Букин И.О., Гой В.А., Дорошенков И.М., Михайлов Д. А.

Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского

Разработка лазерных технологий исследования океана для телеуправляемого необитаемого подводного аппарата.

Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА) прочно занимают свою нишу в исследованиях и индустриальной деятельности в океане. Расширение возможностей в использовании ТНПА связано с их оснащением различными техническими комплексами. В настоящей работе приводятся результаты разработки ТНПА обследовательского класса с возможностью выполнения работ по обследованию подводных акваторий до глубин 300 м и проведения спектрального анализа воды, грунта с использованием лазерной индуцированной флуорисценции (ЛИФ), в реальном времени без доставки проб на борт судна. Наличие лазерного спектрометра на ТНПА позволяет решать широкий круг задач и прежде всего связанные с исследованием полей фитопланктона и оценивать их состояние, проводить экологический мониторинг подводных акваторий и морских экосистем, использовать ТНПА для поиска и определения вида газогидратов на морском дне [1-3].

На рис. 1 приведена конструкция ТНПА «МАКС-300» с подводным модулем для лазерного спектрометра.

Рис1. ТНПА «МАКС-300» с лазерным подводным модулем

Лазерный спектрометр размещается во внутренней полости цилиндрического корпуса Ø200х600 мм в котором предусмотрены герметические кварцевые иллюминаторы для вывода лазерного излучения и два иллюминатора для приёма рассеянного излучения. Первый – для излучения рассеянного от воды под 90º к лазерному лучу и второй – для рассеянного излучения, которое попадает в угол поля зрения оптической системы – объектив, световод и спектрометр, в направлении обратном к распространению лазерного луча. Последний канал предназначен для проведения лазерной флуориметрии грунта морского дна.

Общее энергопотребление лазерного спектрометра не превышает 150 Вт (при использовании лазера типа - лазер-компакт DTL-413), размещение элементов и их крепления рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить соответствующий теплоотвод для тепловыделяющих блоков.

Размещение лазерного спектрометра в ТНПА позволит значительно расширить круг задач, решаемых с помощью аппарата. Особенно это относится к регистрации и исследованию воздействия индустриальной деятельности и аварий на морские экосистемы арктических морей, исследованиям, проводимым в области климатических изменений в Арктике, а так же в области экологической безопасности.

Лабораторные измерения показали, что устойчивая регистрация спектров лазерной индуцированной флуорисценции (ЛИФ) растворённого органического вещества начинает осуществляться при концентрации РОВ 0.3 – 0.4 мкг/л (при калибровке на раствор хинина сульфата дигидрата), и линии флуоресценции хлорофилла А с концентрацией 0.1-0.2 мкг/л Эти значения вполне приемлемы для шельфовых вод Дальневосточных морей и Арктики.

Лабораторные эксперименты по исследованию трёхмерных ЛИФ спектров морской воды, содержащей нефтепродукты, позволили нам определить наиболее оптимальные спектральные интервалы возбуждения спектров и их регистрации для того, чтобы выделить компоненты нефтей на фоне растворённого органического вещества (РОВ) в морской воде.

В 500 мл морской воды, набранной на берегу залива Петра Великого, добавлялось 50 мл неочищенной нефти до образования нефтяной пленки, покрывшей всю поверхность воды. В образец с водой помещался небольшой магнит и при помощи изменения магнитного поля вокруг образца магнит вращался, образовывая воронку в воде и пузырьки нефти, отделяющиеся от основной пленки и попадающие вглубь воды. Таким образом, данный способ в более короткий промежуток времени помогал растворить легкие фракции нефти и получить устойчивые эмульсии.

Эксперимент длился в течение 21 дня, выбрано 5 дней измерений с учетом, что в первые дни физические процессы трансформации нефтяных фракций протекают быстрее. В последней стадии эксперимента почти вся пленка исчезла с поверхности, вода приняла темный оттенок, что свидетельствует об образовании устойчивой эмульсии. Набор раствора происходил с центра образца при помощи дренажной трубки, помещенной во внутрь образца, чтобы пузырьки нефти не попадали непосредственно в измерительную кювету. Параллельно проводились замеры воды без добавления нефти.

Все измерения выполнены с использованием трехмерного спектрофлюориметра Varian Cary Eclipse длина волны возбуждения 230 – 550 нм / длина волны испускания 240 – 850 нм, шаг сканирования по возбуждению и на приемнике был одинаковый и составил 5 нм. При добавлении нефти в воду было обнаружено 4 флуоресцентных пика: (230 – 245)нм / (320 – 370)нм; (265 – 300)нм / (330 - 370)нм; (235 – 250)нм / (375 – 425)нм; (285 -320)нм / (395 - 440)нм, попадающих в области свечения протеиноподобных Р1, Р2 и гуминоподобных Н1, Н2 веществ. Три первых соответствуют пикам от РОВ, присутствующего в обычной морской воде, а четвёртый пик, соответствует одному из максимумов, обнаруженным нами в трёхмерном спектре сырой нефти. Важно, что данный пик не перекрывается с положением регулярно наблюдающегося в естественных водах пика флуоресценции гуминовых соединений Н2.

Таким образом, возможна сепарация сигнала флуоресценции только от нефти на фоне сигнала от РОВ при правильном выборе длин волн возбуждающего (лазерного) и испускаемого (флуорисценции) излучений. Это должно обеспечить устойчивую регистрацию спектров от РОВ, пигментов фитопланктона, характерных для акваторий арктического региона, а так же нефтепродуктов, находящихся в морской воде в растворённом и взвешенном состоянии, при наличии нефтяных загрязнений. Наличие лазерного спектрометра позволит проводить исследования газогидратных и газовых месторождений.

Работа выполнена при поддержке грантов ФЦП «Поддержка научных и научно-педагогических кадров инновационной России» соглашения №8237 и №8240.

Литература

1. A.D.Sherman, P.M.Walz, P.G.Brewer. Sea Technology Two Generation of Deep-Ocean Raman In-Situ Spectrometers: Feb. 2007. P.10-13

2. S.N.White, W.Kirkwood, A.Sherman, M.Brown. Laser Raman Spectroscopic Instrumentation for in situ Geochemical Analyses in the Deep Ocean

3. Быканова А.Ю., Костенко В.В., Кушнерик А.А., Найденко Н.А., Михайлов Д.Н., Родькин Д.Н. Букин И.О. Опыт разработки и перспективы использования малогабаритного телеуправляемого подводного аппарата «МАКС-300»// Сборник 59-ой Международная молодежная научно-техническая конференция «Молодёжь, наука, инновации» 2011, Владивосток, МГУ им. адм. Г.И. Невельского стр. 191-196.