应对北极地区的石油泄漏：探测技术解决冰川下的麻烦

　　不难想象，当海上钻井平台的油井发生爆裂，大量的石油喷薄而出，这不仅会对钻井平台造成致命性破坏，也会严重污染大片海域。据不完全统计，全球每天有5.3万桶石油泄漏到海洋中去。如今，世界石油巨头和各国政府都在努力探寻可以阻止石油泄漏的途径。

　　回眸2010年，墨西哥湾“深水地平线”发生爆炸事故，造成了多方面的灾难性影响，给英国石油公司(BP)带来了高达500亿美元的惩罚。但在一个细节上BP还是值得肯定的，那就是他们至少可以找到泄漏的石油。

　　冰川下的麻烦

　　随着越来越多的公司开始进军油气资源丰富的北极地区，他们也不得不考虑在北极地区发生石油泄漏的可能性。然而，要想应对北极地区的石油泄漏就要面对种种挑战，暴雪、大雾、风暴等天气以及大量漂流的浮冰，就连离最近的海岸警卫站也有上千英里远。这就促使了新的石油泄漏探测和处理技术在偏远的寒冷水域得到了飞速发展。

　　在开发性水域，也就是海洋中，探测石油泄漏的传统方法是使用卫星合成孔径雷达(SAR)。该技术可全天候透过云层监测目标，将无线电波从轨道卫星上高速发射到海平面，如果有石油漂浮在海面，电波将不会随海风而波动。这种方法并不能完全区分开石油泄漏海域和那些平静且干净的海域，但至少可以缩小搜索区域。

　　如果泄漏是发生在北极地区，那么SAR就失去作用了。对这种技术来说，浮冰、漏油海域和平静的海面完全没有区别。挪威北部研究院的研究员Rune Storvold说：“只有在冰川覆盖率不足30%的区域，SAR石油监测技术才能起到作用。”

　　对于浮在水面和冰雪上的石油，可以通过红外线(IR)或紫外线(UV)扫描仪来探测。这些扫描仪可直接装备在船只和飞机上，能够监测出石油层的位置和厚度。基于石油和浮冰有不同的温度、热量和反射特性，IR-UV组合式扫描仪可以区分开水平面、浮冰海面以及浮油海面。此外，组合扫描仪还可区分油层较厚和油层较薄的水面，这是因为厚油层反射的阳光更多，而释放的热量更少。

　　2012年，意大利石油巨头埃尼集团的子公司Eni Norge就已经把挪威Aptomar公司生产的摄像扫描仪装配在其紧急救援船舰上，以监测挪威北极区的巴伦支海。

　　这种设备虽然可以用来探测水面或冰面上的石油，但其必须在可见度非常高的时候才能使用。如果石油泄漏在北极地区，很可能是在冰下而非冰上，即使泄漏在冰上，也很快会被冰雪覆盖。这种情况下，只有使用地面穿透雷达(GPR)来进行监测。GPR可以接受到来自冰川表面雪橇和低空飞行器的高频率雷达信号，并利用这些信号形成冰下图像。雪、冰或石油所放出的无线电不同，这让冰下的石油也无所遁形。

　　石油与海水

　　GPR技术在监测冰雪下石油方面已经取得了显著成效。在2010年，挪威一家研究机构SINTEF在斯瓦尔巴群岛附近进行了一项可控的石油泄漏实验。研究人员通过装有GPR的直升机成功找出了藏有石油的冰盖。

　　即便如此，GPR也存在局限性。冰脊、冰窟窿、冰厚度的变化都会分散GPR信号，从而使图像的清晰度下降，泄漏的石油便难于被发现。而海水中的盐分更加大了分析的复杂性，盐分可以吸收雷达信号，弱化反射强度。

　　今年早些时候，在埃克森美孚、壳牌等石油巨头的支持下，美国安全和环境执法局开展了高功率雷达的实验，尝试扩大GPR的适用范围。高功率雷达的实验颇有成效，该雷达系统可以描绘冰川的下部轮廓。但实验也突显了其局限性，尤其是在冰融阶段表现欠佳。

　　为了可以更加具体地了解冰下的石油情况，几家公司正联手开发核磁共振(NMR)探测系统。该技术广泛应用于医疗扫描仪中，利用了不同类型的原子核自旋量子数不同的特性，合适的电磁脉冲能够导致原子核的自旋方向发生翻转，即原子核能级跃迁，而且他们发出的无线电信号，也就是外部磁场恰好等于使原子核翻转的电磁脉冲。这种现象就是核磁共振，可以根据信号强度的差别区分不同事物。冰川对于核磁共振来说就像透明物一样，NMR不会再受冰川的误导，哪怕是那些奇形怪状的冰川。

　　2011年，美国ZL局曾公布了埃克森美孚一家上游研究公司的一项ZL细节，几位科学家称NMR已经解决了海冰环境下的石油泄漏问题。壳牌更是投入了几十亿美元用于监测阿拉斯加海岸的油井，并表示将致力于发展NMR。

　　然而，NMR也并非完美无缺。和GPR一样，这些系统都需要由直升机装载，并使用大型环状天线。NMR的天线规模更庞大。环形天线的直径大致要等于天线到油层的距离，这一点在海面平静的时候都难以做到，更不要说面临特殊环境。此外，NMR也无法单独确定油层的厚度，该功能还有待实验。

　　或许要从另一个角度来入手，从水下来监测冰下石油泄漏的情况。这要基于当今的两种海洋技术：机器人潜艇(AUVs)，也叫自动潜航器;声纳技术。水下遥控潜航器必须与船只相连，因此操作范围只有几百米左右。机器人潜艇则不同，它可以通过程序自动潜入冰下几千米的深海。

　　实现潜艇梦想

　　在今年，新罕布什尔州的寒冷地区研究与工程实验室进行了一系列的相关实验。来自苏格兰海洋科学协会的研究人员将机器人潜航器与一套包括多波束声纳在内的感应器配合使用。一旦进入水下，机器人潜航器便会向上发送脉冲。冰川和石油以不同方式将声波再次反射，使得石油的位置得以确定。

　　该项目负责人杰里米·威尔金森称，石油层的厚度可精确至毫米，包括摄像头、声纳和激光在内的多种探测设备配合使用可以提高精确度和可靠性。他说：“也许这不是最佳方法，但至少我们有了可以使用的设备，能在其他技术不能驾驭的环境中工作。”

　　如今，在寒冷水域的石油监测能力虽然不断提升，但是清除这些石油的办法仍然有限。

　　目前，主流的清除海洋石油泄漏的方法有两种。第一种是将油集中起来，用东西围住，然后将其移除海面，或者将其焚烧。第二种是用化学分散剂将石油分解成微滴，使得石油更易被天然细菌吸收。

　　在北极地区的冰川是阻止石油大面积扩散的天然屏障。温度越低，石油就越有粘性，扩散的就越慢。同时，更低的温度也会延长石油的保持时间，避免燃烧。而在温和海域，石油中更轻、更易燃的成分会在几小时内蒸发。

　　但是无论北极地区在清除泄漏石油方面有多少天然优势，都远不及深入泄漏地区清除的难度。在墨西哥湾事件中，美国海洋大气署的数据显示，只有3%石油被集中到海面移除。燃烧冰下的石油成了不可能的任务，处理手段只有化学分散剂了。

　　加拿大海洋油气研究中心主任肯尼斯·李表示，基因组研究表明天然细菌能分解的石油量可能要比我们之前想象的更理想。他的团队正在研究使用分散剂加速寒冷水域的石油分解过程。

　　考虑到北极地区开展清理工作的难度，石油公司可能会集中研发能迅速发现问题的探测设备，并且首先做到尽最大努力避免泄漏事故发生。