ספקטרוסקופיה של החזרה ככלי מהיר למיפוי כמותי של מזהמים פחמימניים בקרקע

ספקטרוסקופיה של החזרה מקרקעות (נקודתית ומרחבית) הינה טכניקה ידועה להערכה כמותית מהירה של תכונות קרקע. הגישה הספקטראלית הכמותית פותחה במשך שני העשורים האחרונים על ידי חוקרים רבים ומאמרים מדעיים פורסמו על נושא זה בספרות המקצועית. בעקרון, הגישה הכמותית אומצה מדיסציפלינות אחרות (לדוגמא: מזון, טקסטיל, תרופות), והגישה למיפוי מרחבי פותחה באמצעות שילוב של כלים ספקטראליים הדמאתיים עם אמצעי חישה מרחוק.

זיהומי קרקע הינם תופעה אשר היקפה מתרחב מיום ליום ומקורן בעיקר מהשפעות אנטרופוגניות במרחב הסביבתי. קיים צורך דחוף לשיטה אובייקטיבית וידידותית לסביבה, מהירה ואמינה,  אשר יכולה לשמש לזיהוי וניטור של מזהמי קרקע. זאת  לצורך  דיאגנוזה מהירה ומהימנה של אתרים מזוהמים כמו גם לבקרת  תהליכי טיוב ושיקום.

זיהום סביבתי מדלקים פחמימניים הינו בעיה שכיחה. עם היקף ייצור עולמי של 14.16 מיליון מטרים מעוקבים של נפט גולמי ביום, הפוטנציאל שלהם כמזהמי מים וקרקע הוא ברור. למזהמי קרקע פחמימניים אלו השפעה אקוטית על הסביבה לדוגמא:  נזק לקרקעות חקלאיות, פגיעה במקורות מים, וכן גם סכנה בריאותית (חלק ממרכיבי הדלק מוכחים כחומרים קרצינוגניים).

השיטות הקונבנציונליות לחקר אתרים מזוהמים מבוססות על דגימה נקודתית ובדיקות כימיות במעבדה לאחר מכן. בדיקות אלה  איטיות, יקרות ולעיתים מערבות ריאגנטים אשר אינם ידידותיים לסביבה. שימוש בספקטרוסקופיה של החזרה מקרקעות מאפשר ניטור מהיר בשטח של מספר תכונות קרקע באופן ישיר ועקיף, במיוחד אם אפשר להתאים אותו לאפיין זיהומי קרקע שונים, כאמור מדידה ספקטראלית הנה מהירה זולה אמינה ויכולה לאפשר מעקב  ידידותי ויעיל אחר הסביבה.

מכיוון שהיקף הנתונים המתקבלים בהליך המדידה הספקטראלי בכלל וזו של קרקעות הינו רב, בין אם נקודתי ובין אם הדמאתי, יש צורך להשתמש בשיטות כריית מידע. בכדי לאפשר שימוש בספקטרוסקופיה ככלי אבחון עבור מזהמי קרקע, במחקר זה נציג את התיאוריה מאחורי ספקטרוסקופיה של החזרה מקרקעות והיכולות הכמותיות הגלומות בשיטה זאת, כמו כן גם את שיטות כריית המידע של נתונים אלו בדגש על זיהומי קרקעות בדלקים. בנוסף העבודה דנה בזיהומים נוספים כדוגמת מתכות כבדות, זיהומים כתוצאה מזיהומים בסביבה חומצית, קוטלי מזיקים ועקת צמחיה כעדות משנית לנוכחות זיהומי קרקע. בעבודה אנו סוקרים את כל הניסיונות לזיהוי זיהומים אלו באמצעי ספקטרוסקופיה של החזרה מקרקעות, בשימת דגש מיוחד על זיהומי דלקים פחמימניים ובוחנים את הקשיים שמנעו מנושא זה להתפתח. במסגרת העבודה נפתח את השיטה הכמומטרית  לזיהוי דלק על ידי בחירה של דלקים שונים, קרקעות, רמות זיהום ופיתוח של פרוטקולי מדידה וכריית מידע שונים. העבודה תתבצע בצורה סיסטמתית על זיהומים סינטטיים של דלקים פחמינימים בקרקעות נבחרות הנפוצות בישראל ותיבדק על קרקעות בעלות זיהומי אמת מהשטח.

בעבודה נסקרת השיטה המסורתית (מבוססת הכימיה) לבדיקת רמת הזיהום של דלקים פחמימניים בקרקע והיא מושווית לשיטה הספקטרלית. מעבדות מסחריות בעלות אישור ממשרד הסביבה והרשות להסמכת מעבדות לבדיקות זיהומי דלקים נבחנו על ידי דוגמאות מזוהמות באופן מלאכותי בכמות ידועה ונבדקה רמת דיוק הבדיקה. אנליזה של גורמי הסטייה נעשית בפרוטרוט תוך הסקת מסקנות והצעת  מספר דרכים לשיפור מהימנות השיטה. הבדיקה מוכיחה כי השיטה הספקטרלית מאפשרת עליה בהספק המדידות ובמחיר נמוך מבלי לפגוע ברמת הדיוק ביחס לשיטות הסטנדרטיות הידועות.

על יסוד ניתוח ספקטרלי מפורט של אוכלוסיות קרקע מזוהמות מוצעת גישת ניתוח כימו-מטרית חדשה לניתוח נתוני ספקטרוסקופיה של החזרה מקרקעות (ואשר יכולה לעבור גנריזציה לחומרים אחרים גם). לראשונה, פותחו מספר  פרמטרים  סטטיסטיים חדשים לבחינת ביצועי מודלי הקריאה הספקטראליים  לניבוי רמת הזיהום. גישה זאת הינה כללית באופייה וניתנת ליישום עבור מודלים מסוגים שונים ולא עבור קרקעות בלבד. גישה זאת נבחנה באמצעות יצירת מודלים עבור זיהומי דלקים פחמימניים בקרקע על ידי יצירת דוגמאות מעבדה מזוהמות בדלקים באופן מלאכותי. על בסיס העבודה המעבדתית הסיסטמתית נבחנו המודלים שהופקו על אתר מזוהם בדלקים בדרום הארץ והוכיחו דיוק רב בהשוואה לנתוני מעבדה מבוססי כימיה מסורתית.

העבודה מציגה ודנה במגבלות, מכשולים ובעיות במדידת נתוני החזרה מקרקעות בין אם במעבדה ובין אם בשדה ועל בסיס דיון זה מציעה דרכים לשיפור העבודה העתידית בכיוון הספקטראלי, כולל שימוש במצלמות היפרספקטרליות מוטסות. בעניין זה, הבעיות ואף פתרונות אפשריים לשימוש בספקטרוסקופיה הדמאתית למיפוי זיהומי קרקעות מרחוק (חיישנים, אופטיקה, אטמוספרה, פלטפורמות חישה, איכות נתונים וכו') מוצגים, וכן נסקרים הפרויקטים של מערכות מסוג זה ומצבם. כפי שנדון בפרוטרוט, דיוק הגישה הספקטראלית מושווה לדיוק השיטה הכימית המסורתית של מעבדות מוסמכות באמצעות מבחן ביצועים מקיף. מסקנת המחקר היא כי הגישה הספקטראלית בשילוב עם שיטת כריית המידע שפותחה כאן, מניבים תוצאות לא פחות טובות מהשיטה המסורתית ובמקרים מסוימים אף טובות יותר. במסקנה זו יש פריצת דרך בכל הקשור לניטור קרקעות עתידי לזיהומי דלקים בקרקע והיא עשויה לסייע למקבלי החלטות לשמור על סביבת האדם מחד ולסייע בטיוב הקרקעות המזהמות מאידך. לסיכום, מוצגת מפת דרכים עבור הפוטנציאל שיש לטכנולוגיה הספקטראלית מבוססת החזרה מקרקעות  עבור ניטור מזהמים.  בהתבסס על היוזמות הנוכחיות מסביב לעולם הכוללות פיתוח כלי חישה מתקדמים, כלים מוטסים ואף מערכות על פלטפורמות לווייניות בחלל. לעבודה זו יהיה נדבך חשוב בהטמעת החזון לניטור מהיר ובר קיימא של קרקעות תחת סכנת זיהום האדם.