Hoja de Trabajo Contaminación Marina (marinepollution-c02-02-3) - Versión del Profesor

Escenario

Al medir la emisión de microondas (rango de frecuencia de 1 ... 100 GHz) del agua de mar en el área de grandes derrames de petróleo, se obtienen máximos y mínimos de la intensidad de la señal en valores de espesor específicos de la capa de petróleo en la superficie del mar (ver gráfico a continuación). Esto se debe a la interferencia constructiva y destructiva en la capa de aceite que es transparente en el rango de microondas y, por lo tanto, depende de la frecuencia (o longitud de onda) utilizada. Este efecto se utiliza para mapear capas de petróleo en la superficie del mar con radiómetros de microondas de barrido (imágenes de la derecha). Temperatura luminosa del petróleo expresada en temperaturas absolutas (escala Kelvin) en función del espesor de la película de aceite en milímetros, mostrada para tres frecuencias en el rango de microondas. El ángulo de incidencia del campo de visión del radiómetro sobre la superficie del petróleo es de 41° (5 GHz), 54° (17 GHz), y 50° (34 GHz).

Imagen izquierda: Geometría de la operación de escaneo del radiómetro de microondas. Imagen derecha: Mancha de fuelóleo pesado con un volumen total de 17 m3, medida con un escáner MWR de 32 GHz. El ángulo de incidencia del campo de visión del radiómetro sobre la superficie del mar es de 40°. La variación máxima de la temperatura luminosa es de 17 K.

En la región espectral de microondas, el aceite y el agua de mar tienen las siguientes propiedades:

• El aceite es transparente y, por tanto, no absorbente. Debido a la Ley de Kirchhoff. La permitividad relativa de los aceites minerales es ε_r = 2.0 en el rango de espectros de microondas, y para el índice de refracción sigue: n = 1.41 (mira el suplemento 3 del tutorial SEOS Entendiendo el Espectro de Radiación).
• Debido a su alta conductividad electrolítica gracias a los iones de sal disueltos, el agua de mar es muy absorbente y, por lo tanto, no es transparente para las microondas. La permitividad relativa del agua de mar es ε_r = 90, y para el índice de refracción se tiene: n = 9.4 (en el rango espectral visible es n = 1.33). La superficie del agua emite radiación térmica debido a la alta absorbancia, nuevamente de acuerdo con la Ley de Kirchhoff. La distribución espectral sigue la Ley de Radiación de Planck con un máximo en el infrarrojo en longitudes de onda de alrededor de 10 μm. Aquí consideramos sólo la porción que está en el rango de microondas que proviene de la capa superior del agua de mar, cuyo espesor es del orden de la longitud de onda, es decir, unos centímetros aproximadamente.

Para comprender mejor las franjas de interferencia, consideramos la emisión de microondas en el agua de mar y una capa de aceite en la superficie del agua. La onda se propaga a través del aceite y se refleja parcialmente en la atmósfera del éste y en la interfaz agua-aceite. Investigamos las ondas que finalmente se refractan en el aire y se propagan hacia el detector de la antena de microondas. Consideramos una trayectoria de rayos con un ángulo de incidencia α y un ángulo de refracción β en la interfaz agua-aceite. La capa de aceite tiene un espesor constante d. Las ondas se reflejan y transmiten parcialmente en la interfaz de la atmósfera del petróleo, los ángulos de incidencia y refracción son β y γ. El campo de visión del radiómetro de microondas tiene un ángulo de incidencia en la superficie del mar que se supone que es γ. Siguiendo la Ley de Reflexión de Snell, tanto la incidencia como el ángulo de reflexión en el punto B son β. Lo mismo ocurre en el punto C, y también con el ángulo de incidencia en el punto D, debido a las interfaces paralelas agua-aceite y atmósfera de aceite. Los ángulos de refracción de las ondas en ambas interfaces, que se muestran en el gráfico de la derecha, se derivan de la Ley de Refracción de Snell: $\frac{sin\alpha }{sin\beta }=\frac{n_{aceite}}{n_{agua}}\frac{sin\gamma }{sin\beta }=\frac{n_{aceite}}{n_{aire}}(\text{with}{n}_{aire}=1)$

Una capa de aceite de espesor d sobre la superficie del agua, y microondas con una trayectoria de rayos dirigida hacia el detector del radiómetro de microondas. La reflexión parcial en las interfaces aceite-agua-atmósfera conduce a franjas de interferencia, como se muestra en el gráfico en la parte superior de la página.

Preguntas

1. Dibuja dos ondas que comiencen en los puntos B y C, que tengan una fase que conduzca a una interferencia constructiva y destructiva y, por lo tanto, a los máximos y mínimos de la señal detectada, respectivamente.
2. Calcula la longitud de onda de las microondas en el aire y en el aceite, con frecuencias de 5, 17 y 34 GHz. ¿Están las longitudes de onda en un acuerdo cualitativo con los valores de espesor de la película de aceite donde se observan los máximos y mínimos de la temperatura luminosa, como se muestra en el gráfico en la parte superior de la página?
3. Con los índices de refracción del agua y el aceite como se indica arriba, ¿considerarías que el ángulo de incidencia α y el ángulo de refracción β están correctamente esbozados en el gráfico de la derecha? ¡Consulta la Ley de Refracción de Snell! Para hacer esto, comienza con γ = 50°, que es un ángulo de visión típico de los radiómetros de microondas (mira la leyenda del gráfico de la derecha en la parte superior de la página), y calcula los ángulos β y α.
4. ¿Podrías recomendar el escáner MWR...
   a) para distinguir las películas delgadas de aceite causadas por derrames controlados, de los volúmenes de petróleo más grandes causados ​​por descargas accidentales?
   b) para la vigilancia de descargas deliberadas de pequeños volúmenes de hidrocarburos de unos 100 litros por milla náutica?
   c) para orientación de los buques de recuperación de derrames de hidrocarburos tras derrames accidentales de gran volúmen?
5. Los hidrocarburos vertidos en el mar sufren los efectos de la intemperie debido al viento y las olas. En particular, las gotas de agua se mezclan con la capa de aceite, lo que conduce a la emulsificación ("mousse de chocolate"). ¿Es posible detectar y cuantificar los hidrocarburos meteorizados en la superficie del mar con un escáner MWR?
6. Otro efecto de la meteorización es la evaporación de los compuestos volátiles del petróleo, lo que provoca un aumento de la densidad de los aceites. Por tanto, la densidad puede superar la densidad del agua de mar. Luego, el petróleo se sumerge y flota en la columna de agua. ¿Sería factible detectar petróleo sumergido con un escáner MWR?

Solución a las Preguntas

2. En aire: 5 GHz - 6.0 cm; 17 GHz - 1.76 cm; 34 GHz - 0.88 cm.
   En aceite: 5 GHz - 4.26 cm; 17 GHz - 1.25 cm; 34 GHz - 0.63 cm.
   
3. Con γ = 50° es: β = 32.9°, α =4 .67°.

Materiales

• Versión del estudiante esta hoja de trabajo: Franjas de Interferencia de Aceite en Agua, como página HTML o como archivo RTF imprimible
• La Contaminación por Hidrocarburos y el Destino del Petróleo en el Mar
• Seguimiento Aéreo de Derrames de Petróleo
• El Radiómetro de Microondas
• Suplemento a esta hoja de trabajo: Franjas de Interferencia de Aceite en Agua, como página HTML: versión del profesor, página HTML: versión del estudiante, o como archivo RTF imprimible

Tiempo necesario

• Dos lecciones escolares y un ejercicio de tarea.
  
  

Procedimiento

1. Primera lección en clase: Reúnanse en grupos de no más de cinco estudiantes y..
   
   
   • discutan las preguntas sobre las características físicas de los aceites y su comportamiento en la superficie del agua;
   • decidan qué información de contexto puede necesitarse para resolver el problema, y
   • asignen una tarea a cada miembro de su grupo que debería resolverse antes de la próxima lección en la escuela
   
   Esto debería permitirles resolver el problema dado y presentar los resultados a su clase.
   
   Tengan en cuenta que no toda la información de contexto que se les ofrece es necesaria para resolver el problema. Depende de ustedes decidir qué información se puede necesitar.
   
   
2. Tarea: resuelve la tarea que te ha asignado tu grupo.
   
   
3. Segunda lección en clase:
   
   
   • presenta a tu grupo lo que has aprendido
   • discutan cómo sus hallazgos pueden ayudarlos a responder la pregunta 4, es decir, la elección de los mejores instrumentos y métodos para un escenario dado
   • presenten sus resultados a su clase utilizando la información que se encuentra en sus consultas

Información de Contexto

• Grüner K, R Reuter & H Smid, A new sensor system for airborne measurements of maritime pollution and of hydrographic parameters. GeoJournal, 24(1), 103-107, 1991. (archivo pdf 5.8 MB, idioma inglés)