Translated by Marina Agarkova

Морские экосистемы являются одними из самых уникальных на Земле – от болотистых, прибрежных устьев реки до разноцветных и нетронутых коралловых рифов и безбрежного открытого океана. Тем не менее каждый год эти критически разнообразные экосистемы подвергаются многочисленным катастрофическим разливам нефти, в результате которых в морскую среду попадает большое количество токсичных химических веществ (United Nations Environment Programme, 2022). Негативные последствия этих разливов нефти кажутся бесконечными: от большого числа исчезнувшей и поврежденной морской флоры и фауны, загрязненной и деградирующей морской хрупкой экосистемы и до большого количества финансовых последствий, вызванных уничтожением коммерчески важных видов, а также спадом в экологическом туризме (рис. 1).

Когда танкер садится на мель или когда происходит взрыв нефтяной вышки, разливы нефти обычно становятся новостями во всем мире. Однако не всякое загрязнение нефтью так очевидно. С помощью космических технологий ученым удалось обнаружить одну из менее обсуждаемых форм загрязнения нефтью: целенаправленный и незаконный сброс нефти и сточных вод в океан морскими судами. Спутниковые снимки смогли обеспечить наблюдение за поверхностью океана. Несмотря на то, что это по-прежнему является новым применением спутниковых технологий, уже обнаружены тысячи судов, совершающих незаконную деятельность (Bernhard et al., 2022). Теперь ученые могут прогнозировать траекторию разлива нефти в океане, а также отслеживать последствия в морских и прибрежных экосистемах (Monaldo, 2022). В противном случае сбор этих данных с земли был бы невозможен, так как он был бы непомерно дорогим и трудоемким. В конечном счете космические технологии создают возможность для гораздо более быстрого реагирования и восстановления после аварии.

Космические снимки: как данные дистанционного зондирования Земли позволяют обнаруживать разливы нефти

В области наблюдения Земли существуют две основные технологии, которые могут быть использованы для обнаружения разливов нефти: оптическая визуализация и радиолокатор с синтезированной апертурой. Оптическая визуализация — это традиционный и хорошо изученный метод, который коммерчески доступен в течение многих десятилетий. Пассивные датчики на борту спутников собирают данные с поверхности Земли и создают изображения, похожие на фотографии (рис. 2). Существует два основных принципа, которые позволяют обнаруживать разливы нефти с помощью оптической визуализации. Во-первых, обнаруживается контраст между нефтью и водой, так как нефть отражает свет иначе, чем поверхностные воды океана; разливы нефти могут проявляться в виде темных пятен на изображениях (Trujillo-Acatitla et al., 2022). Во-вторых, нефть обладает уникальными оптическими свойствами, которые могут быть обнаружены с помощью спектрометрических приборов на борту многих спутников. Например, по сравнению с водой, нефть имеет высокое поглощение в синем спектральном диапазоне, а водонефтяные эмульсии показывают более высокую отражательную способность в красном, ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном диапазонах (Sun et al., 2022). Используя спектрометры, ученые могут интерпретировать оптические изображения, с тем чтобы определить месторасположение, где произошла утечка нефти. Примерами инструментов оптической визуализации являются Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) на борту спутников NASA Terra и Aqua, а также Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) на борту спутника European Space Agency Copernicus Sentinel-3.

Во время ликвидации разливов нефти оптическая визуализация имеет некоторые ограничения. Например, определенные погодные условия, такие как облачность или туман, могут помешать получению изображения. Это может быть особенно затруднено в районах мира, где наблюдается частая облачность или экстремальные штормы (например, когда повреждение нефтяных буровых платформ штормом привело к самому разливу нефти) (Velotto, 2022). Кроме того, как следует из названия, оптическая визуализация в значительной степени зависит от видимой части электромагнитного спектра. Это означает, что для снимков требуется дневной свет, в связи с этим ночью невозможно производить съемку. Если оптические спутниковые снимки можно сделать только при определенных условиях, а именно при ясном небе в дневное время, то возможности применения этого метода ограничены (Sun et al., 2022). В то же время, однако, оптическая визуализация относительно недорога и проста в производстве, поэтому при определенных условиях ее использование представляется логичным.

Второй метод дистанционного получения изображений для обнаружения разливов нефти известен как радиолокатор с синтезированной апертурой (SAR). SAR — это активный датчик, который передает микроволновые сигналы на поверхность Земли. В зависимости от энергии, которая отражается от поверхности Земли, ученые могут обнаружить физические свойства Земли. В случае разлива нефти, когда нефть находится на поверхности океана, она гасит волны, приводимые в движение ветром. В результате область разлива выглядит более гладкой, чем окружающие незагрязненные воды, и в связи с этим меньше энергии возвращается к спутнику (Sun et al., 2022). Эта разница в движении волн приводит к тому, что разливы нефти имеют вид темных пятен на изображениях SAR (Alpers et al., 2017) (рис. 2). В отличие от оптической визуализации, датчики SAR сами излучают энергию, не используя солнечный свет для съемки, и могут работать в любое время суток. Также SAR может собирать данные в различных атмосферных условиях, включая облака, дождь, туман и смог, что дает ему уникальное преимущество для быстрого реагирования на разлив нефти.

Ранее снимки SAR использовались только для определения наличия или отсутствия нефти. Однако последние достижения позволили ученым также определять толщину нефтяного пятна. Ученый д-р Фрэнк Мональдо из Университета Джона Хопкинса и его команда создали «алгоритм соотношения контрастности», который работает с датчиками SAR для определения толщины нефтяного пятна в месте разлива (Monaldo, 2022). Когда нефть разливается в океане, она не распределяется равномерно на всей загрязненной поверхности. Происходят изменения в толщине слоя нефти и ее цвете, от черного или коричневого цвета до серебристого или радужного блеска (рис. 3). Измерение и определение толщины нефти, разлитой на водной поверхности, позволяет ученым сотрудничать с группами быстрого реагирования, чтобы эффективно ликвидировать последствия (рис. 4). Ученый д-р Мональдо заявил: «Если у вас есть алгоритм, который принципиально автоматизирует процесс, предоставляя аналитикам не только масштаб, но и толщину, они могут действовать быстро, чтобы передать информацию службам реагирования, чтобы те в свою очередь могли без промедления развертывать ресурсы» (Lewis, 2021).

Мониторинг незаконной судоходной деятельности из космоса

Международная торговля в значительной степени зависит от судоходной отрасли для транспортировки грузов по всему миру. Тысячи судов ежедневно совершают морские перевозки. Однако, когда осуществляются перевозки, то двигатели судов производят ядовитые смеси химических веществ, известные как трюмные воды. Состоящая из машинного масла, моющих средств, жидкостей из машинного отделения и других токсичных химикатов, трюмная вода собирается на дне судна и затем хранится в трюмных танках. Одно судно может произвести несколько тонн этой маслянистой смеси за один день (Onwuegbuchunam et al., 2017).

Вариантов переработки трюмных отходов очень мало. Международные правила требуют, чтобы суда хранили трюмные воды до тех пор, пока их не удастся утилизировать на суше. Тем не менее на борту часто находится большое количество трюмных вод, и надлежащая утилизация обходится дорого (Caston et al., 2007). В качестве альтернативы суда могут очищать трюмные воды через сепаратор маслянистых вод перед сбросом в океан. Это оборудование предназначено для отделения масла до 15 миллионной доли, предела, установленного в международном праве MARPOL в 1973 году. Однако этот процесс также является дорогостоящим и легко пренебрегается судами (Han et al., 2019). В результате у морских судов есть финансовая выгода сбрасывать неотфильтрованные трюмные воды напрямую в океан (рис. 5).

Ранее общее отсутствие контроля означало, что судовладельцы, загрязняющие окружающую среду, редко привлекались к ответственности. Типичные методы обнаружения основывались на наблюдении с самолетов, других судов на море или выявлении загрязнения на суше (Caston et al., 2007). Однако океан — это огромное пространство, и властям, и исследователям трудно отслеживать суда, загрязняющие окружающую среду. Существует множество лазеек, чтобы пренебрегать правилами для судоходства, которые в результате выливаются в безудержное загрязнение окружающей среды. Именно здесь космические технологии стали чрезвычайно ценными.

Оптическая визуализация и технологии получения изображений SAR могут выступать в качестве более эффективных способов наблюдения по многим основаниям. Во-первых, они могут охватывать больше территории океана, чем традиционные методы наблюдения, что позволяет проводить более эффективный и масштабный мониторинг. Спутники также могут делать снимки, оставаясь незамеченными самими судами, и таким образом они с большей вероятностью могут отследить момент незаконного сброса отходов. Спутниковые снимки также предоставляют архив данных, что позволяет ученым анализировать состояние конкретного разлива во времени (European Maritime Safety Agency, 2019). Это может быть особенно удобно в случае крупных разливов нефти, таких как аварии танкеров или неисправности нефтяных вышек.

Пожалуй, самым большим преимуществом является возможность получения изображений SAR ночью и при любых погодных условиях. Прежде значительная часть загрязнения нефтью происходила в темное время суток, когда с помощью стандартных методов наблюдения практически невозможно было обнаружить незаконную деятельность (Caston et al., 2007). Тем не менее снимки SAR стали эффективной стратегией для мониторинга океана в любое время суток и при любых погодных условиях. Суда, сбрасывающие трюмные воды в океан, приобретают отчетливую форму на снимках SAR. Нефть проявляется в виде темных пятен на поверхности океана и, как правило, в виде шлейфа длиной в несколько километров. Судно выглядит как яркая белая точка в конце линии (рис. 6 и 7). Несмотря на то, что преимущество SAR очевидно, только или спутник, или поставщик услуг не могут удовлетворить потребности всего океана, и для обеспечения достаточного покрытия повсеместно требуется сочетание как оптического, так и SAR-мониторинга.

Произошло ли на самом деле снижение загрязнения морской среды нефтью с появлением космической съемки? По большей части, нет. Только небольшой процент судов, загрязняющих окружающую среду, проверяется, и еще меньшее количество преследуется по закону. Несмотря на то, что эта технология более чем эффективна и действительно отследила десятки тысяч предполагаемых нефтяных пятен по всему миру, проблемы в обеспечении судебного преследования в этих случаях остаются (Bernhard et al., 2022). Часто отдельные страны не реагируют на предупреждения об обнаруженных разливах, а если и реагируют, то делают это недостаточно своевременно (Caston et al., 2007). Чем больше времени требуется морским властям для проверки разлива, тем больше вероятность того, что нефть начала рассеиваться, и тем меньше вероятность судебного преследования по мере того, как уменьшается количество доказательств. В других случаях морские власти страны не имеют возможности обеспечить соблюдение закона, тем самым не препятствуют судам продолжать вести незаконную деятельность.

Для эффективного сокращения загрязнения морской среды нефтью, власти повсеместно должны предпринимать более активные действия. Последствия загрязнения нефтью очевидны, и все же судебные иски, как правило, применяются только в крайних случаях, например при разливе нефти на платформе Deepwater Horizon в 2010 году. Когда речь заходит о не столь масштабном загрязнении нефтью, как незаконный сброс трюмных вод, судебное преследование, которое действует тоже как устрашение, редко доводится до конца. В тех случаях, когда суда, загрязняющие окружающую среду, действительно преследуются по закону, серьезные нарушители легко отделываются небольшим штрафом (Mura, 2018). Космические технологии могут дать ключевые изображения загрязнения в действии, но они должны быть использованы более широко в системах правосудия повсеместно. Если мы хотим добиться каких-либо радикальных изменений, судебные системы, включая прокуроров и судей, должны быть осведомлены о долгосрочных и масштабных последствиях загрязнения нефтью. В условиях дальнейшего отсутствия активного правоприменения те, кто загрязняют окружающую среду, будут продолжать наносить серьезный ущерб морской среде. Сдерживание при помощи серьезных последствий для правонарушителей за незаконные действия должно быть приоритетом, если мы хотим сохранить океаны Земли.