Российские исследователи разработали новый метод для выявления пластикового мусора в океане, который скрыт под водной поверхностью.
Данный метод основывается на том, что скопления мусора изменяют структуру ветровых волн, и эти изменения могут фиксироваться с помощью спутниковых изображений. В ходе экспериментов ученые протестировали свою разработку и впервые вычислили так называемый пластиковый индекс — расчетный показатель, позволяющий автоматически определять признаки загрязнения акваторий при анализе космических снимков. Среди ограничений применения этого метода специалисты отметили узкий диапазон скорости ветра, в котором он эффективен, а также трудности в различении пластика от биогенных и нефтяных пленок.
Как выявлять скопления мусора с помощью космоса
Исследователи из Института прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова впервые в мире вычислили «пластиковый индекс». Новый инструмент обеспечит высокую точность в определении скоплений мусора в крупных акваториях. Эта разработка будет способствовать улучшению экологической ситуации в крупных водоемах и Мировом океане.
— Основная проблема с пластиковым мусором в море заключается в том, что значительная его часть «парит» в припovерхностном слое. Волны как бы «заталкивают» такие объекты в верхние слои воды и удерживают их за счет особых гидродинамических процессов. В результате этого огромные объемы мусора остаются скрытыми от глаз, — пояснил «Известиям» заведующий отделом радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН Станислав Ермаков.
Однако даже если пластик «спрятан» под водой, он все равно проявляет себя, отметил ученый. Например, когда его скопления находятся ближе к поверхности, они гасят ветровые волны, и поверхность становится гладкой, что на изображениях выглядит как темное пятно. Если пластик находится глубже, он может колебаться, что вызывает мелкую рябь, которая на снимках проявляется в виде ярких участков.
Экспериментально исследователи изучили эти процессы на Горьковском водохранилище. Они укладывали на воду пластиковые полотна размером до 450 кв. м (по размеру как баскетбольная площадка) и фиксировали изменения свойств поверхности с помощью приборов. Наблюдения проводились с борта научно-исследовательского судна и с помощью орбитальных аппаратов, сообщил Станислав Ермаков.
— По результатам исследований удалось оценить «пластиковый индекс». Это показатель, который помогает находить скопления данного типа объектов на спутниковых снимках, полученных в различных диапазонах оптического спектра. Мы получили индекс, который согласуется с данными мировой научной литературы, — добавил он.
Объем пластика, попадающего в Мировой океан
Модель была протестирована на радиолокационных снимках с орбиты, сделанных после разрушительного цунами 2011 года в Японии, когда в океан попали миллионы тонн мусора. На этих снимках хорошо видны яркие участки — скопления обломков и пластика. Расчеты, проведенные с помощью предложенного индекса, совпали с тем, что зафиксировали аппараты из космоса.
Если технологию удастся развить, пояснил специалист, спутники смогут быстрее находить загрязненные участки и отслеживать перемещение мусора в крупных акваториях в реальном времени. Это повысит шансы на эффективную борьбу с загрязнением пластиком Мирового океана.
Вместе с тем, по словам исследователей, в воде пластик быстро обрастает микроорганизмами и водорослями, образуя так называемую пластисферу. Эти экосистемы развиваются прямо на поверхности мусора. Совершенствование методики в будущем позволит наладить мониторинг подобных сообществ.
— Каждый год в окружающую среду попадает 12,7 млн т пластика. В конечном итоге он либо захоранивается в грунте, либо выносится в открытый океан, где благодаря глобальным течениям формируются так называемые мусорные острова, — сообщил «Известиям» научный сотрудник лаборатории гидрологии и гидрохимии Института биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина РАН Александр Цветков.
Анализ структурных изменений в волновых течениях для выявления скоплений пластика будет эффективен при использовании алгоритмов машинного обучения, отметил эксперт.
Загрязнение океана особенно заметно в небольших островных государствах, где такой мусор в значительных количествах приносится течениями. Даже тщательная очистка берегов не помогает, поскольку океан вновь приносит пластик из других районов, подчеркнул научный сотрудник лаборатории взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН Игорь Жданов.
В настоящее время, по его словам, распределение пластика в океане в основном изучается посредством судовых наблюдений. Новый метод улучшит картирование скоплений мусора и поможет отслеживать их динамику.
— Предложенное решение — это разновидность дистанционного зондирования через модуляцию спектра коротких ветровых волн. Затопленный пластик подавляет гравитационно-капиллярные волны длиной 1−30 см. На радиолокационных снимках это проявляется как темные пятна. Такие же эффекты лежат в основе обнаружения из космоса нефтяных пленок и зон затишья, — сообщил эксперт НТИ по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.
По его словам, ценность разработки заключается не только в самом факте обнаружения эффектов, но и в количественной калибровке эффекта через эксперимент и привязке оптического «пластикового индекса» к реальной мишени. К ограничениям метода относится сложность идентификации данных, поскольку темное пятно на снимке может быть нефтью, биогенной пленкой, дождевым шквалом или зоной затишья ветра. Кроме того, метод работает в узком диапазоне скорости ветра — примерно 3−8 м/с.
Фото: hi-tech.mail.ru
