XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Мониторинговые исследования экологического состояния акватории Черного моря Российской Федерации

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Стрелков Г.А. 1

---

1ГБОУ школа №171

Крахина Е.А. 1

---

1ГБОУ школа №171

Работа в формате PDF

402.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

На современном этапе развития науки для реализации комплексного и детального исследования значительных по площади территорий (акваторий) необходимо использование аэрокосмических средств в области дистанционного зондирования Земли.

Спутниковые данные позволяют проследить изменения среды не только в определенный временной интервал, но и охватить значительные временные периоды. Материалы исследований «Единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане» (ЕСИМО) показали, что в период с 1995 по 2001 года в прибрежных зонах Черного моря сохранялась способность экосистем к стабилизации уровня загрязненности воды, но по окончанию указанного периода, морские экосистемы постепенно теряли способность к самовосстановлению. Дестабилизация систем могла быть спровоцирована увеличивающейся антропогенной нагрузкой от предприятий, судов и атмосферных переносов. Поддержание экологической стабильности является важным аспектом для черноморского побережья, являющимся важным рекреационным и санитарно-курортным центром страны.

Актуальность работы обусловлена нестабильной экологической ситуацией экосистем черноморского побережья. Антропогенное воздействие на акваторию Черного моря оказывают промышленные предприятия Краснодарского и Ставропольского краев и Республики Крым, трансграничные переносы загрязняющих веществ, аварийные происшествия танкеров и судов, а также устаревшие очистные сооружения.

Цель исследовательской работы заключалась в выявлении степени изменения экологического состояния акватории Черного моря вблизи прибрежной территории РФ, на основе обработки спутниковых данных. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучение нормативной документации и исследований прошлых лет по допустимому уровню воздействия загрязняющих факторов на воды Черного моря;

2. Выявление гео-экологической характеристики черноморской акватории РФ;

3. Изучение основных принципов дистанционного зондирования Земли;

4. Осуществление приема данных со спутников по съемке акватории Черного моря;

5. Изучение основ спектрального анализа спутниковых снимков;

6. Анализ спутниковых данных за 10 период времени (2012-2022 года);

7. Выявление динамики изменения экологического состояния акватории Чёрного моря;

8. Выявление динамики изменения экологического состояния акватории Чёрного моря.

Гипотезой исследования являлось предположение, что состояние береговой линии и акватории Чёрного моря к 2022 году ухудшилось.

2. Общая характеристика дистанционного зондирования Земли

   1. Основная характеристика ДЗЗ

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта, а также его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства.

Методы ДЗ основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, существенно более приспособленных для цифровой обработки, и в существенно более широком диапазоне электромагнитного спектра. В большинстве методов ДЗ используют инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон электромагнитного спектра.

Бесконтактная передача информации возможна благодаря естественно существующим или искусственно генерируемым силовым полям, которые распространяются между приемником излучений (чувствительным сенсором) и изучаемым объектом (целью). К основным используемым силовым полям относятся, электромагнитное излучение. При настройке приемника на определенные излучения на системе датчиков фиксируется, изображается состояние радиации, исходящей от объекта исследования, и такие изображения можно анализировать.

1. 2. Принципы работы дистанционного зандирования

Принцип дистанционного зондирования с использованием волн электромагнитного спектра проиллюстрирован на рис. 1. Энергия исходит из источника излучения. Пассивный (естественный) источник энергии – это Солнце. Активным источником энергии может быть лампа, лазер или микроволновый передатчик с его антенной. Радиация проникает через вакуум со скоростью света приблизительно в 300 000 км/с. Она достигает объекта, где взаимодействует с ним. Часть энергии отражается по направлению к приемнику. В приемнике, размещенном на специальной платформе, интенсивность поступающей радиации квантуется и запоминается. Значения запомненной энергии преобразуются в графические образы – изображение.

Рис. 1. Общий принцип работы дистанционного зондирования Земли

В процессе передачи излучения от объекта к датчику, происходит поглощение и рассеяние излучения в атмосфере, что приводит к искажению сигнала. Поэтому существуют различные виды обработки данных дистанционного зондирования предназначенные для снижения влияния атмосферы на изображения объектов местности.

Диапазон масштабов современных аэрокосмических снимков огромен: он может меняться от 1:1000 до 1:100 000 000, т. е. в сто тысяч раз. При этом наиболее распространенные масштабы аэрофотоснимков лежат в пределах 1:10 000—1:50 000, а космических — 1:200 000—1:10 000 000. Все аэрокосмические снимки принято делить на аналоговые (обычно фотографические) и цифровые (электронные). Изображение цифровых снимков образовано из отдельных одинаковых элементов пикселов, яркость каждого пиксела характеризуется одним числом.

Аэрокосмические снимки как информационные модели местности характеризуются рядом свойств, среди которых выделяют изобразительные, радиометрические (фотометрические) и геометрические. 

Изобразительные свойства характеризуют способность снимков воспроизводить мелкие детали, цвета и тоновые градации объектов, радиометрические свидетельствуют о точности количественной регистрации снимком яркостей объектов, геометрические характеризуют возможность определения по снимкам размеров, длин и площадей объектов и их взаимного положения.

Важными показателями снимка служат охват и пространственное разрешение. Обычно для исследований требуются снимки большого охвата и высокого разрешения. Однако удовлетворить эти противоречивые требования в одном снимке не удается. Обычно чем больше охват получаемых снимков, тем ниже их разрешение. Поэтому приходится идти на компромиссные решения либо выполнять одновременно съемку несколькими системами с различными параметрами.

3. Методика и результаты исследования

   1. Методика исследования

В анализ аэрокосмических материалов вошли данные весенних периодов (март, апрель, май) с 2012 по 2022 годов (10 лет). Выбор весенних месяцев обусловлен наличием периода снеготаяния, процессов цветения воды и выпадением обильных осадков, провоцирующих склоновые процессы – оползни и сели. В анализ вошли спутниковые данные по снимкам, сделанным в временной интервал с 10:30 по 11:30. Количество изученных дней в одном месяце составило 12 – 4 дня первой недели месяца; 4 дня середины месяца; 4 дня последней недели месяца.

Исследование аэрокосмических материалов осуществлялось по базе данных дистанционного зондирования морской поверхности, интенсивности исходящего из воды излучения (на длине волны 551 нм) и концентрации хлорофилла-А. Чёрного моря. Данные были получены через спектрорадиометр MODIS – Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, спутниковой системы «Aqua», с допустимым пространственным разрешением съемки около 1x1 км, систематизированным по датам в графическом и цифровом форматах. Основные параметры, применяемые в ходе исследования, с указанными характеристиками представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики исследования по дистанционному зондированию акватории Черного моря

Анализ изображений MODIS осуществлялся внутри секторов, указанных на рис. 1 (а,б,в), выделенного коричневым цветом. На основе цветовой классификации (шкалы) изображения, выявлялись участки с максимальными значения и фиксировалось количество таких участков.

а) б)

в)

Р ис. 1. Спутниковое изображение спектрорадиометра MODIS на 10:50 3.04.2017: а) Температура поверхности; б) Спектральный коэффициент яркости водной толщи; в) Концентрация хлорофилла-А

1. 2. Результаты исследования по воздействию геофизических факторов

Частичные результаты исследования представлены в таблице 2, а итоговые результаты мониторинга за 10 период в Приложении №1. В таблице 2 представлены результаты мониторинга за 2012 г. – начало исследования, 2017 г. – середина, 2022 г. – окончание работы. За один месяц по трем показателям было получено минимум по 12 значений.

Для прослеживания динамики изменений исследуемых показателей акватории Черного моря по каждому месяцу для каждого показателя рассчитывалось среднее значение. Сокращения, указанные в таблице: н – среднее значение, рассчитанное по данным начала месяца (за 4 суток); с – среднее значение, рассчитанное по данным середину месяца (за 4 суток); к – среднее значение, рассчитанное по данным конец месяца (за 4 суток).

Таблица 2. Результаты анализа данных спектрорадиометра MODIS

Постепенные изменения в температуре поверхностного слоя морской воды обусловлены сезонными изменениями. В апреле 2017 года были зафиксированы колебания температуры вблизи береговой линии восточного побережья Черного моря. Участки с «горячей» водой был приурочены к морским и портовым городам – Новороссийск, Анапа, Сочи, предположительно, промышленные сливы с предприятий могли нагреть поверхностный слой.

Повышения концентрации хлорофилла-А были зафиксированы в отдельные месяцы – апрель и май 2017 и 2022 гг, обусловленная значительным ростом биомассы фитопланктона, данные представлены на рис. 2 а).

а) б)

в)

Р ис. 2. Динамика изменений: а) Исходящее из воды излучение (551 нм); б) Концентрация хлорофилла-А; в) Температура

По графику прослеживается общая тенденция к незначительному снижению концентрации хлорофилла к летнему периоду. Значительный прирост биомассы в 2017 и 2022 году может быть связан с повышением средней сезонной температуры морской воды.

Постепенное увеличение исходящего из воды излучения, указанного на рис 2 б), по приближению к лету, может быть связано с талыми водами, усилением и увеличением водотоков русел рек. Различные вещества мигрируют по водным потокам и попадают в морскую акваторию. Резкие колебания в динамике могут быть вызваны перемещением веществ в оползневых и селевых потоках восточного побережья Черного моря.

На рис. 3 представлены итоговые данные проведенного мониторинга, на основе данных по дистанционному зондированию прибрежной акватории Черного моря в границах Российской Федерации. Данные приведены за весенний период (март, апрель, май) с 2012 г. по 2022 г., за начало, середину и коне каждого месяца, методика обработки спутниковых данных была представлена во 2 и 3 главах работы.

Рис. 3. Динамика изменения исследуемых показателей акватории Черного моря РФ с 2012 г. по 2022 г.

На основе выше представленных итоговых графиков, можно подтвердить динамику увеличения концентрации хлорофилла-А в акватории Черного моря в границах РФ. Под конец цветения водорослей, возрастает роль гетеротрофных видов, которые составляют от 0,5 до 38% суммарной биомассы фитопланктона. В поздневесенний период (конец апреля-май) в видовом составе могут доминировать диатомовые, перидиниевые, кокколитофориды. Представители родов Chaetoceros, Rhizosolenia могут составлять от 20 до 90% суммарной биомассы фитопланктона.

Колебания температуры поверхности воды и исходящего из нее излучения осуществляются достаточно хаотично. Единая динамика трудно прослеживается, это может объясняться тем, что данные факторы зависят от антропогенной нагрузки человека, а также от аномальных погодных явлений и экзогенно-геологических процессов.

Неравномерные сбросы загрязняющих веществ из рек и с прилегающих к черноморской акватории предприятий и заводов, смывы удобрений и пестицидов с сельскохозяйственных угодий после обильных осадков, сходы оползневых масс и селей – все вышеназванные позиции негативно отражаются на температуре и спектральный коэффициент яркости водной толщи.

Исходящее из воды излучения за последний 5-летний период усилилось. Если с 2012-2017 года коэффициент достигал максимального значения излучения в 3,5, то с 2017-2022 года максимальное значение составило – 5,5, а также увеличилась чистота проявления.

4. Выводы

На восточном побережье Черного моря Российской Федерации в шельфовой зоне были зафиксированы наиболее значительные колебания температуры поверхности, концентрации хлорофилла-А и излучения воды.

В апреле фиксируется максимальный прирост количества органического вещества за счет процессов фотосинтеза, тем самым обуславливая увеличения популяций фитопланктона. За весенние месяцы между 2012, 2017 и 2022 гг. не было зафиксировано значительных колебаний в излечении исходящим из воды.

Колебания температуры на поверхности акватории Черного моря фиксировались вблизи побережий Ставропольского, Краснодарского краев и Республики Крым. Устаревшие очистные сооружения на предприятиях, приводят к попаданию загрязняющих веществ в воды. В мае 2017 года были зафиксированы разливы нефтепродуктов, при помощи большой площади поверхности излучения морской воды.

Колебания (скачки) по исследуемым показателя, могут обосновываться тем, что за исследуемый период, на предприятиях могли заменить очистные фильтры, а изменения температуры в более низкую сторону приводят к сокращению численности фитопланктона.

Гипотеза исследования – предположение, что состояние береговой линии и акватории Чёрного моря к 2022 году ухудшилось – частично опровергнута, так как наиболее высокие показатели были зафиксированы в 2017, 2018 годах.

5. Список литературы

1. Бедрицкий А.И., Асмус В.В., Кровотынцев В.А., Лаврова О.Ю., Островский А.Г. Космический мониторинг загрязнения российского сектора Азово-Черноморского бассейна в 2008 г. Метеорология и гидрология. 2009; 3:5-19;

2. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в экологии и геологии. М., 1988. 343 с.

3. Полонский А.Б., Шокурова И.Г., Белокопытов В.Н. Десятилетняя изменчивость температуры и солености в Черном море // Морской гидрофиз. журн. 2013. № 6. С. 27–41;

4. Суслин В.В., Чурилова Т.Я., Ли М.Е. Мончева С., Финенко З.З. Концентрация хлорофилла-а в Черном море: Сравнение спутниковых алгоритмов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11. № 3. С. 64–72.

Приложение №1

Таблица. Результаты мониторинговых исследований акватории Черного моря Российской Федерации за 10 лет (2012 – 2022 года)