Вісник НАН України. 2018. № 4. С.68-75
https://doi.org/10.15407/visn2018.04.068
ЩИПЦОВ Олександр Анатолійович —
член-кореспондент НАН України, доктор географічних наук, професор, директор Державної установи «Науковий гідрофізичний центр Національної академії наук України»
ФЕДОРОВСЬКИЙ Олександр Дмитрович —
член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач відділу системного аналізу Державної установи «Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України»
ХИЖНЯК Анна Василівна —
кандидат технічних наук, молодший науковий співробітник відділу системного аналізу Державної установи «Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України»
АЕРОКОСМІЧНИЙ МОНІТОРИНГ ШЕЛЬФУ ПРИБЕРЕЖНОЇ ЗОНИ ЧОРНОГО МОРЯ УКРАЇНИ ЯК МЕТОДОЛОГІЯ ПОДВІЙНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
У статті обґрунтовано використання аерокосмічного моніторингу чорноморського шельфу прибережної зони України як методології подвійного призначення: для пошуку покладів вуглеводнів та для охорони прибережної зони. Досліджено процеси на межі поділу вода–атмосфера, які необхідно враховувати при виявленні температурних аномалій природного і техногенного походження на основі дистанційної реєстрації зміни температури приповерхневого шару води. Запропоновано використання дешифрування космічних знімків для визначення температурних аномалій як додаткової інформативної ознаки наявності покладів вуглеводнів чи аномалій техногенного походження, пов’язаних з рухомими об’єктами у водному середовищі. На моделі збурювання гідродинамічних процесів за допомогою обчислення значення ентропії визначено структурно-текстурні параметри температурних аномалій.
Ключові слова: аерокосмічний моніторинг, шельф, Чорне море, температурні аномалії, поклади вуглеводнів, рухомі об’єкти, модель гідродинамічних процесів.
Вивчення динаміки температури морської поверхні та її розподілу в приповерхневому шарі води важливе для з’ясування механізму енергомасообміну між атмосферою та океаном, який у свою чергу відіграє ключову роль у прогнозуванні погоди й оцінюванні довгострокових кліматичних змін. Крім того, за розподілом температури на поверхні і в приповерхневому шарі можна судити про процеси, що відбуваються на глибинних горизонтах і в донних шарах водного середовища. Отже, для аерокосмічного моніторингу водна поверхня є природним інтегратором інформації, який дає змогу виявити процеси, що відбуваються не тільки на морській поверхні, а й у товщі води та придонному просторі.
У цій статті ми покажемо доцільність використання аерокосмічного моніторингу чорноморського шельфу прибережної зони України як методології подвійного призначення: для пошуку покладів вуглеводнів і для контролю присутності рухомих об’єктів через «висвітлення» надводної та підводної обстановки.
Аномалії природного походження пов’язані, зокрема, з наявністю покладів вуглеводнів. По флюїдопровідних розломних структурах літосфери шельфової зони гази з таких покладів можуть розвантажуватися у водне середовище, утворюючи бульбашки. Механізм проходження міграційного потоку вуглеводневих флюїдів через водну товщу і взаємодія його з водною поверхнею зумовлені рядом факторів, у тому числі типом гідрології, що залежить від пори року та акваторії. На рис. 1 наведено гідрологічні розрізи за глибиною, отримані в різні пори року, а на рис. 2 — приклади різного стану морського середовища. На різних глибинах, зокрема в термокліні, залежно від гідрологічних умов, зміни температури, солоності, підводних течій структура водного середовища різна. У Чорному морі термоклін у літньо-осінній період зазвичай розташований на глибині близько 25 м. Збурення, що виникає у ньому, породжує коливання щільності й температури, які поширюються з області збурення у вигляді хвиль.
У випадку гідрології, близької до ізотермії, та інтенсивного потоку флюїдів це може бути ерліфтний процес — підняття флюїдними потоками холодних глибинних вод до морської поверхні. За наявності у стратифікованій водній товщі градієнтів щільності мігруючі флюїди спричинюють утворення внутрішніх хвиль, які, поширюючись до водної поверхні, взаємодіють з нею. У випадку гідрології з вираженим термокліном потік флюїдів, досягаючи його, викликає у термокліні коливання щільності й температури, які поширюються з області збурення до вільної водної поверхні у вигляді внутрішніх хвиль. Частота цих хвиль відома як частота Брента–Вяйсяля, а зворотна їй величина (період хвилі) слугує фундаментальним часовим масштабом, що зумовлює коливальні рухи у стратифікованому водному середовищі. Виниклі внутрішні хвилі, досягаючи водної поверхні, спричинюють зміни гідрофізичних характеристик приповерхневого шару води, які відображаються на морській поверхні як аномалії поверхневої температури, а в приповерхневому шарі — як зміни градієнту температури, що природно проявляються на вільній водній поверхні як температурні аномалії, які реєструються на космічних знімках в інфрачервоному спектральному діапазоні [1, 2]. На рис. 3 наведено фрагмент космічного знімка природної температурної аномалії північно-західного шельфу Чорного моря, отриманого над Голіцинським родовищем вуглеводнів (О.Ю. Котляр, 2004 р.).
Оптичні аномалії техногенного походження пов’язані з об’єктами, що рухаються у водному середовищі і викликають його турбулентні збурення. При цьому відбувається змішування різних температурних шарів водного середовища та утворюється так званий кільватерний слід, для якого характерна наявність кількох різномасштабних зон збурення гідрофізичних полів. Перша зона, вузька, яка розвивається на горизонтах, близьких до горизонту руху об’єкта, — це зона турбулентної спутньої течії. Вона визначається дифузійними процесами переносу від об’єкта імпульсу, а також тепла й маси. Турбулентне збурювання приводить до змішування різних температурних шарів води, що може супроводжуватися підняттям теплої води та спливанням бульбашок газу на поверхню. Друга зона, широка, виникає внаслідок гідродинамічного тиску корпусу об’єкта, хвильових рухів — корабельних внутрішніх хвиль та акустичного поля об’єкта.