Ενασ νεοσ drifter για την παρακολουθηση πετρελαιοκηλιδων Ζερβάκης Β. 1, Κτιστάκης Μ. 2, Νικολαΐδης Γ. 3, Μοσχόπουλος Κ. 1, Τράγου Ε. 1, Βουσδούκας Μ. 1, Λελούδας Β 2, Κοζυράκης Γ. 1 1 Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας. Πανεπιστήμιο Αιγαίου, zervakis@marine.aegean.gr 2 ΜΑΡΑΚ Ηλεκτρονική Α.Β.Ε.Ε., ktistakis@marac.gr 3 Τμήμα Φυσικής - Χημείας και Τεχνολογίας Υλικών, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά, gnikol@teipir.gr Περίληψη Στα πλαίσια ενίσχυσης της υποδομής για την αντιμετώπιση πετρελαιοκηλίδων, σχεδιάσαμε και κατασκευάσαμε ένα νέο επιφανειακό ελεύθερα παρασυρόμενο πλωτήρα (drifter) εξειδικευμένο στη χρήση αυτή. Η σχεδίαση ενός τέτοιου πλωτήρα παρουσιάζει ιδιαίτερες δυσκολίες σε σχέση με τη σχεδίαση ενός συμβατικού drifter, που πηγάζουν όχι μόνο από το πολύ λεπτό πάχος του προς παρακολούθηση ρευστού στρώματος αλλά και από τη συνεχή μεταβολή των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του. Για την αντιμετώπιση των δυσκολιών αυτών σχεδιάσαμε έναν πλωτήρα που συνδυάζει πολλές καινοτομίες. Σειρά πειραμάτων επιβεβαίωσαν τη θετική συμπεριφορά του πλωτήρα στο εργαστήριο και το πεδίο. Λέξεις κλειδιά: ελεύθερα παρασυρόμενοι πλωτήρες., πετρελαιοκηλίδες. A NEW DRIFTER FOR OIL-SPILL TRACKING Zervakis V. 1, Ktistakis M. 2, Nikolaides G. 3, Moschopoulos Κ. 1, Tragou E. 1,Vousdoukas M. 1, Leloudas V 2, Kozyrakis G. 1 1 Department of Marine Sciences, University of the Aegean, zervakis@marine.aegean.gr 2 MARAC Electronics S.A., ktistakis@marac.gr 3 Department of Physics, Chemistry & Materials Technology, Technological Education Institute of Piraeus, gnikol@teipir.gr Abstract In the framework of improving our capacity to respond to oil-spill pollution, a new surface drifter specially aimed to this end has been developed. The design of such a drifter is especially challenging in comparison to that of a standard drifter, due not only to the minute thickness of oil-spills, but also due to their continuously changing physicochemical properties. In order to meet these challenges, several novelties were introduced in the design. A series of laboratory and field experiments testify for the good behaviour of the drifter. Keywords: surface drifters, oil-spills. 1. Εισαγωγή Ο πρώτος στόχος της αντιμετώπισης πετρελαιοκηλίδων στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι η προστασία των γειτονικών ακτών από επικείμενη απόθεση του πετρελαίου σε αυτές. Επίτευξη του στόχου αυτού απαιτεί τη συνεχή γνώση της θέσης της πετρελαιοκηλίδας από την αρμόδια αρχή. Υπό το φως της ημέρας και καλές καιρικές συνθήκες, η θέση μιας ήδη ανιχνευθείσας πετρελαιοκηλίδας είναι εύκολο να παρακολουθείται, κυρίως μέσω εναέριων μέσων. Αλλά τη νύχτα, ή σε συνθήκες που δεν ευνοούν την απόσπαση ειδικών μέσων παρακολούθησης στην περιοχή, είναι εύκολο να χαθεί η θέση της. Δεδομένης της προγραμματιζόμενης αύξησης της πιθανότητας πετρελαϊκής ρύπανσης στο θαλάσσιο περιβάλλον στο Αιγαίο πέλαγος λόγω της κατασκευής του πετρελαιαγωγού Burgas- Αλεξανδρούπολης, παρουσιάζουμε στην παρούσα εργασία την εξέλιξη ενός νέου ελεύθερα παρασυρόμενο επιφανειακό πλωτήρα ειδικά σχεδιασμένου για την παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων. -535-
-536-9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι 2. Μεθοδολογία Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην εξέλιξη του νέου πλωτήρα είναι η ακόλουθη: Με βάση τα αποτελέσματα βιβλιογραφικής έρευνας και της αντίστοιχης μελέτης φυσικοχημικών χαρακτηριστικών πετρελαιοκηλίδων, με έμφαση στις ιδιότητες που επηρεάζουν την συμπεριφορά ενός πλωτού αντικειμένου εμβαπτισμένου μερικώς σε αυτές, προχωρήσαμε στην εκπόνηση διαφόρων εναλλακτικών σχεδίων για υποψήφιους πλωτήρες. Η χρήση απλής ισορροπίας δυνάμεων μεταξύ της οπισθέλκουσας που ασκείται από το ρεύμα και αυτής που ασκείται από τον άνεμο επιτρέπει τη σε πρώτη προσέγγιση πρόβλεψη της συμπεριφοράς ενός drifter. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν κατά το σχεδιασμό και του πλωτήρα ΤΗΛΕΦΟΣ (Zervakis et al., 2005), και υιοθετήθηκε για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς κάθε ενός από τα παραπάνω εναλλακτικά σχέδια. Από τα παραπάνω σχέδια, με βάση τις θεωρητικές προβλέψεις επιλέχθηκαν δύο, τα οποία και οδήγησαν στην κατασκευή πρωτοτύπων για τον πρακτικό έλεγχο της συμπεριφοράς τους στο εργαστήριο και το πεδίο. Η συμπεριφορά των πρωτοτύπων πλωτήρων ελέγχθηκε εργαστηριακά σε δεξαμενή διαστάσεων 8x4x1,5 m που εφοδιάστηκε με μηχανισμούς γένεσης ανεμογενών ρευμάτων και ρευμάτων βαροβαθμίδας. Προχωρήσαμε στην καταγραφή ανέμου και ρεύματος κατά τη διάρκεια σειράς πειραμάτων αξιολόγησης της συμπεριφοράς των πλωτήρων σε σχέση με ανταγωνιστικό προϊόν από την ελεύθερη αγορά (όπως περιγράφεται από τους Ages et al., 1994) και μεταξύ τους. Τα ανταγωνιστικά προϊόντα εν γένει προέρχονται είτε από κοινούς drifters τύπου ARGOS είτε από EPIRB, τα δε καλύτερα προσαρμοσμένα για την παρακολούθηση πετρελαίου είναι εφοδιασμένα με μια «φούστα» για την «προσκόλληση» στην επιφάνεια. Στα πειράματα αυτά χρησιμοποιήθηκε και πετρέλαιο. Η συμπεριφορά των πλωτήρων στο πεδίο αξιολογήθηκε σε τέσσερα πειράματα που έλαβαν χώρα στον παράκτιο χώρο. Διενεργήθηκαν δύο παράκτια πειράματα στη Λέσβο και δύο στην Αλεξανδρούπολη. Σε αυτά τα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν τρία πρωτότυπα πλωτήρων για πετρελαιοκηλίδες για την καταγραφή της ταχύτητας του επιφανειακού ρεύματος, και τρεις drifters του Πανεπιστημίου Αιγαίου (βλ. Σοφιανός et al. στο παρόν συμπόσιο) για την καταγραφή των υποεπιφανειακών ρευμάτων. Στα πειράματα αυτά δεν χρησιμοποιήθηκε πετρέλαιο λόγω απαγόρευσης απόρριψης πετρελαίου στο θαλάσσιο χώρο από τη σχετική νομοθεσία. Από τα αποτελέσματα των παραπάνω πειραμάτων προέκυψε το επιλεχθέν ναυπηγικό σχέδιο του νέου πλωτήρα, ο οποίος εφοδιάστηκε με σύστημα GPS/GSM για καθορισμό και αποστολή της θέσης του σε σταθμό βάσης. Το ηλεκτρονικό σύστημα και το συνοδευτικό λογισμικό βασίστηκαν σε εμπειρία που αποκτήθηκε στην εξέλιξη του πλωτήρα ΤΗΛΕΦΟΣ (Zervakis et al., 2005). 3. Αποτελέσματα 3.1 ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΠΟΚΡΙΣΗ: ΤΟ ΣΧΕΔΙΟ ΤΟΥ ΝΕΟΥ ΠΛΩΤΗΡΑ Τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής ανασκόπησης φανέρωσαν τις εξής ιδιαιτερότητες των πετρελαιοκηλίδων, οι οποίες ταυτόχρονα θέτουν και τις προκλήσεις σχεδιασμού του νέου πλωτήρα: (α) οι πετρελαιοκηλίδες έχουν πάχος όχι μεγαλύτερο των 0.8 cm, και (β) τα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά των πετρελαιοκηλίδων αλλάζουν διαρκώς, καθώς αλλάζει η σύνθεση του πετρελαίου αφού τα πτητικά συστατικά γρήγορα εξαερίζονται, ενώ τα βαρύτερα καθιζάνουν. Ταυτόχρονα, και ανάλογα με τις μετεωρολογικές και υδροδυναμικές συνθήκες, η πετρελαιοκηλίδα υφίσταται εξάπλωση, διασπορά, φωτοχημική οξείδωση, γαλακτωματοποίηση και βιοαποδόμηση. Οι παραπάνω ιδιότητες δημιουργούν απαιτήσεις για έναν πλωτήρα μικρότερου πάχους από 1 cm, και διαφορετικών χαρακτηριστικών ανάλογα με την ανά πάσα στιγμή ποιότητα του πετρελαίου. Αυτό θα ήταν
δυνατό μόνο στην περίπτωση που αν ο πλωτήρας ήταν κατασκευασμένος από τον ίδιο τύπο πετρελαίου με αυτόν της προς παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδας. Εφόσον αυτό δεν είναι δυνατό, προχωρήσαμε στην ακόλουθη πρώτη καινοτομία: ο υδραετός (ή, πιο σωστά, πετρελαιαετός) του πλωτήρα είναι κατασκευασμένος από ελαιόφιλο υλικό, με αποτέλεσμα να εμβαπτίζεται και να προσκολλάται αφενός στην κηλίδα, τα χαρακτηριστικά του δε (μαζί με του προσκολλημένου πετρελαίου) να υφίστανται ως ένα βαθμό τις ίδιες διεργασίες με αυτές που υφίσταται η κηλίδα. Η δεύτερη καινοτομία που εισήγαμε είναι ο ναυπηγικός σχεδιασμός του πλωτήρα. Δεδομένου ότι οι πετρελαιοκηλίδες είναι τεράστιες οριζόντιες επιφάνειες απειροελάχιστου πάχους, αντίστοιχα ένας πλωτήρας σχεδιασμένος να παρασύρεται από αυτές πρέπει να έχει πολύ μικρή κατακόρυφη διάσταση και μεγάλη οριζόντια, ώστε να απλώνεται επάνω στην κηλίδα. Επιπλέον, το σχήμα του πλωτήρα πρέπει να είναι τέτοιο ώστε ο άνεμος και το θαλάσσιο ρεύμα να επηρεάζουν ελάχιστα την κίνησή του. Αυτό σημαίνει ότι στις επιφάνειές του που εξέχουν κατακορύφως πρέπει να ασκείται η ελάχιστη δυνατή οπισθέλκουσα. Για αυτό το λόγο, επιλέξαμε σαν κατακόρυφες τομές του σχεδιαζόμενου κελύφους του πλωτήρα σχήματα που χαρακτηρίζονται από ελάχιστους συντελεστές οπισθέλκουσας, δηλαδή. έλλειψη και κύκλο. Για τους αντίστοιχους λόγους, πρέπει να αυξηθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η δύναμη που ασκείται από το πετρέλαιο στον πλωτήρα. Έτσι, ο πετρελαιαετός θα πρέπει να απλώνεται οριζόντια αντί για κατακόρυφα, και να έχει σχήμα με πολύ μεγάλο αεροδυναμικό συντελεστή οπισθέλκουσας, όπως π.χ. αυτό ενός αστερία. Επιπλέον, η οριζόντια συμμετρία επιβάλλει ότι η οριζόντια τομή στο κέλυφος του πλωτήρα θα είναι κυκλικού σχήματος. Άρα, οι παραπάνω περιορισμοί επιβάλλουν ένα πλωτήρα με γάστρα (ή κέλυφος) σχήματος είτε σφαιρικού είτε ελλειψοειδούς εκ περιστροφής, με πετρελαιαετό αστεροειδούς σχήματος που θα απλώνεται πάνω στην κηλίδα παρασυρόμενος από αυτή. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η δύναμη που ασκεί ο άνεμος και το ρεύμα πάνω στον πλωτήρα πρέπει να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η κατακόρυφη διάσταση (πάχος) του κελύφους. Σε αυτή την περίπτωση, η πόντιση 10 τέτοιων πλωτήρων στη θάλασσα θα ήταν επιτυχής μόνο κατά 50%. Προκειμένου να αναιρέσουμε αυτή την αδυναμία, αποφασίσθηκε να δοθεί στο κέλυφος των ηλεκτρονικών του πλωτήρα η δυνατότητα να περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα που το συνδέει με τον πετρελαιαετό, εκμεταλλευόμενο τη ροπή που του δίνει η ανισομερής κατανομή βάρους σε συνδυασμό με την άνωση. Η δημιουργία όμως ροπής επαναφοράς του κελύφους στην ορθή θέση απαιτεί μια ελάχιστη κατακόρυφη διάσταση (πάχους) του κελύφους. Βασιζόμενοι στα παραπάνω, κατασκευάσαμε ένα κέλυφος σφαιρικού σχήματος και διάφορα κελύφη με σχήμα ελλειψοειδές εκ περιστροφής, διαφόρων παχών. Το μέγεθος των διαφόρων κελυφών υπαγορεύθηκε από το συνολικό όγκο των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Τα τελικώς επιλεχθέντα κελύφη, ένα σφαιρικό και ένα ελλειψοειδές, αξιολογήθηκαν βάσει της συμπεριφοράς τους στη δεξαμενή και το πεδίο σε σχέση μεταξύ τους και ένα ανταγωνιστικό προϊόν από το εξωτερικό, πολύ διαφορετικής σχεδιάσεως. 3.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΗ ΔΕΞΑΜΕΝΗ Οι πρωτότυποι πλωτήρες αξιολογήθηκαν καταρχήν στη δεξαμενή που κατασκεύασε για αυτό το σκοπό η ΜΑΡΑΚ Ηλεκτρονική. Όπως αναφέραμε παραπάνω, χρησιμοποιήθηκαν συσκευές δημιουργίας ανέμου και ρεύματος (Εικ. 1α), το δε προκύπτον ρεύμα καταγραφόταν συστηματικά από ακουστικούς ρευματογράφους του Πανεπιστημίου Αιγαίου (Εικ. 1β). Έγινε μεγάλος αριθμός πειραμάτων στη δεξαμενή, όπου δημιουργήθηκαν και ρεύματα βαροβαθμίδας και ανεμογενή ρεύματα. Καταγράφηκε η κατανομή του ανέμου κατά μήκος της δεξαμενής και καθ ύψος με τη βοήθεια ανεμομέτρου και μετεωρολογικού σταθμού (Εικ. 1α). Έγιναν ομάδες πειραμάτων, στα οποία οι πρωτότυποι πλωτήρες, καθώς και ο ανταγωνιστικός, -537-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι Εικ.1: (α) Δεξαμενή πειραμάτων πεδίο. Είναι ορατό μέρος των αεροκουρτινών για τη δημιουργία ανέμου (πρώτο πλάνο) και το ανεμόμετρο, ενώ στο βάθος φαίνονται οι σωλήνες των αντλιών δημιουργίας ρευμάτων βαροβαθμίδας. Μόλις που διακρίνονται δύο πλωτήρες, το ανταγωνιστικό προϊόν (Α) και ένας από τους πρότυπους (Β). Προσέξτε το διαφορετικό ύψος των δύο. Στο (β) φαίνονται οι ακουστικοί ρευματογράφοι ποντισμένοι στο βάθος της δεξαμενής. αφήνονταν να παρασυρθούν είτε από συνεχή ρεύματα είτε από επιταχυνόμενη ροή, στα οποία συγκρίθηκαν οι επιδόσεις των πλωτήρων όσον αφορά την ταχύτητα και το βαθμό επιτάχυνσής τους από τη ροή, ενώ έγιναν και συγκρίσεις με την καταγραμμένη ταχύτητα ρεύματος. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων σύγκρισης της συμπεριφοράς των διαφόρων πλωτήρων εμφανίζονται στον Πίνακα 1. Είναι σαφές ότι οι δύο πρωτότυποι πλωτήρες εμφανίζουν πολύ μικρή απόκλιση στη συμπεριφορά τους σε σχέση με τον ανταγωνιστικό πλωτήρα. Πίνακας 1: Τα αποτελέσματα των πειραμάτων σύγκρισης της συμπεριφοράς των διαφόρων πλωτήρων. Πλωτήρας Μέση ταχύτητα, cm/s Τυπική Απόκλιση, cm/s Σφαιρικού κελύφους 0.265 0.007 Ελλειψοειδούς κελύφους 0.295 0.054 «Ανταγωνιστής» 0.113 0.020 Τα πειράματα με πετρέλαιο στη δεξαμενή έδωσαν πάρα πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα, παρόλα αυτά λόγω της διαφοράς κλίμακας με το φαινόμενο που επιθυμούμε να προσομοιώσουμε, η συμπεριφορά σε πετρέλαιο θα πρέπει να περιμένει πραγματικό ατύχημα για να αξιολογηθεί. 3.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ ΠΕΔΙΟ Η αξιολόγηση των πλωτήρων συμπληρώθηκε από τέσσερα πειράματα πεδίου που έλαβαν χώρα τα δύο στον παράκτιο χώρο της Μυτιλήνης και τα άλλα δύο στον παράκτιο χώρο της Αλεξανδρούπολης. Όπως αναφέραμε και παραπάνω, χρησιμοποιήθηκαν τρεις πλωτήρες τύπου ΤΗΛΕΦΟΣ για μέτρηση του θαλάσσιου ρεύματος σε βάθος περίπου 2 μέτρων και τρεις πρότυποι πλωτήρες για παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων για την μέτρηση της κίνησης της επιφάνειας της θάλασσας. Στην Εικόνα 2 παρατίθενται οι πορείες των πλωτήρων, επιφανειακών και υποεπιφανειακών, σε ένα από αυτά τα πειράματα, στον παράκτιο χώρο Αγριλιάς Λέσβου. Από τα πειράματα έγινε φανερό ότι οι νέοι πλωτήρες παρασύρονται και από το ρεύμα και (ως ένα βαθμό) από τον άνεμο (π.χ., στην Εικόνα 2α, οι επιφανειακοί πλωτήρες κινούνται αντίθετα από τον άνεμο, αλλά με μικρότερες ταχύτητες από ό,τι οι υποεπιφανειακοί). -538-
Εικ. 2: (α) Αριστερά φαίνονται οι πορείες των πλωτήρων που ποντίσθηκαν σε ένα από τα πειράματα αξιολόγησης της συμπεριφοράς των νέων πλωτήρων. (β) Δεξιά φαίνονται δύο από τους πρωτότυπους πλωτήρες στη θάλασσα. 4. Συμπεράσματα - Συζήτηση Τα πειράματα πεδίου και εργαστηρίου συνηγορούν στο ότι η νέα σχεδίαση πλωτήρων είναι πολύ καλύτερη από τα όποια αντίστοιχα προϊόντα κυκλοφορούν. Απομένει να ερευνηθεί θεωρητικά ποιό μέρος της διαφοράς της καταγραφείσας επιφανειακής ταχύτητας αποδίδεται σε ανεμογενές ρεύμα και ποιό σε απ ευθείας επιτάχυνση του πλωτήρα από τον άνεμο. Όμως εδώ θα πρέπει να τονίσουμε ότι ο άνεμος δρα και στις πετρελαιοκηλίδες, των οποίων η ταχύτητα διαφέρει από αυτήν της επιφάνειας της θάλασσας, ιδιαίτερα αν πρόκειται για πετρέλαιο χαμηλού ιξώδους. Εν τέλει, λόγω της πολυπλοκότητας του προβλήματος, η τελική αξιολόγηση των νέων πλωτήρων θα γίνει μετά από τη χρήση τους σε μια πραγματική πετρελαιοκηλίδα. 5. Ευχαριστίες Η εργασία αυτή διενεργήθηκε στα πλαίσια του έργου Ανάπτυξη και εφαρμογή εργαλείων διαχείρισης κρίσεων ρύπανσης από πετρελαιοκηλίδες στην περιοχή εγκατάστασης του αγωγού Burgas Αλεξανδρούπολης (Βορειοανατολικό Αιγαίο) ΔΙΑΥΛΟΣ που χρηματοδοτήθηκε από το Μέτρο 2.1 του Επιχειρησιακού Προγράμματος Ανατολικής Μακεδονίας Θράκης 2000-2006. 6. Βιβλιογραφικές Αναφορές Ages, A.B., de Lange Boom, B.R. & Woodward, M.J., 1994. A drifter for tracking oil spills using the Argos system. OCEANS 94: Oceans Engineering for Today s Technology and Tomorrow s Preservation Proceedings, 3, (13-16), Sep 1994 :III/292 - III/297. Σοφιανός, Σ., Κάλλος, Γ., Μαντζιαφού, Α., Τζάλη, Μ., Ζαφειράκου, Α., Δερμίσης, Β., Κουτίτας, Χ. & Ζερβάκης, Β., 2009. Επιχειρησιακό Σύστημα Πρόγνωσης Διασποράς Πετρελαιοκηλίδας στην περιοχή εγκατάστασης του αγωγού Burgas- Αλεξανδρούπολης (Βορειοανατολικό Αιγαίο) στο πλαίσιο του προγράμματος Δίαυλος. Σε αυτόν τον τόμο. Zervakis, V., Ktistakis, Μ. & Georgopoulos, D., 2005. TELEFOS: A new design for coastal drifters. Sea Technology, 46 (2): 25-30. -539-