Использование космической съёмки для моделирования загрязнения Чёрного моря

Оперштабу МЧС по Краснодарскому краю необходимо было в кратчайшие сроки начать ликвидацию последствий кораблекрушения и разлива мазута. Потребовалось оценить масштаб загрязнения и понять, как будет распространяться пятно. На помощь пришли космические снимки.

Эксперты предложили спрогнозировать распространение загрязнений акватории и на прибрежных территориях, методами математического моделирования и данных дистанционного зондирования. Сначала нужно было определиться с последовательностью задач:

1. Сбор информации: о координатах места крушения; сведения о глубинах; характеристики груза; гидрометеорологические и океанографические параметры.
2. Гидрофизическое описание поведения мазутных загрязнений в море.
3. Разработка модели прогнозирования распространения загрязнений в акватории с учётом законов гидродинамики, диффузии и конвекции.
4. Создание синоптической карты распространения загрязнений для решения задачи краткосрочного (1, 6, 12, 24, 48 часов) и долгосрочного (1–8 недель) прогнозирования.
5. Оценка рисков загрязнений береговых территорий.

Сбор исходных данных

Моделирование начали сбором информации. Для описания гидрофизических условий использовали данные о течениях и температуре воды с ресурса «Copernicus Marine Service». Данные о ветровой обстановке получили из климатических моделей Земли «ERA5» и «HYCOM».

Физико-химические параметры мазута определили из лабораторных исследований проб. Координаты места крушения танкеров получили в результате дешифрирования радиолокационных космических изображений с космического аппарата «Sentinel-1A».

Применение пространственно-временных математических моделей и ГИС

После формирования массива данных разработали математическую модель на Python, описывая положение областей загрязнения в заданные моменты времени. Учитывали:

• пространственное распределение температуры и скорости ветра
• диффузию, зависящую от температуры воды и вязкости нефти
• начальные и граничные условия пятна
• морские течения и ветровой дрейф.

Местоположение, форму и размер пятна в итоге моделирования сохранили в формате «ESRI-Shapefile» (shp) для удобства работы с геоданными в геоинформационных системах (ГИС). Для создания синоптических карт распространения загрязнений использовали ГИС «QGIS».

Определение географических координат места разлива

Место всплытия мазута определили по информации радиолокационной съёмки космического аппарата «Sentinel-1A». Для дешифрирования мазутных загрязнений на поверхности моря использовали данные вертикально-вертикальной (VV) поляризации:

Из данных космической съёмки стало видно, что мазут, вытекающий из танков судна, при всплытии принимал характерную форму спирали, вызванную океанологическим явлением мезомасштабного завихрения.

Область, в которой мазут всплывал на поверхность, располагалась в центре спирали. Таким образом, географические координаты места разлива мазута для выполнения дальнейших работ по моделированию были приняты как 45.095015 С. Ш., 36.585356 В. Д. (система координат: ГСК-2011).

Теоретическое обоснование модели

Модель переноса загрязнений учитывала физические процессы, влияющие на распространение мазута в морской среде. Основные аспекты включали:

• диффузия (случайное блуждание)
• движение под действием течений
• ветровой дрейф и температура,

а также начальные и граничные условия: координаты частиц ограничиваются диапазонами долготы и широты, заданными в данных о течениях; температуре и ветре, что предотвращает выход частиц за пределы области, где данные доступны.

Моделирование распространения загрязнений

Моделирование процессов распространения мазутных загрязнений в весенний период следовало производить с учётом роста температуры поверхности моря от 9℃ в марте до 19℃ в мае.

Учли коэффициент диффузии мазута плотностью 0.997 г/мл(ρ), меняющийся от температуры морской воды в конкретной ячейке регулярной сетки модели в диапазоне (0.0066…0.0089) м²/с.

После расчётов область загрязнения была принята за пятно, радиусом 1.16 км. Выполнили анализ синоптических карт распространения пятна и смоделировали распространение мазутных загрязнений за период 10–13 марта 2025 при всплытии загрязнителей со дна акватории:

Исходя из данных моделирования, спрогнозировали, что при температуре воды в 9 ℃ мазутное пятно площадью 4.2126 км² будет дрейфовать в юго-восточном направлении согласно информации о морских течениях в данной области.

Область загрязнения при моделировании процессов принималась как скопление фракций, имеющих наибольшую, по сравнению с остальными, плотность вещества.

Площадь пятна, согласно расчётам модели, должна была уменьшаться в связи с воздействием волновых процессов и переноса под их влиянием фрагментов с меньшей плотностью и вязкостью, образованных в результате диффузии с морской водой.

Перенос ветровыми волнами лёгких соединений мазута и морской воды обуславливал риски появления загрязнений на берегах Чёрного моря южнее Керчи и северо-западнее Анапы.

При моделировании пятно дрейфовало 18 км. Динамика сокращения площади при краткосрочном прогнозировании выглядела так (абсцисса – время, часы; координата – площадь пятна, км²):

Прогнозирование

Дрейф пятна будет происходить при равномерном увеличении температуры воды от 9℃ 10 марта до 13℃ 17 апреля 2025 года. Область загрязнения продолжит дрейф сначала в юго-западном направлении, а далее, в соответствии с данными о циркуляции воды и ветре, – в юго-восточном.

Через неделю с момента всплытия мазута в области кораблекрушения, 17 марта 2025 года, пятно расположится в 33 км от побережья Анапы, создавая риск повторных загрязнений береговой линии.

24 марта пятно переместится в акваторию в 77 км к юго-востоку от Феодосии, что также создаст риски загрязнения 111 км береговой линии в восточном направлении в сторону Керчи.

В период с 31 марта по 21 апреля мазут будет дрейфовать в открытом море и распадётся на мелкие фрагменты лёгких фракций. За период с 10 марта по 21 апреля пятно преодолеет расстояние в 300 км, оставляя шлейф загрязнений продуктами распада общей площадью 1’500 км².

Моделирование распространения загрязнений с 13 марта по 21 апреля при всплытии со дна:

В соответствии с данными о температуре воды в Чёрном море в данный временной период динамика изменения площади мазутного пятна примет следующий вид:

1. На протяжении первой недели дрейфа площадь загрязнения увеличится ввиду нахождения в области аномально высокого температурного поля со средней температурой воды 11℃.
2. В течение второй недели увеличение площади пятна замедлится в связи с нахождением в зоне понижения температуры воды, где этот показатель опустится до отметки в 10℃.
3. С 3 по 6 неделю площадь пятна сократится под воздействием ветрового волнения, понижения температуры воды, уплотнения фракций мазута с оседанием на дне.
4. На 6 неделе консолидированное мазутное пятно полностью распадётся на мелкие очаги лёгких фракций, а более тяжёлые продукты осядут в акватории.
5. Часть продуктов загрязнения будет ликвидирована в результате действия физических процессов испарения с поверхности моря.

Динамика изменения площади мазутного пятна при долгосрочном прогнозировании (абсцисса – время, недели; ордината – площадь пятна, км²):

Заключение

По результатам моделирования распространения мазутных загрязнений в Чёрном море на основании данных космической съёмки сформулировали выводы:

1. Период самоликвидации пятна из консолидированных тяжёлых соединений мазута в акватории составит 6 недель.
2. В процессе дрейфа и физических процессов, связанных с диффузией мазута, суммарная площадь, подверженная влиянию загрязнителей, составит 2’175 км².
3. При учёте влияния ветрового волнения поверхности моря и переноса загрязнений к побережьям производные продукты мазута загрязнят береговые линии:

• 115 км на территории Республики Крым от Феодосии до с. Яковенково
• 85 км на территории Краснодарского края от пос. Волна до пос. Малый Утриш.

4. Площадь загрязнений прибрежных зон Крыма и Краснодарского края составит 6’172 км².
5. При долгосрочных волнениях в центральном секторе Чёрного моря возникнет риск распространения загрязнений побережий вблизи Сочи, Туапсе и Севастополя

Карта областей распространения загрязнений акватории Чёрного моря мазутом:

Весь процесс исследования, включая разработку программного обеспечения и подготовку аналитического отчёта, осуществили за две недели.

Результаты передали в Оперштаб МЧС по Краснодарскому краю для использования при разработке мер ликвидации и предотвращения распространения загрязнений.