Φύλλο Εργασίας Η Θαλάσσια Ρύπανση c02-02-3

Σεναρίο

Κατά τη μέτρηση της εκπομπής μικροκυμάτων (1 ... 100 GHz περιοχή συχνοτήτων) του θαλασσινού νερού στην περιοχή των μεγάλων πετρελαιοκηλίδων, αποκτάμε μέγιστες και ελάχιστες τιμές από την ένταση του σήματος σε συγκεκριμένες τιμές για το πάχος του στρώματος του λαδιού στην επιφάνεια της θάλασσας (βλ. παρακάτω γράφημα ). Αυτό οφείλεται στην εποικοδομητική και καταστρεπτική παρέμβαση στο στρώμα του πετρελαίου η οποία είναι διαφανής στο φάσμα μικροκυμάτων και, συνεπώς, εξαρτάται από τη συχνότητα (ή: μήκος κύματος) που χρησιμοποιείται. Η επίδραση αυτή χρησιμοποιείται για την χαρτογράφηση των στρωμάτων του πετρελαίου στην επιφάνεια της θαλάσσης με την σάρωση μικροκυματικών ραδιομετρων (δεξιά εικόνα). Η θερμοκρασία φωτεινότητας του λαδιού που δίνεται σε απόλυτη θερμοκρασία (κλίμακα Kelvin), ως συνάρτηση του πάχους του πετρελαίου σε χιλιοστά, εμφανίζεται για τρεις συχνότητες στην μικροκυματική περιοχή. Η γωνία πρόσπτωσης του οπτικού ραδιομετρικού πεδίου στην επιφάνεια του πετρελαίου είναι 41° (5 GHz), 54° (17 GHz), και 50° (34 GHz).

Αριστερή εικόνα: Γεωμετρία της λειτουργίας σαρωτικού μικροκυματικού ραδιόμετρου. Δεξιά εικόνα: Βαρύ διαρροή μαζούτ με συνολικό όγκο 173, μετρούμενη με σαρωτή 32 GHz MWR. Η γωνία πρόσπτωσης του οπτικού ραδιομετρικού πεδίου στην επιφάνεια της θάλασσας είναι 40°. Η μέγιστη διακύμανση της θερμοκρασίας φωτεινότητα είναι 17 K.

Στη μικροκύματική φασματική περιοχή, το πετρέλαιο και το θαλασσινό νερό έχουν τις εξής ιδιότητες::

• Το πετρέλαιο είναι διαφανής και ως εκ τούτου μη απορροφητικό. Λόγο του νόμου του Kirchhoff δεν εκπέμπει θερμική ακτινοβολία. Η σχετική διαπερατότητα των πετρελαιοειδών είναι ε_r=2.0 στην περιοχή των μικροκυματικών φασμάτων, και ακολούθως για το δείκτη διάθλασης: n=1.41 (βλ. συμπλήρωμα 3 της ενότητας SEOS για την Κατανόηση Φασμάτων από τη Γη)
• Λόγω της υψηλής ηλεκτρολυτικής αγωγιμότητάς του εξ’αιτίας των διαλυμένων ιόντων αλατιού, το θαλασσινό νερό είναι πολύ απορροφητικό και ως εκ τούτου δεν είναι διαφανής για τα μικροκύματα. Η σχετική permittivity του θαλασσινού νερού είναι ε_r=90, και ακολούθως για το δείκτη διάθλασης: n=9.4 (στην ορατή περιοχή του φάσματος είναι n=1.33). Η επιφάνεια του νερού εκπέμπει θερμική ακτινοβολία εξ’αιτίας της υψηλής απορρόφησης, πάλι σύμφωνα με το νόμο του Kirchhoff. Η φασματική διανομή ακολουθεί τον νόμο της ακτινοβολίας του Planck με μέγιστο στο υπέρυθρο σε μήκος κύματος περίπου 10 μm. Εδώ εξετάζουμε μόνο το κομμάτι που είναι στη μικροκυματική περιοχή. Προέρχεται από το ανώτερο στρώμα του θαλασσινού νερού το οποίο το πάχος του είναι της τάξης του μήκους κύματος, δηλαδή, περίπου μερικά εκατοστά.

Για την καλύτερη κατανόηση των παρυφών παρεμβολών, κοιτάζουμε την εκπομπή μικροκυμάτων με θαλασσινό νερό και ένα στρώμα πετρελαίου στην επιφάνεια του νερού. Το κύμα διαδίδεται μέσω του πετρελαίου και αντανακλά μερικώς στην πετρελαιο-ατμόσφαιρα και την διεπαφή του πετρελαίου-νερού. Ερευνούμε τα κύματα τα οποία, επιτέλους διαθλούνται στον αέρα και διαδίδονται προς τον ανιχνευτή της κεραίας μικροκυμάτων. Κοιτάζουμε μια πορεία των ακτίνων με γωνία συχνότητας α και γωνία διάθλασης β στη διεπαφή του πετρελαίου-νερού. Το στρώμα του πετρελαίου έχει σταθερό πάχος d. Τα κύματα αντανακλούνται μερικώς και και διαβιβάζονται στη διεπαφή πετρελαίου-ατμόσφαιρας, η συχνότητα και οι γωνίες διάθλασης είναι β και γ. Το οπτικό πεδίο του μικροκυματικού ραδιόμετρου έχει μια γωνία πρόσπτωσης στην επιφάνεια της θάλασσας η οποία υποτίθεται ότι είναι το γ. Ακολουθώντας το νόμο του Snell, και η γωνία της συχνότητας και η γωνία της αντανάκλασης στο σημείο B είναι β. Το ίδιο ισχύει και στο σημείο C, καθώς και στην γωνία πρόσπτωσης στο σημείο D, λόγω των παράλληλων διασυνδέσεων νερού-λαδιού και λαδιού-ατμόσφαιρας. Οι γωνίες διάθλασης των κυμάτων και στις δύο διεπαφές, που φαίνεται στο δεξί διάγραμμα, ακολουθά το νόμο της διάθλασης του Snell: $\frac{sin\alpha }{sin\beta }=\frac{n_{oil}}{n_{water}}\frac{sin\gamma }{sin\beta }=\frac{n_{oil}}{n_{air}}(\text{with}{n}_{air}=1)$

Ένα στρώμα πετρελαίου με πάχος d στην επιφάνεια του νερού, και μικροκύματα με μια πορεία ακτίνων κατευθύνεται προς τον ανιχνευτή του μικροκυματικού ραδιομέτρου. Η μερική αντανάκλαση στη διεπαφή της ατμόσφαιρας του πετρελαίου-νερού οδηγεί στις παρυφές των παρεμβολών, όπως φαίνεται στο διάγραμμα στο πάνω μέρος της σελίδας.

Ερωτήσεις

1. Παρακαλούμε σχεδιάσετε δύο κύματα ξεκινώντας από τα σημεία Β και Γ, που έχουν μια φάση που οδηγεί σε εποικοδομητική και καταστρεπτική παρέμβαση, και συνεπώς στα μέγιστα και τα ελάχιστα αντιστοίχως του σήματος που έχει ανιχνευθεί
2. Υπολογίστε το μήκος κύματος των μικροκυμάτων στον αέρα και στο λάδι, με τις συχνότητες 5, 17 και 34 GHz. Τα μήκη κύματος βρίσκονται σε μια ποιοτική συμφωνία με τις τιμές για το πάχος του στρώματος του πετρελαίου όπου τα μέγιστα και τα ελάχιστα της θερμοκρασίας φωτεινότητας παρατηρούνται, όπως φαίνεται στο διάγραμμα στην προηγούμενη σελίδα;
3. Με τις δείκτες διάθλασης του νερού και του πετρελαίου όπως αναφέρονται ανωτέρω, θεωρήται ότι η γωνία συχνότητας α και ην γωνία διάθλασης β είναι τοποθετημένες σωστά στο διάγραμμα στα δεξιά; Ελέγξτε τις με το νόμο της διάθλασης του Snell! Για να το κάνετε αυτό, παρακαλούμε να αρχίστε με γ=50°, που είναι μια κανονική γωνία πρόσπτωσης μικροκυματικών ραδιόμετρων (βλ. λεζάντα στο δεξί γράφημα στο πάνω μέρος της σελίδας), και υπολογίσετε τις γωνιίες β και α.
4. Μπορείτε να προτείνετε τον σαρωτή MWR
   α) για τη διάκριση λεπτών ταινίων πετρελαίου που προκλήθηκαν από την ελεγχόμενη διαρροή από μεγαλύτερες ποσότητες πετρελαίου που προκλήθηκαν από τις ατυχηματικές απορρίψεις;
   β) για την επιτήρηση των εσκεμμένων απορρίψεων μικρών ποσότητων πετρελαίου γύρω στα 100 λίτρα ανά ναυτικό μίλι;
   γ) για την καθοδήγηση των σκαφών αντιμετώπισης πετρελαιοκηλίδων από τυχαία απόριψη μεγάλων ποσοτήτων πετρελαίου;
5. Το πετρέλαιο που απορρίφθηκε στη θάλασσα υπόκειται στις επιδράσεις των μεταβολών των καιρικών συνθηκών του ανέμου και των κυμάτων. Ειδικότερα, τα σταγονίδια του νερού αναμιγνύονται στο στρώμα του πετρελαίου, με αποτέλεσμα την γαλακτωματοποίηση («μους σοκολάτας»). Είναι δυνατόν να ανιχνευθούν και να ποσοτικοποιηθούν τα διαβρωμένα έλαια στην επιφάνεια της θάλασσας με ένα σαρωτή MWR;
6. Ένα άλλο αποτέλεσμα της διάβρωσης είναι η εξάτμιση των πτητικών ουσιών του πετρελαίου, οδηγώντας σε αύξηση της πυκνότητας των πετρελαίων. Η πυκνότητα μπορεί δηλαδή να υπερβεί την πυκνότητα του θαλασσινού νερού. Στη συνέχεια, το λάδι κατακλύζει και επιπλέει στη στήλη ύδατος. Θα ήταν εφικτός ο εντοπισμός βυθισμένων ελαίων με σαρωτή MWR;

Διαδικσία

1. Πρώτο μάθημα στην τάξη: Μαζευτείτε σε ομάδες μέχρι 5 μέλη, και
   
   
   • Συζητήσετε τις ερωτήσεις σχετικά με τα φυσικά χαρακτηριστικά των πετρελαίων και τη συμπεριφορά τους στην επιφάνεια του νερού,
   • Αποφασίζετε ποιες πληροφορίες μπορεί να χρειαστείτε να λύσετε το πρόβλημα, και
   • Δώσετε μια εργασία σε κάθε μέλος της ομάδας σας που πρέπει να επιλυθεί μέχρι το επόμενο μάθημα στο σχολείο.
   
   Αυτό θα σας επιτρέψει να λύσετε το συγκεκριμένο πρόβλημα και να παρουσιάσετε τα αποτελέσματα στην τάξη σας.
   
   Σημείωση: δεν χρειάζονται όλες οι πληροφορίες που προσφέρονται για την επίλυση του προβλήματος! Είναι στο χέρι σας να αποφασίσετε ποιες πληροφορίες μπορεί να χρειαστείτε.
   
   
2. Δουλειά για το σπίτι: Επιλύσετε το πρόβλημα που έχει ανατεθεί σε εσάς από την ομάδα σας.
   
   
3. Δεύτερο μάθημα στην τάξη:
   
   
   • Παρουσιάσετε τι έχετε μάθει στην ομάδα σας
   • Συζητήσετε για το πως τα ευρήματά σας μπορούν να σας βοηθήσουν να απαντήσετε στην ερώτηση 4, δηλαδή την επιλογή των καλύτερων μέσων και μεθόδων για ένα συγκεκριμένο σενάριο
   • Παρουσιάσετε τα αποτελέσματά σας στην τάξη σας, χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που βρήκατε στον έρευνά σας.

Υλικά

• Έκδοση του φύλλου εργασίας: Παρυφές παρεμβολών του λαδιού στο νερό, ως μορφή για εκτύπωση rtf
• Η πετρελαϊκή ρύπανση και η τύχη του πετρελαίου στη θάλασσα
• Αερομεταφερόμενη θαλάσσια επιτήρηση πετρελαιοκηλίδων
• Το ραδιόμετρο μικροκυμάτωνr
• Πρόσθετο φύλλο εργασίας: Παρυφές παρεμβολών του λαδιού στο νερό, ως σελίδα html ή ως μορφή για εκτύπωση rtf