Workshop PRIMI (12 aprile 2011) - Il monitoraggio dallo spazio dell’inquinamento marino da idrocarburi tra presente e futuro

La campagna oceanografica del progetto PRIMI: verifica in situ del funzionamento del sistema di monitoraggio dei rilasci di idrocarburi in mare e

di previsione del loro spostamento

Francesco Bignami (f.bignami@isac.cnr.it)

Rosalia Santoleri (r.santoleri@isac.cnr.it)

PRIMI Cruise Group

Workshop PRIMI (12 aprile 2011) - Il monitoraggio dallo spazio dell’inquinamento marino da idrocarburi tra presente e futuro

Obbiettivi della Campagna PRIMI

Verifica in situ del funzionamento del sistema PRIMI per il monitoraggio di rilasci di idrocarburi in mare e la previsione del loro spostamento. In particolare:

1. Verifica della capacità dei Moduli SAR e Ottico di individuare macchie di idrocarburo in mare

2. Verifica della capacità del Modulo Previsione di prevedere lo spostamento e la trasformazione delle macchie di idrocarburo

3. Analisi delle modalità di spostamento, indotto da vento e corrente, delle macchie di idrocarburo mediante rilascio di boe alla deriva nelle macchie stesse

4. Analisi delle caratteristiche delle macchie di idrocarburo con RADAR e LIDAR in situ (rispettivamente: onde capillari e fluorescenza)

5. Analisi della composizione, concentrazione e densità degli idrocarburi presenti nelle macchie, mediante campionamenti d’acqua inquinata e analisi chimiche di laboratorio

6. Acquisizione di dati bio-ottici (modulazione della luce in acqua da parte della biomasssa fitoplanktonica e degli idrocarburi) per convalida prodotti satellitari marini

7. Acquisizione di dati meteo-marini, rotta nave Urania e posizione navi circostanti per verifica calcolo campi di vento e identificazione navi da immagini SAR

8. Acquisizione dati fisici, chimici e biologici della zona di mare, per convalida modelli di circolazione marina e prodotti satellitari marini

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Organizzazione e partecipanti

La campagna PRIMI è stata

finanziata dal CNR ed

organizzata dal CNR-ISAC.

Hanno partecipato alla

campagna:

partners PRIMI

istituti/enti esterni al progetto

E’ stata impiegata la Nave Oceanografica Urania del CNR

ASI Centro di Geodesia Spaziale, Matera

CNR-ISAC, UOS Roma

E-GEOS, Matera

ENEA, Frascati (RM), Casaccia (RM), Santa

Teresa (SP)

INGV, Bologna

Università Piemonte Orientale, Alessandria

Università “Parthenope”, Napoli

Università di Bologna

CNR-ISSIA, Bari

CNR-ISMAR, La Spezia

CNR-IAMC, UOS Oristano & UOS Napoli

CNR-IBF, Pisa

Stazione Zoologica “Anton Dohrn”, Napoli

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Area geografica e periodo

E’ stata scelta un’area geografica con alto numero e frequenza di scarichi illegali di idrocarburi, consultando il database storico PRIMI:

• Mar Tirreno meridionale• Canale di Sardegna• Canale di Sicilia• Mar Ionio

Periodo: 6 Agosto - 7 Settembre 2009

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Strategia di campionamento

Il cruise plan (rotta e campionamenti) è stato scelto in base alle acquisizioni satellitari SAR pianificate, in modo che la nave si trovasse nella scena satellitare al momento dell’acquisizione, per massimizzare la probabilità di raggiungere le macchie di idrocarburo individuate nelle immagini stesse.

Satelliti SAR: • ERS-2, • ENVISAT • COSMO-SkyMed

Satelliti con sensori ottici: • MODIS Aqua• MODIS Terra• MERIS ENVISAT

ASAR ENVISAT

COSMO-SkyMed

ERS-2

MODIS

MERIS

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MODULI SAR/OTTICO: INDIVIDUAZIONE MACCHIEDA SATELLITE

RILASCIO BOENELLA MACCHIA

MONITORAGGIO TRIETTORIE

CAMPIONIACQUA E IDROCARBURO

Individuazione rilasci, previsione e ricerca in situ

NAVE URANIA:RICERCA MACCHIE IN POSIZIONI PREVISTECAMPIONAMENTO MACCHIE INDIVIDUATE

MODULO PREVISIONE:PREVISIONI CIRCOLAZIONE MARINA (MODELLI MEDITERRANEO E SOTTOBACINI)PREVISIONI SPOSTAMENTO MACCHIE DI IDROCARBURO (MODELLO OIL SPILL)

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Stazioni di misura

+ stazione idrologica

• macchia campionata

Individuati 30 rilasci idrocarburo da SAR (14 immagini) 8 raggiunti e campionati da nave Urania

Effettuate 165 stazioni idrologiche nella zona

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Strumentazione

Boe alla deriva Iridium I-SPHERE

Profilatore luce SATLANTIC

Campionatore acqua Rosette (24 bottliglie) & CTD (sonda multiparametrica)

RADARin situ

Boa alla deriva UNIBO

XBT(sonda temperatura)

LIDAR(laserfluorescenza)

Boe alla deriva ARGO

Stazione meteoCorrentometro ADCP

Termosalinografo

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Dati

Dati idrologici in stazioni di misura:• CTD: profili verticali di pressione, temperatura, salinità,densità, O2 disciolto, torbidità, fluorescenza• Rosette: campioni d’acqua (diverse profondità) di nutrienti, clorofilla, fitoplancton, CDOM, DOC, O2

• Campionamento manuale: campioni di acqua inquinata (superficie)

Dati bio-ottici in stazioni di misura e rilasci: profili multispettrali SATLANTIC di luce in acqua e superficie (350-700 nm, visibile)

Dati boe alla deriva:posizioni macchie di idrocarburo, correnti, trasmessi tramite comunicazioni satellitari ARGOS e IRIDIUM

Dati da strumenti acquisizione continua:• Dati navigazione• Parametri meteo standard (p, T, umidità, direzione e intensità vento; stazione meteo); • Temperatura e salinità alla superficie (termosalinografo a scafo)• Profili verticali di corrente marina fino a circa 400 m (2 correntometri Doppler ADCP a scafo)

RADAR in situ: scatter e.m. altezza onde capillari di superficie (acqua pulita e macchie di idrocarburo)

Ondametro in situ: altezza onde capillari di superficie (acqua pulita e macchie di idrocarburo)

LIDAR in situ: fluorescenza superficiale (acqua pulita e macchie di idrocarburo)

A.I.S nave Urania: identificazione navi circostanti

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Individuazione rilasci e loro selezione (18/08/09)

Report SAR ricevuto a bordo due ore dopo l’acquisizione (img diurne) o la mattina seguente (img notturne)

Immagini SAR processate secondo pre-operatività PRIMI (ASI e-Geos Matera).

L’Urania si dirige verso la macchia scelta, mentre a bordo si effettua la previsione del suo spostamento per le ore di navigazione previste

ENVISAT IMP27 ago. 2009 UTC 09:20

Riscontro su immagini ottiche

ENVISAT WS 18-08-09 UTC 9:03

MODIS TERRA18-08-09 UTC 10:05

Scelta macchia da campionare

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Previsione spostamento macchie idrocarburo (18/08/09)

Input data

Spill Date 2009-08-18

Observation Time 09:03 UTC

Slick Center Coordinate

Lat: 35.282017 Lon: 16.414566

Area 4972500 m2

Thickness (hypothesis)

0.1 mm

Density(hypothesis)

API=26 (Medium)0.898 tons/m3

Volume 45 tons

Current velocities MFS 1 hourly CURRENTS Forecast (surface currents)

Wind forcing ECMWF 6 hourly Forecast

Wind factor 0%

POSIZIONE INIZIALEDA SATELLITE

Il personale scientifico a bordo produce la previsione dello spostamento della macchia di idrocarburo selezionata, per l’ora prevista di arrivo della nave sulla macchia.

PREVISIONE A 8 ORE

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Segnale LIDAR

su macchia

Il LIDAR su Urania

Il RADAR su Urania

Riflettanza (backscatter) RADAR

Ondametro: altezza onde macchia e acqua pulita

segnale RADAR nella macchiatempo (min)

Rotta Urania e segnale LIDAR

Ricerca con LIDAR, RADAR e ondametro in situ (18/08/09)

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• La nave raggiunge il punto previsto• Acquisizione RADAR, LIDAR e

Ondametro su rotta che copre la macchia

• Individuazione• Campionamento idrologico e bio-ottico

Campionamento manuale acqua inquinata

Analisi di concentrazionedi idrocarburo

Ricerca e campionamento dei versamenti di idrocarburo (18/08/09)

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Versamento di forma allungata (4 km x 100 m): rilascio di 5 boe ARGO e 4 boeI-SPHERE nella macchia, a intervalli di 250 m nel senso della sua lunghezza.

PREDICTED SLICK POSITION :8 HRS AFTER THE OBSERVATION

PREVISIONE A 8 ORE

POSIZIONE INIZIALEDA SATELLITE

POSIZIONE REALE E LINEA BOE

Traiettorie boeModello

Rilascio boe su macchie di idrocarburo (18/08/09)

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Rilascio di idrocarburo (26 – 28 agosto 2009)

ENVISAT IMP 27 ago. 2009 UTC 09:20

Riflettanza (backscatter) RADAR in situ

segnale RADARnella macchia

tempo (min)

ENVISAT WS 26 ago. 2009 UTC 21:05

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Seconda individuazioneda SAR (27/08/09 09:20)

Previsione (27/08/09 09:00)

Previsione (27/08/09 12:00)

Individuazione in situ (27/08/09 13:10)a 900 m dalla posizione prevista

Prima individuazioneda SAR (26/08/09 21:06)

2 km

Boa (28/08/09 12:40)

Individuazioni in situ successive (28/08/09)

Lancio Boa (27/08/09 12:00)

Individuazione satellitare, in situ, previsione e traiettorie boe (26 – 28 agosto 2009)

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ship dd mm yy hh mm ss latd latm lond lonmpruaUrania

dir ship w/resp N

rng(nm)

ship len (m) destination image name

Urania 7 8 9 5 6 47 39 0,022 14 40,97 330 -99 -99 60unknownCSK 07082009_WR_546

Parsifal 7 8 9 5 10 0 -99 -99 -99 -99 330 236 15,92 54unknownCSK 07082009_WR_546

Monaco 7 8 9 5 10 0 -99 -99 -99 -99 330 297 20,4 40unknownCSK 07082009_WR_546

Beaumaiden 7 8 9 5 10 0 -99 -99 -99 -99 330 29 21,12 88unknownCSK 07082009_WR_546

Maria Sibu 7 8 9 5 10 0 -99 -99 -99 -99 330 101 21,38 133unknownCSK 07082009_WR_546

Rina Amoretti 7 8 9 5 10 0 -99 -99 -99 -99 330 85 25,3 220unknownCSK 07082009_WR_546

Cartour 7 8 9 5 10 0 -99 -99 -99 -99 330 93 27,7 186unknownCSK 07082009_WR_546

Grindanger 7 8 9 5 10 0 -99 -99 -99 -99 330 129 30,8 201unknownCSK 07082009_WR_546

peschereccio a vista 7 8 9 5 6 47 39 0,022 14 40,97 330 -99 -99 15unknown

CSK 07082009_WR_546

L’identificazione delle navi presenti nelle immagini al momento delle acquisizioni satellitari ha consentito di convalidare gli algoritmi PRIMI di ship detection con SAR

SAR ship detection

Dati A.I.S.

Natanti identificati con a.i.s. durante l’acquisizione satellitare

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Conclusioni

• La campagna PRIMI è il primo esperimento sistematico di verifica in situ di un sistema di monitoraggio/previsione di rilasci di idrocarburo in mare

• La strategia di campagna messa a punto dal Gruppo PRIMI ha consentito di campionare 8 rilasci dei 30 indentificati da satellite durante la campagna

• Le misure in situ hanno confermato la presenza di idrocarburo in tutti gli 8 rilasci, convalidando così il sistema di monitoraggio e previsione PRIMI

• Alcuni rilasci sono stati individuati sia con SAR che in immagini MODIS e/o MERIS a copertura nuvolosa sufficientemente bassa

• L’ispezione in situ ha rivelato che in alcuni casi l’idrocarburo era presente solo come film sottile (fluorescenza e assenza onde capillari nei segnali LIDAR e RADAR, debole segnale di iridescenza ad occhio nudo)

• Le tre macchie più inquinate, con idrocarburo in strati spessi e in forma solidificata galleggiante, sono state oggetto di rilascio di boe alla deriva che hanno fornito dati utili sul ruolo del vento e della corrente nello spostamento delle macchie stesse.

I risultati della campagna indicano che:I Moduli SAR e Ottico PRIMI possono individuare anche zone leggermente inquinate (film sottile di idrocarburo)Il Modulo Previsione PRIMI ha ottime capacità di prevedere gli spostamenti delle macchie di idrocarburo

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PRIMI Cruise Group

ASI : F. NirchioCNR-ISAC: R. Santoleri, F. Bignami, S. Colella, A. Pisano, E. Böhm, G. Volpe, B. Buongiorno NardelliCNR-ISMAR: A. Mercatini, A. GriffaCNR-ISSIA: G. De Carolis, M. AdamoCNR-IAMC: R. Sorgente, M. SprovieriE-GEOS: G. Ruggeri , G. Pandiscia, L. Cutrufo, E. Di Cuia, C. D. Rubino, T. Dell’AcquaENEA: S. Marullo, F. Colao, V. Debettio, G. Terranova, V. Rupolo, E. Napolitano, R. IaconoINGV: M. De Dominicis, G. Coppini, N. PinardiUNIPO: P. Trivero, M. Borasi, M. CavagneroUNIBO: R. ArchettiUNIParthenope: E. Zambianchi

Si ringraziano l’equipaggio ed i tecnici della N/O Urania per la loro collaborazione altamente professionale