חמישים גוונים של זיהום

האסון שהתרחש בלילה שבין 3 ו-4 בדצמבר 2014 בשמורת עברונה שבערבה נחשב לאחד האסונות הסביבתיים הגדולים ביותר בתולדות מדינת ישראל. 5,000 קוב של נפט גולמי דלפו באותו לילה מצינור פגוע של קו הנפט אילת-אשקלון לא רחוק מבאר אורה, וכמויות אדירות של נפט גולמי זרמו בערוצי הנחלים בשמורה וגרמו לפגיעה קשה בחי ובצומח בה.

"נפט הוא אחד המזהמים הנפוצים בעולם", מספר רן פֶלְטׇה, דוקטורנט במעבדה לחישה מרחוק של פרופ' איל בן דור, בבית הספר לסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר באוניברסיטת תל-אביב. "כתוצאה מפעילות האדם אפשר למצוא זיהום נפט כמעט בכל מערכת אקולוגית, בין אם יבשתית או ימית. מחקרים מהעולם הראו שהנפט פוגע בפעילות אנזימטית, סותם נקבוביות ופוגע במעבר מים ואוויר לתת הקרקע. אנשים שגרים ליד בתי זיקוק או כאלה שעבדו בפעולות ניקוי של זיהום נפט סבלו ממגוון בעיות בריאותיות, החל מגירויים בעור ועד פגיעה בכבד ובכליות" הוא מוסיף.

השיטות להתמודדות עם נזקי הנפט רבות ונמצאות במחקר ופיתוח נרחבים. לאורך השנים הוצעו פתרונות כימיים, אשר היו יקרים, לא יעילים ופגעו בסביבה. מחקרים מסוימים מציעים לטפל בקרקעות בעזרת בקטריות, אשר מבצעות פירוק ביולוגי של החומר, בצורה סביבתית שאינה כוללת כימיקלים. על אף ששיטה זו יעילה וזולה יותר, הקושי העיקרי הוא בכך שפשוט קשה לדעת איפה בדיוק נמצא החומר המזהם; בעברונה, למשל, הושקעו מאמצים רבים בדגימה אטית ומייגעת של שטחי קרקע שונים, כדי לזהות את הנקודות עם ריכוזי הנפט הגבוהים שבהם יש לטפל.

שני מחקרים ישראליים שהוצגו לאחרונה במסגרת הוועידה השנתית ה-47 למדע ולסביבה עוסקים במציאת פתרונות לבעיה זו בדיוק: זיהוי מהיר ויעיל של הזיהום. השיטות יכולות לסייע  בשיקום סביבתי מהיר יותר, תוך הפחתה של הסכנות הבריאותיות הנלוות לזיהום וחיסכון בכסף.

פי מאה יותר מהמצלמה בטלפון

שני המקרים משתמשים בטכנולוגיה של חישה מרחוק לפתרון הבעיה. "תחום החישה מרחוק קיים כבר כמה עשרות שנים, אבל רק בשנים האחרונות יש התקדמות משמעותית בזמינות ובטכנולוגיית החיישנים. בגוגל למשל, בנו כלי ייעודי שמאפר להוריד, לעבד ולנתח צילומי לוויין", מסביר פלטה.

השיטה עובדת כך: קרינת השמש פוגעת באובייקטים שונים כמו צמחייה, מים וקרקע. חלק מהקרינה הזו מוחזר מהאובייקט ונקלט בחיישן. בתוך החיישן קיימים רכיבים שמפצלים את הקרינה המוחזרת לאורכי גל ספציפיים. לכל אובייקט יש עקומה שמתארת את צבעי החזרת הגל שלו, שנקראת ספקטרום – מעין טביעת אצבע שמאפשרת, אפילו בלי לראות את האובייקט, להבין האם מדובר בקרקע או צמחייה, ובאיזה סוגי צמחייה וקרקע מדובר.

"המצלמה בטלפון הסלולארי עושה פעולה דומה", מסביר פרופ' שי קנדלר, חוקר במכון הביולוגי ופרופסור אורח בטכניון. "בטלפונים שלנו כל תצלום מכיל פיקסלים רבים, שבכל אחד מהם יש ספקטרום החזר. בטלפון מדובר בשלושה צבעים – אדום, כחול וירוק, שכולם נמצאים בספקטרום הנראה, והעין שלנו יכולה לזהות אותם", הוא מוסיף.

החיישנים המדוברים, אשר יחוברו בהמשך למצלמות, מורכבים ממגוון רחב הרבה יותר של צבעים, אשר מאפשר קבלת מידע שכבני אדם אינו זמין לנו ומשתמש באלגוריתמים שונים לפיענוח המידע שהחיישנים מקבלים. במעבדתו של קנדלר הצליחו לפתח, בעזרת בדיקה של דוגמאות חומרים שונים במעבדה, אלגוריתם אשר מסוגל לזהות את סוג המזהם במהירות לפי ספקטרום הפליטה שלו, ושבהמשך יוכל לאפשר מיפוי שלו במרחב. "האלגוריתם שפותח אצלנו במעבדה יכול להשתמש ב-288 צבעים שונים, בשונה מהשלושה שקיימים במצלמת הטלפון", מספר קנדלר. כאשר יש כל כך הרבה גוונים, קל יותר לזהות בדיוק את סוג המזהם, ולהפריד אותו מהקרקע שעליה הוא נמצא.

"סלעים ואדמה, לדוגמה, הם מטרה שהצבע שלה חזק ומובהק", מסביר קנדלר. לעומת זאת, מזהמים נמצאים הרבה פעמים כשכבות דקות ולא אטימות, ולכן חלק מהספקטרום המוחזר הוא של הקרקע שמתחתם וקשה ליצור את ההפרדה – ובכך קשה גם למפות אותם. האלגוריתם שפותח מסוגל – באופן אוטומטי ובלי ידע מוקדם – להבין את המאפיינים הכימיים של הצבע ולהגיד עבור כל פיקסל אם קיים או לא קיים בו מזהם. האלגוריתם הזה מאפשר שימוש נרחב, שאינו בהכרח רלוונטי רק עבור קרקעות או רק לנפט. מחקר נוסף במעבדתו של קנדלר, למשל, אפשר זיהוי של אנתרקס דרך מעטפות שבהן הוא נשלח.

בעוד שבמעבדתו של קנדלר מפתחים אלגוריתם כללי, הרי שהעבודה שעושה פלטה במסגרת הדוקטורט שלו עוסקת בפיתוח יכולת זיהוי זיהומי נפט בישראל (עם השלכות לזיהומים אחרים במקומות אחרים) באמצעות מנגנוני חישה מרחוק. פלטה התעסק בעיקר בשלושה סוגי קרקעות – הקרקע בעברונה, קרקע מסוג חמרה מאזור השרון, וקרקע מאזור כוכב מיכאל שבמישור החוף הדרומי (אשר נפגעה גם היא מזיהום נפט). הוא ביצע ניסויים במעבדה שבדקו דוגמאות עם ריכוזים שונים של נפט והראו את הספקטרום המשתנה שלהן. השינויים היו גם בריכוזי המזהם וגם בסוג הקרקע. גדלי הגרגר השונים והתכונות הכימיות של כל קרקע השפיעו גם הן על הספקטרום. "בצילום של עברונה ממטוס לא הצלחנו לזהות באמצעות הספקטרום את זיהום הנפט, למרות החיישן האיכותי שבו השתמשנו ולמרות שידענו בלי ספק שהנפט נמצא שם. הסיבה העיקרית לכך היא שהצילום נערך כשנתיים וחצי אחרי האסון בתנאי שטח אמיתיים ומאתגרים, בניגוד למדידות מעבדה בתנאים אופטימליים", מספר פלטה. כלומר, הנפט היה חשוף על פני השטח במשך זמן והיה קשה לזהות את טביעת האצבע הספקטרלית שלו בחיישן.

למפות סלעים בכוכבים אחרים

קנדלר ופלטה מדגישים שניהם כי הייחוד במחקרים שלהם הוא היעילות והיישומיות שהם מאפשרים. "בזמנו, כשהטכנולוגיה הומצאה, היא הייתה רלוונטית לגופים גדולים שמתאפשרת בהם השקעת סכומי עתק במציאת המזהמים", מספר פלטה. בנאס"א, לדוגמה, משתמשים בחישה מרחוק ובספקטרום בליעה למיפוי סלעים בכוכבים אחרים. חלק מההישג של השניים הוא בכך שדרישות המערכת נמוכות יחסית, וכך גם גופים פחות מקצועיים יכולים להשתמש באלגוריתם. פיתוח האלגוריתם עצמו שמתבצע במעבדתו של קנדלר, נעשה על ידי מדידה של הספקטרום של חומר הנבדק בתנאי מעבדה, שלאחריה משתמשים בחיישן, ובהמשך מפענחים את הנתונים, עוברים על החומר במשך מספר דקות עד שמבינים בדיוק את תכונותיו ומפתחים את האלגוריתם כך שיידע לזהות מגוון רחב של חומרים בקלות ובמהירות.

פרסום

בעתיד, השאיפה היא שניתן יהיה לפתח חיישן שישתמש באלגוריתם ויוצמד לרחפן או אפילו ימוקם על לוויינים, מה שיאפשר מיפוי של מזהמים שונים ביעילות ובקנה מידה רחב. אצל פלטה נבנה מאגר נתונים (על בסיס צילום החיישן מעל עברונה) אשר מוזן למחשב. בעזרת טכניקות של למידת מכונה, המחשב מבין את הקשר בין הספקטרום של כל פיקסל לבין הסוג שלו ומייצר מפה שמראה עבור כל פיקסל האם הוא מכיל נפט או לא. באופן זה, ניתן לבנות מודל ולהזין לו דגימות חדשות, כלומר פיקסלים חדשים. במחקר הספציפי של עברונה, נבנה מודל על בסיס פחות מ-2,000 פיקסלים אשר נתן חיזוי (מזוהם או נקי) ליותר מ-2 מיליון פיקסלים. ברגע שנבנה מודל שמבוסס על כמות פיקסלים מועטה יחסית אשר יודע לזהות את הפיקסלים ולמיין את תכונותיהם, הוא מסוגל לתרגם את התכונות האלה למספר רחב יותר של פיקסלים, ולפענח במהירות גם אותם.

כמובן שהשיטה הבטוחה ביותר להפחתת זיהומי נפט וזיהומים אחרים היא למנוע אותם מראש – באמצעות נקיטת אמצעי בטיחות מתאימים, פיקוח ואכיפה. אך במקרה של אסון, שתי השיטות החדשות שבפיתוח יאפשרו איסוף מידע נרחב ויעיל בהרבה מהמתאפשר כיום בבדיקות קרקע פשוטות. ככל שטכנולוגיות הללו ימשיכו להתפתח, המיפוי ייעשה זמין ונרחב יותר, ויהפוך רלוונטי גם עבור גופים סביבתיים, עיריות, וגופים נוספים, ניתן יהיה לחסוך משאבים ולהגן על הסביבה הטבעית והאנושית מהסכנות שבזיהומי נפט באופן טוב יותר.