Fjernmåling av akutt oljeforurensning - i dag og i fremtiden

Transkript

1 Fjernmåling av akutt oljeforurensning - i dag og i fremtiden NOFO Molde - 1. september 2011 Jørn Harald S. Andersen siv.ing NOFO jha@nofo.no

2 Dagens program Pause Pause Introduksjon, mål, begreper Fjernmålingsparagrafen Visuell vurdering - Appearance Code De enkelte fjernmålingsverktøyene i dag, og tolking av data De enkelte fjernmålingsverktøyene i dag og i framtiden

3 Fjernmåling hjelper oss med å oppdage olje samt å skille mellom bekjempbar og ikke bekjempbar olje

4 ... slik at forurensningen kan: 1. Samles opp mekanisk, 2. Behandles med dispergeringsmidler, eller 3. Overvåkes mens den brytes ned som følge av naturlige prosesser.

5 Dagens mål Å gi en grunnleggende introduksjon til fjernmåling av akutt oljeforurensning med tilhørende verktøy og metoder, samt deres muligheter og begrensninger. Hovedfokus er lagt på fjernmåling under en aksjon, men kunnskapen vil også kunne være aktuell i forbindelse med etablering av planverk etter 57 i aktivitetsforskriften.

6 Fjernmåling Med fjernmåling menes et system som uavhengig av sikt, lys og værforhold kan oppdage og bestemme posisjon, areal og mengde av forurensning på havoverflaten. Ved fjernmåling er det ikke fysisk kontakt mellom sensorer og forurensningen. Fjernmåling innebærer datainnsamling og tolking, ikke beregninger og prognoser frem i tid. Fjernmåling kan utføres fra satellitt, fly, helikopter, aerostat, drone, innretning, skip eller land. Sensorene kan være aktive (sende ut & motta energi), eller passive (kùn motta energi).

7 Formålet med overvåking 1: Å oppdage akutt oljeforurensning. 2: Å bidra til at de riktige tiltakene blir satt i verk for å stanse, avgrense og kartlegge forurensningen. Overvåkingen skal kunne: 1. Oppdage akutt oljeforurensning under alle sikt og lysforhold. 2. Sikre en rask, grov oversikt over mengde olje på overflaten. 3. Kartlegge bekjempbar olje, og gi operative råd slik at aksjonens effektivitet blir mest mulig optimal. 4. Dokumentere tiltakenes effektivitet, forurensningens miljøeffekter og aksjonens utvikling over tid. Det norske overvåkingsflyet LN-TRG ( Sundt Air )

8 Miljøhensyn i sentrum = å sette inn de tiltak som total sett gir minst skade ( med rimelig hensyn til kostnadseffektivitet ) Det operative systemet forutsetter: At vi til enhver tid har god oversikt over oljeforurensningens utbredelse, egenskaper og oljebudsjett. Dette krever: God kjennskap til den spesifikke oljens forvitring på sjøen. God forståelse og tolkning av tilgjengelige fjernmålingsdata.

9 Forkortelser UV UltraViolet IR InfraRed SLAR Side Looking Airborne Radar SAR Synthetic Aperture Radar betyr også: Search And Rescue FLIR Forward Looking InfraRed AIS Automatic Identification System GIS Geographical Information System IFR VFR UTC Instrument Flight Rules (instrumentflyvning) Visual Flight Rules (visuell flyvning) Universal Time (Coordinated) UTC = Norsk tid minus 1 time / Norsk sommertid minus 2 timer

10 Det elektromagnetiske spektrum Det ultraviolette spektrum ligger mellom synlig lys og røntgen. Det infrarøde spektrum ligger mellom synlig lys og radarbølger. Radarenes spektrum ligger mellom infrarødt spektrum og kringkasting (TV/radio) Det er disse tre spektra som blir benyttet av fjernmålingssensorene. * 1000 mm = 1 mm Laser eller reflektert sol-lys Spesielt 8-14 mm* Spesielt 9-10 GHz, X-band

11 Fjernmålingsparagrafen Krav til overvåking av akutt forurensning rundt innretninger på sokkelen

12 57 i aktivitetsforskriften Fjernmåling av akutt forurensning Operatøren skal etablere fjernmålingssystem som gir tilstrekkelig informasjon til å sikre at akutt forurensning fra innretningen raskt blir oppdaget og kartlagt slik at utslippsmengde og spredning kan fastslås. Fjernmålingssystemet skal ses i sammenheng med regionale fjernmålingsplaner som nevnt i denne forskriften 78. Med akutt forurensning menes (Forurensningsloven 36): Forurensning av betydning, som inntrer plutselig, og som ikke er tillatt etter bestemmelsene i, eller i medhold av, denne lov.

13 57 i Aktivitetsforskriften - veiledningsteksten Med fjernmåling menes et system som uavhengig av sikt, lys og værforhold kan oppdage og kartlegge posisjon, areal, mengde og egenskaper til akutt forurensning. Et slikt system kan bestå av sensorer og utstyr plassert i satellitt, fly og helikopter, eller på fartøy og innretninger med tilhørende tjenester og prosedyrer. Formålet med fjernmålingen er å sikre at informasjonen om forurensningen er tilstrekkelig til at de riktige tiltakene blir satt i verk for å oppdage, stanse, avgrense og kartlegge forurensningen. Fjernmålingssystemet kan bestå av a) Prosedyrer for varsling av observasjoner utført av personell på innretning, fartøy og luftfartøy, b) Kompetanse for tolking av overvåkingsdata fra de ulike tilgjengelige sensorene, c) Modellverktøy for prediksjon av transport og spredning av akutt forurensning, d) Kompetanse for visuell kvantifisering av olje og kjemikalier ved hjelp av arealmåling og fargetykkelseskart for den aktuelle olje og kjemikalietypen, e) Meteorologiske tjenester som er nødvendige for å understøtte fjernmålingen, f) Systemer for å oppdage og kartlegge akutt forurensning i resipientene. For at fjernmålingssystemet skal oppdage akutt forurensning av betydning, bør området rundt innretningen fjernmåles regelmessig. Dette innebærer at responstid for fjernmåling ikke bør overstige minste drivtid til sårbare ressurser ved kysten, på havoverflaten eller i vannsøylen. Det bør tas stilling til behov for kontinuerlig fjernmåling. Det bør foreligge en plan for fjernmålingen basert på en miljørettet risikoanalyse, jf. styringsforskriften 17

14 Visuell vurdering Bonn Agreement Appearance Code

15 Rainbow Sheen Metallic True color

16 Bonn Agreement Appearance Code 25% - 09:30

17 B = 2 km L = 4 km Arealvurdering: - Sheen - 15% - Rainbow - 10% - Metallic - 40% - True Color - 35%

18

19 De enkelte fjernmålingsverktøyene - Når trengs de? - Hvor kan de skaffes? - Hva slags informasjon gir de oss? Hva er begrensningene?

20 Når trenger vi fjernmåling? Fakta om lys og sikt i norsk farvann To utfordringer innen fjernmåling: - Mangel på lys - Mangel på sikt Mangel på lys alene håndteres ganske bra i dag, men mangel på sikt (i dagslys eller mørke) er en større utfordring. Tåke og flat sjø = håpløst. Kategorisering av lys og sikt: (0 Dagslys, høyt skydekke, god sikt)

21 Fakta om lys og sikt Hvor mye mørke? NB! Samlet sett over året er det mer operasjonslys i nord enn sør! Operasjonslys = solen står høyere enn 6 grader under horisont

22 Fakta om lys og sikt Samlet vurdering av dagens situasjon Utfordringene knytter seg til:

23 Plattformer for overvåkingssensorer

24 Bærere av sensorer Helikopter AS332 (hav) Radarsatellitter Aerostat: OceanEye Helikopter AS350 (kyst) Skip: (NOFO) Fly: Beech 350ER - LN-KYV

25 LN-TRG LN-KYV

26 GIS AIS Laser skudd & FLIR styring RADAR IR/UV FLIR +VIDEO +FOTO Overvåkingsfly - systemoperatør

27 LN-TRG

28 LN-TRG MSS6000 GIS system, kart med AIS, Target liste, SLAR-bilde & funksjonsstyring

29 Svenske kustbevakningens 3 nye fly Bombardier Dash-8 Q300 MSA m/apu Rekkevidde: 4100 km max, typisk 7 timer Kan slippe redningsflåter, bøyer mv. IR/UV FLIR Foto/video ELA EL/M 2022 (V)3 SAR, ISAR & SLAR Film!

30 Satellitt European Remote Sensing Satellite 2 (ERS-2). Environmental Satellite - ENVISAT (VV). RADARSAT 1 (HH) & 2 (multi) IKONOS, IRS m.fl. ENVISAT Satellitter gir lys- og siktuavhengig deteksjon og dekker store områder med 1-2 dagers intervall. Egnet for 50 oppfyllelse når den kombineres med supplerende overvåkingstiltak. NOFO kjøper nå en løpende satellittjeneste for hele sokkelen fra KSAT.

31 Satellittvarsel fra KSAT - metode

32 Satellittbaner og dekning Solsynkrone polbaner innebærer at satellittene passerer over et område på om lag samme lokaltid hver dag. Typisk omløpstid rundt jorden er 100 minutter ( hastigheten er ca km/t ), høyde 750 km. Jo nærmere polene et havområde ligger, jo bedre blir dekningen gunstig for Norge! Etter typisk 35 døgn, gjentar satellitten sitt radarspor på jordoverflaten, men det er mange overlappende områder innenfor denne tidsperioden. RADARSAT 2 (fra mai 08) kan bruke sin antenne i 2 ulike spor - samme posisjon kan dekkes oftere. I 2008 kan ERS-2, RADARSAT 1 & 2 og ENVISAT dekke hele sokkelen så godt som daglig. Illustrasjon:

33 Hva er maksimal dekningsgrad? Eksempel fra en nasjonal prøveperiode mars scener i løpet av 14 døgn (5,2 pr. døgn) - 34 fra Radarsat, 39 fra Envisat - 6,5 millioner km 2 akkumulert En tilsvarende akkumulert dekning med SLAR i fly ville krevd 440 flytimer!

34 NOFOs satellittjeneste i bilder ble levert ( = 2600 flytimer). Fokus på områder med aktivitet. 50% -10:30

35 En ukes dekning med RADARSAT 1 Èn passering

36 Satellitt-dekningen kan styres!

37 De enkelte sensorene

38 Karakteristiske egenskaper for radar (X-bånd) Radar er en aktiv sensor, dvs. at den sender ut energi. Den opererer uavhengig av lys, skyer og sikt, og er derfor en viktig sensor for deteksjon. Radar kan detektere olje gjennom oljens demping av krusninger på sjøoverflaten. Den kan posisjons- og arealbestemme olje på sjø. Vertikal polarisasjon (VV) er best. Indikasjoner i grov sjø øker sannsynlighet for at det kan være en større oljemengde. Radar er følsom for krusninger på sjøoverflaten som er 2-4 cm lange. Oljen behøver derfor ikke påvirke de store bølgene, det er krusningene (variasjon i ruhet) som blir målt.

39 Radar - begrensninger Radar kan ikke beregne oljemengde på sjø. Den blir påvirket av kraftig nedbør enten direkte ved at radarstrålene hindres, eller ved at nedbør påvirker krusninger på sjøoverflaten. Andre stoffer enn olje kan også gi bølgedemping, en indikasjon på radar er ingen garanti for at det er olje. Ved grov sjø vil oljens evne til å danne en kontinuerlig overflatefilm avgjøre om radardeteksjon er mulig. Ved helt "flat sjø" vil radar ikke gi informasjon (sort bilde). Ved lite vind kan stillebelter gi feiltolking. Fly- og satellittbasert radar - mindre egnet i kystfarvann

40 I fly: Side Looking Airborne Radar (SLAR V V) SLAR er en sensor spesialutviklet for olje (gammel, enkel militær teknologi). Kortvarige fenomen blir midlet ut slik at bare permanent demping synes. Maksimal rekkevidde er ca. 40 km ut til hver side for flyet. Sender ut signaler sideveis mens flyets bevegelse forover utnyttes. Gir et to-delt bilde, ett for hver side av flyet. Enten posisjonert overfor hverandre på skjermen, eller i bredden.

41 Flybasert SLAR begrensninger Blindsone under flyet lik 2X flyhøyde. Grov oppløsning, men stor arealdekning. Radarskygge bak plattformer og øyer kan gi feiltolking. Strømskjær, lite vind, og observasjon i kystnært farvann gir fare for feiltolking. SLAR bilde lagt inn i flyets GIS system med AIS informasjon (Barents Rescue) Kilde: Kystverket/Helitrans AS

42 SLAR tolking ny radar LN-TRG & KYV Dato Flyets posisjon Flyets kurs - opp i bildet Flyets posisjon i bildet Tid UTC Flyets hastighet bølgedempet areal 10 km Blindsone under flyet Babord side Styrbord side

43 SLAR tolking gammel radar Flyets posisjon. 2. Operatørens target (TGT). 3. Kystlinje med øyer. 4. Flyets bevegelsesretning. 5. Bølgedempet område. 6. Distansemerker, 10 km. 7. Blindsone under flyet. 8. Dato, tid, flyets kurs. 9. Flyets posisjon, tokt nr. 10. Posisjon for TGT og flyets høyde i fot

44 SLAR eksempel?

45 Satellittbasert SAR - virkemåte En rekke radarpulser sendes ned mot samme område mens satellitten forflytter seg mellom hver puls. Vertikal polarisasjon (VV) er best. Refleksene fra hver puls sendes til jordstasjon der kraftig databehandling genererer ett radarbilde av alle pulsene. Resultatet blir som om en svært lang antenne ble benyttet det gir meget god oppløsning. Satellittene befinner seg i km høyde, radaren virker innenfor et spor litt til side for satellittens bane over jordoverflaten. Tilgang på data avhenger av hvordan andre kunder i verden benytter samme baneomløp. SAR-bildene er kvalitativt nokså lik SLAR mhp. tolking, men de gir ikke radarskygge bak objekter.

46 Foto: KSAT/Radarsat Radarsat Zoom Envisat dagen etter 09:39 UTC Radarsat, 4. APRIL 08, 05:35:34 UTC, Posisjon: N69 57,04 E015 04,10

47 KV Harstad Fjernmålingstest April 2008

48 Sattellittbasert SAR - eksempel Kilde: KYD/KSAT

49 SAR - eksempel Produsert vann eller akutt oljeforurensning? Kilde: KYD/KSAT

50 SAR - eksempel Olje? Kilde: KYD/KSAT

51 Troll C testutslipp - 5 desember 2008 kl. 18:15 sett fra Radarsat 2, 8 meter oppløsning SAR Kilde: StatoilHydro ASA Troll C testutslipp - 5 desember 2008 kl. 15:30

52 Stasjonære og skipsbaserte navigasjonsradarer HH Flere titalls bilder hentes inn fra skipets ordinære navigasjonsradar ( Short Pulse, 3 cm radar, HH polarisasjon ) Bildene databehandles kraftig slik at endring i sjøens ruhet blir synlig. På skip: Rekkevidde 1-3 nm, hjelpemiddel for å samle olje i lensesystemer i mørke/redusert sikt når andre fjernmålingssystem ikke er tilgjengelig. På innretning: Automatisk deteksjon og potensial for rekkevidde inntil 8 km fra skip, kanskje 15 km fra plattform m/ VV polarisasjon...? ( Medium Pulse )

53 NOFO & KYD Olje på vann forsøk April 2008 Flyfoto & skipsbasert radar, samme tidspunkt

54 NOFO Olje på vann 2005 MIROS OSD Radar 75% - 11:30

55 NOFO olje på vann m 3 olje, automatisk deteksjon og beregning av oljens forflytting Utslippet sett fra Stril Poseidon

56 Medium puls forsøk i 2004 max rekkevidde for antennehøyde 15 m 3500 meter

57 Fremtiden: Portabel FMCW* radar (15+ GHz) * FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave

58 Infrarøde (IR) sensorer Forsøk viser at de IR-sensorer som er mest effektive for oljeovervåking dekker bølgelengde området 8-14 mm. IR-sensorene er passive, de registrerer stråling i infrarødt område. Vann og olje fremstår med ulik temperatur under de aller fleste forhold. Svært tynne oljefilmer ("shine") vil normalt ikke gi utslag på IR. IR-sensorer kan angi en grov, relativ tykkelsesfordeling av olje, og kan skille bekjempar fra ikke bekjempbar olje. Uavhengig av lys. Gir godt "nattsyn", og kan i noe grad trenge igjennom dis og nedbør.

59 I fly: IR scanner Hovedsakelig et hjelpemiddel for systemoperatør om bord i flyet for å dirigere skip inn i tykk olje. Liten dekning, m bredde. Virker vertikalt ned fra flyet. Et hjelpemiddel som supplement til visuell fargevurdering. I mørke (men god sikt) kan opptaksfartøy dirigeres med oppdatert informasjon hvert 3. til 5. minutt. Krever fri vertikal sikt til sjø, helst mer enn 800 m skyhøyde.

60 Fartøy: Håndholdt IR-utstyr Håndholdte, ikke nedkjølte, infrarøde sensorer benyttet i f.eks. brannvern og sikkerhetsovervåking. De er såpass følsomme at de kan detektere olje i mange situasjoner ut til om lag 500 m fra skipsbro. Forsøk tyder på at ytelsen er bedre i mørket enn dagslys, noe som kan skyldes at det i dagslys er noe mer reflektert stråling. De enkleste systemene koster i størrelsesorden kr, men de er om lag 50 ganger mindre følsomme enn de kostbare FLIR Bilder tatt fra skipsbro med håndholdt IR-kamera OLJE OLJE Olje-på-vann øvelsen, Frigg, 2003

61 Håndholdt IR

62 Helikopter, fly og aerostat: Forward Looking Infrared - FLIR Downlink gir kontinuerlig bilde på supplyskipets bro. Sjøen er grå, olje fremstår som sort og hvit. Tolking utføres på skipet, ikke i helikopteret. Bruk av helikopter kan gi periodisk oversikt med varighet 2-3 timer. Bruk av FLIR i aerostat gir kontinuerlig dekning innen skipets nærområder. ir-hvit emulsjon Metallic eller true color

63 FLIR eksempler Foto: NOFO (Olje På vann 2006) Foto: Kustbevakningen, Sverige

64 SECurus Skipsmontert, stabilisert IR kamera Kartlegging av utslippets dimensjoner, lokalisering og relative tykkelse. Skrå IR bilde av oljeutslipp transformeres over på et 2D sjøkart For Goliat vil man kombinere SECurus med Miros eller Rutter OSD Utvikles av Apto Maritime i Trondheim i samarbeid med NOFO, Statoil og Simon Møkster Shipping Fra 3D til D

65

66 TCMS - sammensmelting av fjernmålingsdata

67 Heliumfylt aerostat med fjernmålingssensorer Slide 16

68 Film!

69 Aerostat ( Maritime Robotics AS) Under utprøving, forsøkstjeneste i 2012

70 Ubemannet dronefly (UAS) FILM -

71

72 Film!

73 SAR i fly?

74 UV Laserfluorescensor (LFS) og Mikrobølgeradiometer (MWR) Foto: Tyske marine

75 Mobil HF radar for måling av overflate havstrømninger ( CodarNor) met.no

76 Overføring av fjernmålingsdata Satellittdata gjøres tilgjengelig via Web grensesnitt. Data fra fly kan både sendes live via downlink og via e-post i etterkant av tokt. Helikopter benytter downlink og kan sende til flere skip. Skipsbasert oljeradar kan kobles til downlink for overføring mellom skip.

77 FLIR med downlink fra helikopter

78

79 Oppsummering sensorer & operasjonsvindu I mørke: Radar, IR, MWR, LFS Gjennom skyer: Radar Gjennom dis: Radar, IR I dagslys: Visuelt, IR, UV, Radar, MWR, LFS Fly, satellitt og helikopter gir periodisk dekning. Skipsbaserte system inkl. aerostat gir kontinuerlig dekning i nærsone.