Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon
Από RemoteSensing Wiki
Xing, Q., Li, L., Lou, M., Bing, L., Zhao, R., Li, Z., 2015. Observation of Oil Spills through Landsat Thermal Infrared Imagery: A Case of Deepwater Horizon. International Oil Spill Response Technical Seminar. Aquatic Propedia 3 (2015) 151 – 156.
[Πηγή]
Πίνακας περιεχομένων |
Περίληψη
Στις πετρελαιοκηλίδες που προκλήθηκαν από ατύχημα στον Κόλπο του Μεξικού το 2010, έγινε αντιληπτό ότι ψυχρά πλούμια από το αρχικό πετρέλαιο (που διέρρευσε), καλύπτουν μια εμφανή επιφάνεια με θερμοκρασία χαμηλότερη κατά 0,6 Κ από αυτήν της περιβάλλουσας θαλάσσιας επιφάνειας, και μακριά από την αρχική θέση διαρροής, η εμφανής θερμοκρασία της πετρελαιοκηλίδας βρέθηκε υψηλότερη από αυτή των περιβαλλόντων θαλάσσιων υδάτων κατά την μέγιστη θερμοκρασιακή διαφορά των 3.2Κ. Οι ψυχρές και οι θερμές λωρίδες πετρελαίου έχουν αμφότερες σχετικά πυκνό υμένιο (thick film), αλλά οι ψυχρές οφείλονται στην αρχική χαμηλή θερμοκρασία κατά την ανάβλυση από τα βαθέα ύδατα, ενώ οι θερμές προκαλούνται από ηλιακή θέρμανση. Τα παραπάνω συνιστούν ότι η θερμική υπέρυθρη απεικόνιση έχει την προοπτική να προσδιορίζει την θέση της διαρροής πετρελαιοκηλίδας αργού πετρελαίου ειδικά από τα βαθέα ύδατα και να αναγνωρίζει πυκνές συγκεντρώσεις πετρελαίου.
Κηλίδα αργού πετρελαίου | πλατφόρμα εξόρυξης πετρελαίου βαθέων υδάτων | θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία | απεικόνιση στο θερμική υπέρυθρο | Landsat | Deepwater Horizon |Κόλπος του Μεξικού
Εισαγωγή
Η τηλεπισκόπηση μπορεί να παρέχει πληροφορία για την θέση μιας πετρελαιοκηλίδας στον ωκεανό, τον ρυθμό και την διεύθυνση μεταφοράς του ρύπου, και η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δεδομένο σε μοντέλα πρόβλεψης και να βοηθήσει στην οργάνωση του καθαρισμού και του ελέγχου. Για την παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων στην θάλασσα γίνεται κυρίως χρήση τεχνικών τηλεανίχνευσης οπτικών ή με μικροκύματα. Οι οπτικές τεχνικές περιλαμβάνουν ενεργητικούς και παθητικούς δέκτες στο ορατό φάσμα (passive and active visible remote sensing), π.χ. οπτικές εικόνες LANDSAT, MODIS, και laser fluorescence, με περιορισμούς όμως λόγω ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επίσης, υπάρχουν εφαρμογές SAR αισθητήρων, οι οποίες υπερβαίνουν το εμπόδιο της νέφωκάλυψης, όμως η δυνατότητα ανίχνευσης τους επηρεάζεται από την ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια της θάλλασας – θάλασσα σε νηνεμία μπορεί να αποδωθεί ως πετρελαιοκηλίδα, ενώ σε υψλές ταχύτητες ανέμου πετρελαιοκηλίδες δεν μπορούν να εντοπισθούνε. Οι πετρελαϊκές επιστρώσεις διαφοροποιούνται από τα θαλάσσια ύδατα στα θερμικά χαρακτηριστικά και απορρόφηση ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, η τηλεπισκοπικές τεχνικές στο θερμικό υπέρυθρο είναι σημαντικό εργαλείο αίχνευσης πετρελαιοκηλίδων ( και λόγω της δυνατότητας απεικόνισης την ημέρα και την νύχτα και υπό συνθήκες καταχνίας ή αραιής ομίχλης).
Δεδομένα και μέθοδοι
Η περίπτωση μελέτης που εξετάζεται στο μελετώμενο άρθρο, αφορά το ατύχημα διαρροής πετρελαίου στις 20 Απριλίου 2010 στον κόλπο του Μεξικού. H διαρροή πηγάζει από γεώτρηση πετρελαίου στον θαλάσσιο πυθμένα σε βάθος νερού 1521,6 m και σε θέση που απέχει περισσότερα από 100 km από την κοντινότερη στεριά (BP Exploration and Production Inc., 2009). Τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 7 ETM+ και Landsat – 5 TM λήφθηκαν στις 10:18 am, τοπική ώρα, για την απεικόνιση της πετρελαιοκηλίδας. Στην αναφορά, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισμό της πραγματικής θερμοκρασίας του στόχου (real temperature of target), Τ, από τον ψηφιακό αριθμό (digital number), DN, και γίνεται παράθεση των σχέσεων μετατροπής, των μεταβλητών και των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν. Οι τηλεπισκοπικοί δέκτες Landsat – 5 / TM και Landsat – 7 / ETM+ έχουν παρόμοια παραμετροποίηση στο θερμικό κανάλι. Το δέκτης ΕΤΜ+ (60 m) έχει καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα από τον ΤΜ (120 m) στην θερμική υπέρυθρη απεικόνιση και είναι πιο ευαίσθητος στην θερμική ακτινοβολία. Ο δορυφορικός δέκτης Landsat - 7 ETM+ διαθέτει δύο καταστάσεις λειτουργίας: το κανάλι 6L, B61 που παρέχει ένα εκτενές δυναμικό εύρος και χαμηλή ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, με μικρότερο κορεσμό σε υψηλές τιμές των ψηφιακών αριθμών; το κανάλι 6Η, Β62 έχει υψηλότερη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, αν και έχει πιο περιορισμένο δυναμικό εύρος. Από το 2003, μια τεχνική δυσλειτουργία έχει οδηγήσει την απεικόνιση ΕΤΜ+, περιλαμβανομένης της θερμικής απεικόνισης να έχει μια σειρά από οριζόντιες λωρίδες, αλλά αυτό δεν επιδρά στην ραδιομετρική επίδοση.
Αποτελέσματα και συζήτηση
H απεικόνιση δείχνει τόσο ψύχρα όσο και θερμά πλούμια κατά την διαρροή και την επίπλευση τους στην περίπτωση του Deepwater Horizon. Το πρωί της 1ης Μαΐου 2010, ψυχρά πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 293.1 Κ, 0.6 Κ μικρότερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια (SST: Sea Surface Temperature). Αντίστοιχα, το πρωί της 25ης Μαΐου 2010, θερμότερα πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 296.5 Κ, 3.2 Κ μεγαλύτερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια. Παρότι σφάλματα στην βαθμονόμηση μπορεί να υπεισέρχονται λόγω της πολύχρονης λειτουργίας, δεν θεωρούμε ότι αυτά έχουν σημαντική επίδραση στην αποκτημένη απεικόνιση της θαλάσσιας επιφανειακής θερμοκρασίας. Επισημαίνεται, συμπληρωματικά, ότι η πετρελαιοκηλίδα παρουσιάζεται θερμότερη κατά την ημέρα και ψυχρότερη κατά την νύχτα. Παρότι η θερμοκρασία στον πυθμένα είναι πολύ χαμηλότερη από την θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία (1.2 – 17.0 oC έναντι 28 – 36 οC στην περιοχή μελέτης) και καθόλη την άνοδο του πλουμίου υπάρχει ανταλαγή θερμότητας μεταξύ του νερού και του πετρελαίου, το πλούμιο διατηρέιται για κάποια διάρκεια ψυχρότερο από την περιβάλλουσα. Αν και η διαφορά των θερμοκρασιών είναι μικρή, η φωτεινή θερμοκρασία του πλουμίου είναι αισθητά μικρότερη (βλέπε ), λόγω της μειωμένης θερμικής εκπομπής (βλέπε Εικόνα....). Η εξάπλωση της πετρελαιοκηλίδας στην επιφάνεια, οδηγεί σε αύξηση της θερμικής ανταλαγγής πετρελαίου – νερού. Παράλληλα, το πάχος της πετρελαιοκηλίδας επιρεάζει την θερμική συπεριφορά της, καθώς π.χ. μεγαλύτερα πάχη μπορούν να συσσωρεύσουν περισσότερη ενέργεια ακτινοβολίας και να αποδόσουν μεγαλύτερες θερμοκρασίες.
Συμπεράσματα
Στην περίπτωση μελέτης της διαρροής πετρελαιοκηλίδας του Deepwater Horizon, εντοπίστηκαν τηλεπισκοπίκά τόσο ψυχρές όσο και θερμές κηλίδες πετρελαίου, οι μεν στο σημείο της ανάβλυσης, οι δε σε απομακρυσμένο σημείο, έχοντας υποστεί ηλιακή θέρμανση. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την σημασία της τηλεπισκόπικών τεχνικών στο θερμικό υπέρυθρο για τον προσδιορισμό της πηγής διαρροών αργού πετρελαίου στην περίπτωση βαθέων υδάτων και στων συγκεντρώσεων πετρελαιοκηλίδων.
