Российские ученые предложили новый способ обнаруживать в океане пластиковый мусор, скрытый под поверхностью воды. Метод основан на том, что его скопления изменяют структуру ветровых волн, и эти изменения можно фиксировать с помощью спутниковых снимков. В ходе экспериментов исследователи протестировали разработку и впервые рассчитали так называемый пластиковый индекс — вычислительный показатель, позволяющий автоматически выявлять признаки загрязнения акваторий при анализе изображений из космоса. Среди ограничений применения технологии эксперты назвали узкий диапазон скорости ветра, в котором применим метод, и трудность отличия пластика от биогенных и нефтяных пленок.

Ученые из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова впервые в мире рассчитали «пластиковый индекс». Новый инструмент позволит с высокой точностью определять скопления мусора в крупных акваториях. Разработка поможет улучшить экологию крупных водохранилищ и Мирового океана.

— Одна из главных проблем пластика в море связана с тем, что его значительная часть «парит» в приповерхностном слое. Волны как бы «заталкивают» такие объекты в верхние слои воды и удерживают их за счет особых гидродинамических процессов. Вследствие этого огромные объемы мусора скрыты от глаз, — объяснил «Известиям» заведующий отделом радиофизических методов в гидрофизике ИПФ РАН Станислав Ермаков.

Но даже если пластик «спрятан» под водой, он всё равно выдает себя, пояснил ученый. Например, когда его скопления находятся ближе к поверхности, они гасят ветровые волны, и поверхность становится гладкой, что на изображениях выглядит как темное пятно. Если пластик находится глубже, то он может колебаться, что провоцирует мелкую рябь, которая проявляется на снимках в виде ярких участков.

Экспериментально ученые изучили эти процессы на Горьковском водохранилище. Они раскладывали на воде пластиковые полотна размером до 450 кв. м (как баскетбольная площадка) и регистрировали изменения свойств поверхности приборами. Наблюдения проводили с борта научно-исследовательского судна и с помощью орбитальных аппаратов, сообщил Станислав Ермаков.

— По результатам исследований удалось оценить «пластиковый индекс». Это показатель, который помогает находить скопления этого типа объектов на спутниковых снимках, полученных в разных диапазонах оптического спектра. Мы получили индекс, который согласуется с данными в мировой научной литературе, — добавил он.

Модель проверили на радиолокационных снимках с орбиты, которые были сделаны после разрушительного цунами 2011 года в Японии, когда в океан попали миллионы тонн мусора. На них хорошо видны яркие участки — скопления обломков и пластика. Расчеты, сделанные с помощью предложенного индекса, совпали с тем, что увидели аппараты из космоса.

Если технологию удастся развить, пояснил специалист, спутники смогут быстрее находить загрязненные участки и отслеживать перемещение мусора фактически в крупных акваториях в реальном времени. А значит, увеличатся шансы эффективно бороться с загрязнением пластиком Мирового океана.

Вместе с тем, по словам исследователей, в воде пластик быстро обрастает микроорганизмами и водорослями, что образует так называемую пластисферу. Эти экосистемы развиваются прямо на поверхности мусора. Усовершенствование методики в будущем позволит наладить мониторинг подобных сообществ.

— Ежегодно в окружающую среду попадает 12,7 млн т пластика. В конечном итоге он либо захоранивается в грунтах, либо его выносит в открытый океан, где благодаря глобальным течениям формируются так называемые мусорные острова, — сообщил «Известиям» научный сотрудник лаборатории гидрологии и гидрохимии Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН Александр Цветков.

Анализ структурных изменений в волновых течениях для выявления скоплений пластика будет эффективен при применении алгоритмов машинного обучения, отметил эксперт.

Загрязнение океана особенно заметно в небольших островных государствах, где такой мусор в большом количестве приносит течениями. Даже тщательная очистка берегов не помогает, поскольку океан вновь доставляет пластик из других районов, подчеркнул научный сотрудник лаборатории взаимодействия океана с водами суши и антропогенных процессов Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН Игорь Жданов.

В настоящее время, по его словам, распределение пластика в океане в основном изучают посредством судовых наблюдений. Новый метод улучшит картирование скоплений мусора и поможет отслеживать их динамику.

— Предложенное решение — разновидность дистанционного зондирования через модуляцию спектра коротких ветровых волн. Затопленный пластик подавляет гравитационно-капиллярные волны длиной 1–30 см. На радиолокационных снимках это проявляется как темные пятна. Такие же эффекты лежат в основе обнаружения из космоса нефтяных пленок и зон затишья, — сообщил эксперт НТИ по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.

По его словам, ценность разработки — не сам факт обнаружения эффектов, а количественная калибровка эффекта через эксперимент и привязка оптического «пластикового индекса» к реальной мишени. К ограничениям метода относится сложность идентификации данных, так как темное пятно на снимке может быть нефтью, биогенной пленкой, дождевым шквалом или зоной затишья ветра. Кроме того, метод работает в узком окне скорости ветра — примерно 3–8 м/с.