155GEO-ECO-MARINA 14/2008 SUPLIMENT NR. 1 tiinele Pmntului, Cunoatere i Mediu Sesiune anual de comunicri tiinifice

1. IntroducereInvestigarea polurii apelor marine presupune evalua-

rea strii principalelor componente marine fitoplanctonul i substana galben sau materia organic dizolvat (DOM), inclusiv identificarea precoce a prezenei elementelor polu-ante, precum produsele petroliere. Una dintre metodele cele mai moderne de diagnosticare a polurii pentru zone ntinse este teledetecia satelitar. Totui, n condiiile prezenei unor pelicule suficient de groase de petrol, datele satelitare sunt puternic afectate de erori, care conduc la interpretri eronate. Aceasta se datoreaz faptului c poluantul intervine n pro-cesul de absorbie i emisie a luminii modificnd informaia fr ca acest lucru s poat fi semnalat [a]. Aadar, n astfel de cazuri este oportun ca datele satelitare s fie corelate cu date de alt tip, care s contribuie la eliminarea erorilor, dar fr a se pierde din avantajele principale ale teledeteciei: rspunsul n timp real i acoperirea unor zone ntinse. Fitoplanctonul a fost prima component marin pentru care s-au demonstrat capacitile teledeteciei active laser. Fenomenul fizic util n acest tip de investigri l constituie fluorescena indus de fasciculul laser la interaciunea cu clorofila i hidrocarburile din ap. Aplicaia ofer informaii despre prezena, tipul i concentraia elementului respectiv. Semntura spectral de fluorescen, caracteristic fiecrui compus poluant, conduce

AplicAii liDAR pentRu DiAgnosticAReA De lA DistAn A poluRii cu hiDRocARbuRi n zonA

costieR A MRii negReJeni-GeorGeta VaSiLeSCU(1), LiVio BeLeGante(1), VaSiLe BaBin(1), CLaUdia StreCHie-SLiWinSKi(2)

(1)Institutul Naional de C-D pentru Optoelectronic , Mgurele, jud Ilfov (2)INCD GEOECOMAR, Str. D. Onciul, nr. 23-25, 024053 Bucureti, Sect. 2, claus@geoeomar.ro

Abstract. Lucrarea prezint rezultatele preliminare referitoare la investigarea polurii marine cu hidrocarburi, inclusiv detectarea i caracterizarea polu-anilor petrolieri din zona costier a Mrii Negre. Scopul principal este de a demonstra utilitatea teledeciei active i de a caracteriza semntura spectral a compuilor fluoresceni din zona investigat. Pentru aceasta, a fost realizat o campanie de msurtori n timpul creia a fost utilizat tehnica LIDAR (teledecia laser) n combinaie cu msurtorile clasice a parametrilor fizico-chimici ai apei, de clorofil i zooplancton ntr-o zon cuprins ntre Cap Midia, spre nord si localitatea Eforie Nord, n sud.

Cuvinte cheie. fluorescena indus laser, LIDAR, materie organic dizolvat (DOM), clorofil

la izolarea, identificarea i caracterizarea acestuia. Concentra-ia de clorofil a este un indicator al ntinderii zonelor n care este prezent fitoplanctonul i totodat al strii apei din punct de vedere ecologic. Monitoriznd fluorescena fitoplancto-nului se pot afla cauzele descreterii populaiilor marine i se poate estima productivitatea primar la scar global, dat fiind faptul c o arie sntoas este indicat de o fluorescen sczut a fitoplanctonului.

Studii utiliznd sisteme LIDAR de fluorescen au fost realizate de ctre echipe de cercettori din Italia, Germania, Rusia, Estonia n Oceanul Atlantic [b], Oceanul Pacific, Marea Adriatic [c], Marea Baltic [d] Marea Mediteranean, Marea Nordului, Antarctica [e], i au vizat ntocmirea de hri privind distribuia n aria studiat i evoluia temporal a fitoplancto-nului, estimarea polurii marine i determinarea parametrilor hidrografici, maximul de vizibilitate al sistemelor LIDAR. Te-ledetecia activ permite acumularea de date semnificative statistic privind compuii fluoresceni nu doar la suprafa, ci n adncimea coloanei de ap, nu doar punctual, ci pe arii ntinse, i posibilitatea de a pune n eviden i caracteriza, n acelai timp, eventuale filme de petrol prezente la suprafaa zonelor investigate.

Aceast lucrare prezint o parte din rezultatele obinute n cadrul unui proiect care a urmrit utilizarea aplicaiilor LI-

156 GEO-ECO-MARINA 14/2008 SUPLIMENT NR. 1 tiinele Pmntului, Cunoatere i Mediu Sesiune anual de comunicri tiinifice

J. Vasilescu, L. Belegante, V. Babin, C. Strechie-Sliwinski Aplicaii LIDAR pentru diagnosticarea de la distan a polurii cu hidrocarburi n zona costier a Mrii Negre

DAR pentru diagnosticarea de la distan a polurii accidentale cu produse petroliere n zona costier a Mrii Negre.

2. deterMInrI eXPerIMentALe

a. sistem experimental

Pentru diagnosticarea de la distan a polurii n zona costier a Mrii Negre s-a utilizat un sistem LIDAR de fluores-cen. Principiul unui sistem LIDAR const n trimiterea unei radiaii electromagnetice ctre inta de investigat i examina-rea semnalului de ntoarcere. Un sistem LIDAR cuprinde, n principiu, o surs laser i un receptor care are la baz un tele-scop (Fig. 1). n cazul investigrii mediului acvatic radiaia la-ser emis este direcionat pentru a interaciona cu suprafaa apei din zona de interes. n funcie de proprietile optice ale acesteia, radiaia ptrunde la o adncime mai mare sau mai mic, este absorbit, componenii fluoresceni emit radiaia de fluorescen care apoi este captat de telescop i direcio-nat ctre unitile spectrale pentru detecie i analiz, fiind ulterior stocat ntr-un computer.

Fig. 1 Schema bloc a unui sistem LIDAR

Principala facilitate a utilizrii sistemelor LIDAR de fluo-rescen o reprezint abilitatea de a sonda de la distan (zeci de metri), un anumit volum de ap dependent de propriet-ile optice, n timp real. Teledetecia presupune achiziia de date i informaii despre anumite componente ale mediului investigat prin detectarea i msurarea radiaiei, particulelor i cmpurilor asociate cu obiecte localizate n vecintatea senzorului. Utilizarea radiaiei luminoase permite obinerea rspunsului n timp real i, printr-o achiziie succesiv a sem-nalului, ridicarea de profile funcie de distana pn la int.

Sistemul LIDAR de Fluorescen (FLUORES) utilizat are la baz un laser cu excimeri (XeCl - 308 nm) i un laser colorant (acordabil - 367 si 460 nm), iar distana optim pentru care telescopul poate capta lumina este de 10 50 m.

b. Aria investigat

Campania de msurtori a fost efectuat n zona costier de nord-vest a Mrii Negre, de la Cap Midia n nord, pn n dreptul localitii Eforie Nord, n sud. Msurtorile au fost re-alizate pe profile paralele, cu lungimi de 2-3 km, n perioada 26 -29 aprilie 2007.

3. rezuLtAte I dIscuIIPentru determinarea distribuiei materiei organice di-

zolvate (DOM) i evidenierea contaminrii cu hidrocarburi s-a utilizat radiaia de 308 nm a laserului cu XeCl, iar pentru determinarea distribuiei de clorofil a radiaia de 460 nm a laserului cu colorant.

n figura 2 se poate observa un semnal LIDAR compus din linia Raman i semnalul de fluorescen specific materiei dizolvate; n schimb n figura 3 se observ semnalul de flu-orescen pentru clorofila a, n cazul unei coloane de ap limpede la excitare cu radiaia de 460 nm.

Fig. 2 Semnalul Lidar la excitarea cu lungimea de und de 308 nm

Fig. 3 Semnalul Lidar la excitarea cu lungimea de und de 460 nm

Figurile 4 i 5 prezint distribuiile de DOM i clorofil n zona Portului Constana, determinate utiliznd sistemul LIDAR de fluorescen. Se poate observa o distribuie apro-ximativ constant a materiei organice dizolvate n timp ce prezena fitoplanctonului este condiionat de nutrienii

157GEO-ECO-MARINA 14/2008 SUPLIMENT NR. 1 tiinele Pmntului, Cunoatere i Mediu Sesiune anual de comunicri tiinifice

J. Vasilescu, L. Belegante, V. Babin, C. Strechie-Sliwinski Aplicaii LIDAR pentru diagnosticarea de la distan a polurii cu hidrocarburi n zona costier a Mrii Negre

existeni i influenat de factori antropici. Aria punctelor reprezint valoarea materiei organice n acel punct din port, valoarea minim este de 3.2, iar cea maxim de 6.5 uniti re-lative. n figura 5 aria punctelor reprezint valoarea clorofilei a estimat prin utilizarea laserului cu colorant (460 nm) pen-tru excitarea coloanei de ap, valoarea maxim fiind de 32, iar minimul de 1.3 uniti relative.

Fig. 4 Distribuia relativ a DOM-ului estimat cu ajutorul siste-mului LIDAR n Portul Constana

Fig. 5 Distribuia relativ a clorofilei a estimat cu sistemul LIDAR

Semnalul nregistrat la excitarea cu lungimea de und de 460 nm evideniaz distribuia clorofilei n aria investigat.

Aa cum era de ateptat nflorirea fitoplanctonului s-a produs numai n anumite zone, avnd o valoare aproximativ con-stant de-a lungul rmului romnesc, n schimb n zona de vrsare a Dunrii n mare s-au identificat cele mai mari valori. n figura 6 se poate observa distribuia clorofilei de-a lungul rmului romnesc de la Portul Constana pn la Nord Cap Midia. n aceast zon valorile pentru clorofil sunt mai mici dect cele din zona portuar, avnd un maxim de 0.7 uniti relative.

n perioada campaniei nu s-au observat diferene semni-ficative n distribuia materiilor organice de-a lungul rmului romnesc, valorile maxime nregistrate cu echipamentul LI-DAR de fluorescen fiind de 5.7 uniti relative. Zona semnifi-cativ diferit este cea de vrsare a Dunrii, unde concentraia de DOM este de 1.5 ori mai mare, observndu-se diferena i n semnturile spectrale. Din analiza semnalului de fluores-cen se poate diferenia materia organic dizolvat specific apelor dulci sau mrilor i oceanelor.

Fig. 6 Distribuia clorofilei n zona costier a Mrii Negre

Figura 7 (a i b) prezint zonele din Portul Constana unde au fost identificate pelicule de petrol sau carburani. Zona de tranzit a vaselor pentru intrare i ieire din port este marcat de o pelicul de petrol, mrimea punctelor fiind proporiona-l cu valoarea concentraiei petrolului n fiecare punct, valoa-rea maxim fiind de 1.9 uniti relative. Pete de carburant s-au identificat doar ntr-o zon restrns a portului, valoarea ob-inut fiind de 2.275 uniti relative. Lund n calcul ntreaga zon costier a Mrii Negre s-au identificat pete de motorin n perimetrul portului Midia i n apropiere de portul Constan-a, zona golfului Mamaia fiind o arie curat, valoarea maxim obinut fiind de 0.65 uniti relative. n cazul Portului Midia s-au identificat produi petrolieri sub form de emulsii.

158 GEO-ECO-MARINA 14/2008 SUPLIMENT NR. 1 tiinele Pmntului, Cunoatere i Mediu Sesiune anual de comunicri tiinifice

J. Vasilescu, L. Belegante, V. Babin, C. Strechie-Sliwinski Aplicaii LIDAR pentru diagnosticarea de la distan a polurii cu hidrocarburi n zona costier a Mrii Negre

4. concLuzIIInvestigaiile efectuate au permis evidenierea unor tr-

sturi importante ale mediul acvatic marin, metoda utilizat dovedindu-se suficient de sensibil n evaluarea calitii apei. Utilitatea metodei de fluorescene induse laser a fost testa-t prin intermediul unui sistem LIDAR de fluorescen in situ. S-au pus n eviden caracteristicile semnalului de fluorescen- att pentru probele de ap, ct i pentru urme de poluani de tipul petrol, motorin sau emulsii.

Utiliznd sistemul LIDAR s-a putut evalua distribuia cloro-filei i a DOM-ului pe diverse profile, de-a lungul coastei i n interiorul porturilor. Distribuia relativ a materiei organice di-zolvate i a clorofilei a este aproximativ constant de-a lungul profilelor LIDAR, fluctuaiile cele mai importante fiind observa-te doar n cazul clorofilei, n perioada efecturii investigatiilor

pe mare nfloririle avnd loc doar n zone restrnse. n general diferene semnificative ale concentraiilor de materie organic i clorofil sunt evidente la compararea valorilor din msurtori obinute pentru zonele portuare i restul coastei. n interiorul unui port cantitatea de clorofil este mare, aproximativ con-stant, mediul facilitnd nflorirea masiv, salturi importante producndu-se pentru zonele unde sunt conducte de dever-sare sau unde se desfoar activiti antropice.

Datele LIDAR sunt n acord cu cele obinute prin metode standard. Ele atest utilitatea i performanele LIDAR-ului de fluorescen n monitorizarea mediului, cu achiziia de date n timp real i cu posibilitatea de a evalua unui volum mare de ap ntr-o perioad scurt de timp. A fost demonstrat capabilitatea echipamentului de fluorescen n detectarea zonelor poluate i n obinerea de distribuii ale clorofilei i ale materiei organice dizolvate.

b. Puncte din cadrul portului unde s-au identificat pete de carburanta. Zone din portul Constana unde s-au identificat filme de petrolFig. 7 Distribuia poluanilor petrolieri de-a lungul coastei romneti a Mrii Negre

BIBLIogrAfIeBarBini r. et al., Spectral and time reSolved meaSurementS of pollutantS on

water Surface By a Xecl laSer fluoroSenSor, earSel advanceS in remote SenSing, 1(2):46-51, 1992

Boychuk i.v., dolenko t.a., fadeev v.v., kompitSaS m., reuter r., Real abilities and pRoblems of laseR monitoRing (in situ) of oil pollution in coastal maRine wateRs, proc.earSel-Sig-workShop lidar, 2000, p.115-122

Boychuk i.v., dolenko t.a., fadeev v.v., kompitSaS m., reuter r., Real abilities and pRoblems of laseR monitoRing (in situ) of oil pollution in coastal maRine wateRs, proc.earSel-Sig-workShop lidar, 2000, p.115-122

hengStermann, reuter r., lidaR fluoRosensing of mineRal oil spills on the sea suR-face, appl.opt., 29, 22, 1990

iohnSon d., celliS i., chriStien g., Rapid fluoRescence spectRoscopy, anal. chem., 49:747A-757A, 1977

lakowicz, J.r., pRinciples of fluoRescence spectRoscopy, plenum preSS, new york, 1983

guilBault g.g., pRactical fluoRescence, modern monographS in analytical chemiStry, 3, 1990.

poryvkina l., leeBen a., diagnostics of oRganic compounds in wateR quality mo-nitoRing, procc. of 4th international conference on marine and coaStal environment, 469-475, 1997

reuter r., dieBel d., hengStermant, oceanographic laSer remote SenSing: mea-Surement of hydrographic frontS in german Bight and in the northen adriatic Sea, int. J. remote SenSing, 14 (5):832-848, 1993

yentSch c.S., phinney d.a., spectRal fluoRescence: a taxonomic tool foR studying the stRuctuRe of phytoplankton populations, J. plankton reS.,7:617-632, 1985.