого-географические аспекты развития нефтегазового комплекса на Дальнем Востоке России / под ред. П.Я. Бакланова. Владивосток: Дальнаука, 2007. С. 113-124.
3. Дубина В.А., Митник Л.М., Катин И.О., Мельников А.А. Нефтяное загрязнение Японского моря судами: состояние и перспективы спутникового мониторинга // Материалы IV Междунар. экол. форума «Природа без границ», Владивосток, 6-8 окт. 2009 г. Владивосток: Рея, 2010. С. 206-207.
4. Дубина В. А. Спутниковое радиолокационное зондирование Японского и Охотского морей: дис. ... канд. геогр. наук / Тихоокеан. океанол. ин-т ДВО РАН. Владивосток, 2008. 119 с.
5. Дубина В. А., Катин И.О., Белоцкий С.В. Спутниковый мониторинг Дальневосточного морского заповедника // Материалы IX Дальневост. конф. по заповедному делу, Владивосток, 25-27 окт. 2010 г. Владивосток: Дальнаука, 2010. С. 152-157.
6. Дубина В. А., Митник Л.М. Спутниковый радиолокационный мониторинг прибрежных морских акваторий // Материалы III Междунар. экол. форума «Природа без границ», Владивосток, 12-13 ноября 2008 г. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2009. С. 448-449.
7. Немировская И. А. Углеводороды в океане (снег-лед-вода-взвесь-донные осадки). М.: Науч. мир, 2004. 328 с.
8. Патин С. А. Нефтяные разливы и их воздействие на морскую среду и биоресурсы. М.: Изд-во ВНИРО, 2008. 508 с.
9. Храпченков Ф.Ф., Дулова Н.М., Горин И.И., Сергеев А.Ф. Долговременные измерения течений и температуры воды в заливе Петра Великого // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря / гл. ред. акад. В. А. Акуличев. М.: ГЕОС, 2008. С. 9-56.
10. Bobra A.M., Fingas M.F. The behavior and fate of Arctic oil spills // Water Science & Technol. 1986. Vol. 18, N 2. P. 13-23.
11. Bonn Agreement Aerial Operations Handbook, 2009. - http://www.bonnagreement.org/eng/doc/Bonn%20Agre ement%20Aerial%200perations%20Handbook.pdf (дата обращения: 26.10.2012).
