Введение к работе
мя одной из важнейших задач. По мнению многих исследователей длительное воздействие пленок нефти на тепло- и массо-обмен между океаном и атмосферой способно повлиять на климат как в региональном, так и в глобальном масштабах. Актуальность этой проблемы способствовала созданию и реализации целого ряда международных и национальных проектов и программ мониторинга нефтяных загрязнений вод Мирового океана.
Результаты наблюдений, опубликованные в различных источниках, показывают, что в северной части Индийского океана нефтяные пленки (НП) встречаются в 50 % случаев наблюдений, что около 10 % площади Северной Атлантики покрыто пленками нефтепродуктов, и что в целом в Мировой океан попадает приблизительно 10 млн тонн нефти в год.
Рост морской добычи нефти, увеличение интенсивности танкерных перевозок, расширение гее» рафии ее добычи как за счет арктических, так и тропических районов Мирового океана сохраняет тенденции накопления нефтяных углеводородов в морской воде.
Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению влияния нефтяных загрязнений на процессы тепло- и массообмена меаду океаном и атмосферой, многие задачи данной проблемы оеташея нерешенными. Отсутствуют, например, данные о депрессорной активности тонких (до I мкм) пленок нефти в процессах испарения и газообмена, требуют уточнения физические механизмы члияния НП на газообмен и термическую
структуру вязкого подслоя воды, недостаточно эффективны методические приемы, используемые для экспериментальных исследований обменных процессов между водой и воздухом. Получение достоверных данных о влиянии НП на тепло- и мас-соперенос через водно-воздушную границу позволит более глубоко понять физическую сущность этого влияния на обменные процессы, точно прогнозировать на этой основе последствия нефтяных загрязнений морей и океанов и, следовательно, выработать более эффективные меры по их предотвращению.
Цель работы заключается в экспериментальном изучении влияния пленок нефти на испарение, газообмен через границу раздела вода-воздух и на термический режим в вязком подслое воды, где процессы транспорта тепла и газов осуществляются преимущественно путем молекулярного переноса, а также в уточнении физических механизмов этого влияния.
Для достижения данной цели требовалось решить следующие задачи:
разработать лабораторную установку и методы физического моделирования обменных процессов между водой и"воздухом, по возможности адекватно воспроизводящие процессы,, реально существующие в природе; .
получить уточненные экспериментальные данные о'деп-рессорных свойствах пленок нефти и нефтепродуктов, определить изменения этих свойств во времени, их зависимость от композиционного состава не}>ти и нефтепродуктов, от толщшаї п.ченки и ветрового обдува;
получить экспериментальные данійіе о влиянии тонких
НП (до 10 мкм) на газообмен, найти характер зависимости
скорости газообмена от физико-химических свойств пленок;
- экспериментально определить у.арактер изменения по
верхностной температуры води в зависимости от CTfiteHH-eappaa=
нения поверхности нефтью, исследовать физический механизм
влияния НП на перепад температуры в вязком подслое воды.
Научная новизна работы. Разработаны .тлбораторная установка и методы комплексных эксперимента.1' ьных исследований процессов ; ;.ло- и массообмена между водой и воздухом в условиях загрязнения водной поверхности пленками нефти или поверхностно-активных веществ (ЛАВ). Схек..'технические решения отдельных узлов, входящих в оснастку установки, защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Впервые исследованы тонкие НП в диапазоне толщин от 0,0025 до 10 мкм. Получены экспериментальные данные, более точно выявляющие физические механизмы влияния НП на влаго-, газо- и теплообмен между водной и воздушной средами.
В частности, в ходе проведения экспериментов было установлено:
депрессорные свойства пленок сырой нефти в течение нескольких часов после разлива усиливаются, сохраняясь, кале минимум, в течение 12-14 суток;
депрессорная активность НП в значительной мере зависит от соотношения в нефти легких и тяжелых фракций, т.е. чем выше концентрация высокомолекулярных углеводородов в не{)ти, тем сильнее пленки подавляют испарение;
эффект уменьшения скорости газообмена между водой и
воздухом в присутствии тонких НП (до I мкм) определяется, главньш образом, величиной поверхностного давления пленки, а не ее диффузионном сопротивлением. Собственное диффузионное сопротивление НП начинает играть заметную роль лишь при толщинах пленки более 10 мкм;
- температура водной поверхности, загрязненной пленками нефтепродуктов, может не только повышаться, но и понижаться в зависимости от депрессорного эффекта пленки и ее поверхностного давления, что подтверждается при наблюдении за одновременным прохождением через водно-воздушный «інтерфейс двух трассеров: потока тепла и потока молекул газообразного кислорода.
Научная и практическая знечимость работы. Разработанные оборудование и методи экспериментального исследования влияния НП на тепло-, влаго- и газообмен между водой и воздухом обладают универсальными возможностями. Во-первых, они поавол ют проводить комплексные эксперименты по углубленному изучению физических механизмов влияния не только пленок нефти, но и любых ПАВ на вышеуказанные процессы, а во-вторых, ряд измерительных систем и методов может самостоятельно использоваться для иэу^зния обменных процессов между морем и атмосферой в натурных условиях.
Экспериментальные данные по испарению, показавшие высокий депрессорный эффект НП и его устойчивость во времени против внешних воздействий, могут быть использованы для уточнения оценок влияния НИ на тепло- и влагообмен между
океаном и атмосферой. На основе этих данных предложено расчетное соотношение, связывающее скорость испарения влаги с толщиной nлёнlШ7~RXR^ициeш!ffllJgиjфyзии водяных паров в не-ти или нефтепродукте и динамической скоростью~вётра7
Выявленная зависимость скорости газообмена только от
поверхностного давления пленок толщиной менее I мкм позво
ляет, во-первых, упростить процедуру оценки влияния тонких
НП на газообмен, учитывая лишь один параметр - поверхност
ное давление пленки, а во-вторых, распространить эту оценку
на любые, в том числе и растворимые ІІАВ, поскольку на фи
зический механизм уменьшения скорости газообмена не оказы
вает влияния конкретный вид загрязняющего вещества. Полу
ченные результаты к:огут быть использованы для усовершенство
вания методов мониторинга загрязнения вод суши и Мирового
океана. Главным контролируемым параметром в данном случае
должно стать поверхностное натяжение загрязненной воды, а
перечень загрязняющих веществ, за которыми требуется наблю
дение, не должен ограничиваться только нефтью или продук
тами, ее перегонки. .
Физический механизм влилнвд till на формирование термического режима вблизи водной поверхности, определенный на основании экспериментальных'данных, позволяет разработать методы учета загрязнений при дистанционном определении температуры поверхности морей и океанов. Кроме того полученные данные о температурных контрастах между сликом и чисток поверхностью могут быть положены в основу для дистанционного обнаружения полей нефтяных или других загрязнений.
Данные комплексного эксперимента, в котором в качестве трассеров, проходящих через границу раздела вода-ьоздух
*
- в -
одновременно использовались поток тепла и поток малорастворимого в воде газа (кислорода) открывают возможности для разработки методов оценки скорости газообмена по данным температурных измерений на верхней и нижней границах вязкого подслоя воды.
В итоге полученные результаты могут служить основой для учета влияния нефтяных загрязнений на климатические характеристики при наличии реальных данных о нефтяном загрязнении морей и океанов.
Диссертационная работа проводилась как часть плановых НИР, выполнявшихся в отделе физики климата Института экспериментальной метеорологии. Материалы диссертации включены в отчеты о НИР по программе ГКНТ СССР 0.74.II "Разработать методы оценки возможных изменений климата и влияния этих изменений на народное хозяйство".
На защиту автором выносится следующее:
методические и технические разработки, реализованные в лабораторной установке для комплексного исследования процессов тепло- и массопереноса через границу раздела вода-воздух, загрязненную пленками нефти;
новые экспериментальные данные о депрессоркой активности Ш и ее зависимости от времени, толщины пленки, скорости, ветра и соотношения в нефти легких и тяжелых фракций;
неизвестные ранее данные о зависимости скорости газообмена от толцины и поверхностного давления НЯ и их физическая интерпретация;
данные комплексного лабораторного и натурною экспэ-риментов по выявлению физического мгхаж'-wa фсрклртса-хя
термической структуры вязкого подслоя воды под влиянием нефтяных пленок на водной пог-ерхности.
Апробация раоотіпт-пу(^ликацщіл_Основнце положения и результаты работы докладывались: на У, УІ и УП Межведомственных семинарах "Влияние загрязнений природной среды на климат Земли" (Обнинск, I9o5, 1966, 1968); на Всесоюзных симпозиумах: "Методология прогнозирования загрязнения океанов и морей" (Севастополь, 1966), "Проблем1, турбулентных течений" (.'' нэкино, Донецкой обл., 1966', "Океанографические аспекты охраны морей и океанов от химических загрязнений" (Одесса, 1966); на III съезде советских океанологов (Ленинград, 19671; на международном IX научно-координационном совещании по проблеме XII "Глобальная система мониторинга окружающей среды" сотрудничества стран-членов СЭВ (Рига, 1966).
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, включая два авторских свидетельства на изобретения, из них 6 в соавторстве. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад диссертанта заключается в участии на всех этапах .исследования, от постановки задачи до получения и анализа экспериментальных данных и написания статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы 1^0 страниц машинописного текста, в том числе II рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 101 наименование.