Ölteppiche und Fernerkundung

Ölteppiche (engl.: oil spills) sind auf Wasseroberflächen treibende Ölverschmutzungen durch Rohöl oder Schweröl, insbesondere auf Meeren. Sie beeinträchtigen sensible Ökosysteme. Der Grund für das Aufschwimmen des Öls liegt in seinem im Vergleich zum Wasser geringeren spezifischen Gewicht. Ursachen für Ölteppiche sind Havarien von Öltankern, illegale Tankreinigungen auf hoher See, Pipeline-Leckagen, Fehlfunktionen von Anlagen auf Offshore-Bohrinseln und natürliche Austritte von Öl aus der Erdkruste.

Fernerkundungssensoren, die von Flugzeugen eingesetzt werden, liefern eine bewährte Methode zur Erkennung und Beurteilung von Ölverschmutzungen auf dem Meer. In Deutschland werden diese seit mehr als 25 Jahren verwendet. Aktuell sind in Deutschland zur Ölüberwachung zwei Flugzeuge vom Typ Dornier 228 mit einer spezialisierten Zusammensetzung von Fernerkundungssensoren im Einsatz.

Die Deepwater Horizon-Havarie

Am 20.April 2020 hat der Satellit GOES-East die Golfküste (kl. Bild rechts unten) beobachtet. Genau 10 Jahre zuvor wurde sie von einer verheerenden Ölpest aus der Bohrinsel Deepwater Horizon heimgesucht. NESDIS war maßgeblich an der Ermittlung der Auswirkungen und der Ausbreitung der Ölpest aus der beschädigten Bohrinsel beteiligt, dank seiner satellitengestützten Produkte zur Analyse von Oberflächenöl und dem später im selben Jahr eingesetzten Programm zur Meeresverschmutzung der Abteilung für Satellitenanalyse (SAB). Das MODIS-Instrument der NASA an Bord der Satelliten Terra und Aqua überwachte ebenfalls den Verlauf der Ölkatastrophe (großes Bild), die knapp drei Monate andauerte.

Deepwater Horizon Oil Spill, April 2010 Quelle: NOAA NESDIS

Nach einem Tankerunfall ist das größte Problem, einen Überblick über den Teppich hinsichtlich Größe und Driftrichtung zu erhalten. Bezüglich natürlicher sowie bewusst und fahrlässig herbeigeführter Ölteppiche bedarf es kontinuierlich arbeitender Monitoringprogramme. Entsprechende Luftüberwachung großer Gebiete, z.B. des Mittelmeers sind abhängig von Tageslicht und guten Witterungsbedingungen. Zusätzlich können Sonnenlichtreflexe tagsüber die Detektion behindern.

Öl im Meer Die wichtigsten Transportwege und Abbauprozesse. Wenn Öl ins Meer austritt, verursacht eine Anzahl von Abbauprozessen Veränderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Rohöls und seines Verhaltens im Meer. Quelle: SINTEF

Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet seit einigen Jahren der Einsatz satellitengetragener Radarinstrumente (Synthetic Aperture Radar), unterstützt von EO-Satelliten, die mit Sensoren wie multispektralen und hyperspektralen Bildgebern, Radiometern und Höhenmessern ausgestattet sind. Mit ihren aktiven Mikrowellensensoren beleuchten die Satelliten (z.B. RADARSAT, TerraSAR-X) die beobachtete Szene und registrieren das zurückgestreute Radarecho. Sie sind in der Lage, auch kleinere Ölteppiche aus der Erdumlaufbahn zu erkennen.

In einem Radarbild wird die ausgesandte Radarstrahlung hauptsächlich durch die Kapillarwellen zurückgestreut. Diese Bereiche erscheinen im Bild heller. Mineralöl dämpft Kapillarwellen und vermindert die Rückstreuung. Deshalb zeichnen sich Ölfilme auf den Radarbildern als dunkle Zonen in einer ansonsten heller erscheinenden Umgebung ab. Allerdings werden Wellen auch durch andere Einflüsse gedämpft, wie zum Beispiel dünne Algenfilme, die ein ähnliches Radarbild entstehen lassen. Weitere natürliche Ursachen für die dunklen Flecken können z. B. windstille Zonen sein, d. h. Gebiete in denen es nicht genügend Kapillarwellen gibt, oder auch Sandbänke.

Eine normale Wasseroberfläche erscheint dunkel, so lange die Windgeschwindigkeit unterhalb drei m/s – das entspricht etwa Windstärke 2 – nicht übersteigt; in diesem Fall ist die durch die nur leichte Brise verursachte Aufrauung der Wasseroberfläche zu gering, um die Rückstreuung des Radarstrahls erkennbar zu beeinflussen. Umgekehrt reicht die glättende Wirkung zumindest dünner Ölschichten bei Windgeschwindigkeiten jenseits von zehn m/s, entsprechend Windstärke 6, nicht mehr aus, um noch einen erkennbaren Unterschied in der Oberflächenrauhigkeit und damit dem Rückstreuvermögen der Meeresoberfläche zu bewirken.

Daher sind Zusatzdaten zum eigentlichen Radarbild zur Beurteilung nötig, sonst besteht die Gefahr der Fehlinterpretation. Daher ist die Kombination von Satellitenbildern mit Flugzeugeinsätzen zur weiteren Überprüfung wesentlich, sowie dass die Flugzeuge mit einem entsprechenden erweiterten Sensorsystem ausgestattet sind und von geschulten Operateuren betrieben werden.

Erkennbarkeit von Öltepichen abhängig von der Wasserrauigkeit Das satellitengestützte SAR-Radar, das Aufnahmen unabhängig vom Wetter und den Lichtbedingungen machen kann, ist ein hervorragendes Werkzeug, um Öl auf Wasseroberflächen zu entdecken. Ölteppiche erscheinen als dunkle Flecken auf den Radar-Bildern, da das Öl eine glättende Wirkung auf die Meereswellen hat. Dadurch wird die Rückstreuung des Radar-Signals zum Instrument reduziert. Quelle: nach Eduspace

Relevante Satellitenmissionen

Projekte wie z. B. OCEANIDES oder Mar-Coast bereiteten den Weg für den heutigen Satellitendienst CleanSeaNet der Europäischen Agentur für die Sicherheit des Seeverkehrs (EMSA). In Kombination mit den Ölüberwachungsflugzeugen hat diese Technologie mittlerweile die für eine operationelle Nutzung nötige Reife erreicht.

Wird eine Ölverschmutzung festgestellt, so können numerische Driftmodelle den Driftweg der Verschmutzung vorhersagen oder den Weg zu möglichen Quellen und Verursachern zurückverfolgen. Diese Modelle können wertvolle Eingangsdaten aus der Fernerkundung erhalten. Dies sind insbesondere Information über einer Sichtung mit Zeitpunkt, Position und Verteilung. Ein Prototyp für die Verknüpfung von Fernerkundung und öldriftprognose wurde in einem Projekt von DeMarine erstellt.

Weitere Informationen:

• Ölüberwachung (BFG)
• Oil spill spread (ESA)
• Öl im Meer - Risiken, Vorsorge und Bekämpfung (BSH)
• Erstes Ölaufklärungsflugzeug Do 228 LM modernisiert (Bundeswehr 2022)
• Envisat delivers a decade of insights into ocean oil slicks (ESA 2023)