Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное исследование влияния нефтяных загрязнений на тепло- и массообмен между водой и воздухом

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование влияния нефтяных загрязнений на тепло- и массообмен между водой и воздухом"

ГОСУДАРСТВЕННОЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ТАЙФУН"

ЧЕ1СШНОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЩОВЛНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ТЕПЛО- И МАССООБМЕН МЩУ ВОДОЙ И ВОЗДУХОМ

04.00.22 - Геофизика

Автореферат диссертации ка соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Обнинск-1991

Работа выполнена в Институте экспериментальной метеорологии НПО "Тайфун" Государственного комитета СССР но гидрометеорологии-.

Научный руководитель- кандидат физико-математических * наук, ст. научный сотрудник Коломеев и.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Алексеев В.В., кандидат физико-математических наук, ст. научный сотрудник Дулов В.Д.

Ведущая организация - Государственный океанографический институт

Защита диссертации состоится "20 " мая 1991 г. в 13.30 часов на заседании специализированного соьета К 024.C7.0I в НПО "Тайфун".

Адрес: 249020, г. Обнинск, Калужской обл., пр. Ленина, Ы

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО "Тайфун".

Автореферат разослан " 5 " С1ПрС//5С 1991 г. Ученый секретарь

специализированного совета ^; {.Корпусов

У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение влияния нефтяных загрязнений поверхностных вод Мирового океана на обменные процессы

между водной и воздушной-средами остается в настоящее время 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 географии 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 тешго- и массообмена меяду океаном и атмосферой, многие задачи данной проблемы оеташся нерешенными. Отсутствуют, например, данные о депрессорной активности тонких (до I мки) пленок нефти в процессах испарения и газообмена,требуют уточнения физические механизмы влияния 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 НЛ 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 толщш'-ы п.ченки и ветрового обдува;

- получить экспериментальные дашйле о влиянии тонких

НП (до 10 мкм) на газообмен, найти характер зависимости скорости газообмена от физико-химических свойств пленок; __- экспериментально определить характер изменения поверхностной температуры води в зависимости от ети!гени-варряз=. нения поверхности нефтью, исследовать физический механизм влияния НП на перепад температуры в вязком подслое воды.

Научная новизна работы. Разработаны .тлбораторная установка и методы комплексных экспериментальных исследований процессов ило- 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, как минимум, в течение 12-14 суток;

- депрессорная активность Н11 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

- б -

воздухом в присутствии тонких ЫП (до I мкм) определяется, главный образом, величиной поверхностного давления пленки, а не ее диЭДуэиондам 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 интерфейс двух трассеров: потока тепла и потока молекул газообразного кислорода.

Научная и практическая знечимость работы. Разработанные оборудование н методы экспериментального исследования влияния НП на тепло-, влаго- и газообмен между водой и воздухом обладают универсальными возможностями. Во-перши, они позвол ют проводить комплексные эксперименты по углубленному изучению физических механизмов влияния не только пленок нефти, но и любых ПАВ на ¿ыаеукаэанные процессы, а во-вторых, ряд измерительных систем и методов может самостоятельно использоваться для изу^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 плiíшГГ~кtп^ициeшíffllJg^l¿ф^^и водяных паров в нефти или нефтепродукте и динамической скоростькГвётраТ"

Выявленная зависимость скорости газообмена только от поверхностного давления пленок толщиной менее I мкм позволяет, во-первых, упростить процедуру оценки влияния тонких НП на газообмен, учитывая лишь один параметр - поверхностное давление пленки, а во-вторых, распространить эту оценку на любые, в том числе и растворимые ПАВ, поскольку на физический механизм уменьшения скорости газообмена не оказывает влияния конкретный вид загрязняющего вещества. Полученные результаты к:огут быть использованы для усовершенствования 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 наблюдение, не должен ограничиваться только нефтью или продуктами ее перегонки. .

Физический механизм влияния на формирование термического рекима 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-иоздух

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 й 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 0.74.11 "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 НЛ и ее зависимости от времени, толщины пленки, скорости, ветра и соотношения в нефти легхих и тяжелых фракций;

- неизвестные ранее данные о зависимости скорости газообмена от толцины и поверхностного даьпения ¡'Л и их физическая интерпретация;

- данные комплексного лабораторного и натурно!о экспериментов по выявлению физического .механика

термической структуры вязкого подслоя воды под влиянием нефтяных пленок на водной пог-ерхности.

Апробация ра"5от1пт-пу6ликащил_0сновнцо положения и результаты работы докладывались: на У, У1 и УП Межведомственных семинарах "Влияние загрязнений природной среды на климат Земли" (Обнинск, 19оЬ, 19о6, 1968); на Всесоюзных симпозиумах: "Методология прогнозирования загрязнения океанов и морей" (Севастополь, 1966), "Проблем1, турбулентных течений" 0' 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, i960).

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность работы, сфор-

мулчрованы основные цели исследования и изложена структура диссертации.

. В первой главе дан анализ существующих экспериментальных методов исследования процессов тепло- и массообмена между водной и воздушной средами, на основании которого сформулированы технические требования к лабораторному оборудование для физического моделирования тепло- и массопереноса через границу раздела вода-воздух. Приводится описание лабораторной установки для проведения экспериментов по изучению влияния нефтяных пленок на тепло- и массообмен между водой и воздухом. Лабораторная установка сконструировала ?аким образом, чтобы обменные процессы, г.роходящие в ней, были максимально подобны аналогичным процессам, наблюдаемым в натурных условиях.

Установка представляет собой бассейн из оргстекла

объемом 70x70x60 см , над верхней частью которого смонтиро-

2

ван воздуховод прямоугольного сучения 33,5x10 см и общей длиной 100 см, образующий с I .шерхностыо воды водно-воздушный туннель. Система построена так, чтобы избежать скопления пленки в конце туннеля при сгоне ее воздушным потоком и обеспечить непрерывную ее циркуляцию на поверхности воды. Такое решение позволяет более тщательно и корректно изучить влияние НП на тепло- и массообмен между водой и воздухом.

Установка обеспечивает регулируемое ветровое воздействие на загрязненную водную поверхность до скоростей воздушного потока над водой 6+7 м/с. Температура воды и воздуха в водно-ветровоы канапе установки задается в широких пределах и стабилизируется на заданном уровне.

В состав измерительного оборудования лабораторной установки входят приборы для измерения температуры воды

уха, толщины неф-

и чистой воды по методу Вильгельми. Кроме того используется метод непосредственного измерения поверхностного давления пленок с помощью набора калиброванных ПАВ. Для равномерного покрытия водной поверхности пленкой нефти разработана специальная методика предварительной очистки поверхности воды от следов посторонних ПАВ и выветривания легких фракций нефти.

Определение скорости испарения осуществляется с помощью уровнемера поплавкового типа, содержащего измерительный микроскоп для контроля перепада уровней воды в лабораторном бассейне после ее Испарения за определенный промежуток времени.

Для исслевования влияния НЛ на газообмен установка оборудована прибором для измерения концентрации растворенного в воде кислорода ( ПЕЫОМЦЯХ № 5221, ШР). Кроме того, для изучения влияния нефтяных пленок на радиационную температуру водной поверхности используется специально разработанный ИК-радиометр, работающий в инфракрасном диапазоне спектра (о-12 мкм! с пороговой чувствительностью 0,03 °С. Измерение перепада. температур на границах вязкого подслоя воды осуществляется с помощью ИК-радиометра и специальной системы разрушения этого подслоя по методике, пригодной для использования как е лабораторных, так и натурных условиях.

[жени

Регистрация данных осуществляется как в аналоговом виде с помощью d-канального самописца ( R - 308, Япония), так и в цифровом на цифропечатагащем устройстве. Первичная обработка данных производится на микро-ЭШ.

Вторая глава посвящена исследованию влияния пленок нефти и нефтепродуктов на испарение влаги с водной поверхности. В обзорном параграфе приводятся сведения об аналогичных, предшествующих работах и полученных в них результатах. Анализ предшествующих данных по влиянию НП на испарение воды показал, что ош: сильно расходятся между собой и не позволяют однозначно оценить степень этого влияния. Причины расхождений лежат в следующем. Во-первых, часто исследовались пленки не самой нефти, а различных нефтепродуктов (масел, диэтоплива, мазута^ хотя общеизвестно, что различные типы нефтей или нефтепродуктов обладают разными диффузионными свойствами. Во-вторых, в экспериментах по изучению депрессор-ной активности пленок часто игнорировалось диффузионное сопротивление ламинарного слоя воздуха, которое при штиле или слабом обдуве.становится близким по величине к сопротивление самой пленки.

; В,предшествующих работах изучалось депрессорное, действие в основном толстых НП более 10 и даже 100 мкм. В итоге оказалось,'что у тонких НП толщиной менее 10 мкм.наиболее часто встрсчащихся в натурных условиях, остались неизученными такие свойства, как изменчивость депрессорного эффекта ""'го времени, зависимость его от композиционного состава нефти и от гетрового обдува. В связи с этт- основными задачами дтт;-? части исследований явились: изучение зависимости

депрессорных свойств НП толщиной 0,1-10 мкм от времени, от композигионного состава нефти и нефтепродуктов, от толщины —пленки_и_от_£Коррсти ветра, а также : ¡следование влияния пленок на диффузионное сопротивление TrajmtiapHom_xaoH_j!£3£yxa с целью оценить его вклад в общий депрессорный эффект НИ.

Отличительной особенностью исследований влияния НП на испарение является то, что они проводились в условиях ветрового обдува с сохранением сплошного покрыт', ■ водной поверхности пленке?. нефти. Три этом соблюдались условия, при которых обеспеч лись хорошее растекание пленки и формирование однородного ио толщине слоя.

Из ря,,а предшествующих исследований известно, что в натурных условиях в пленке нефти с момента ее формирования и до полного разрушения идут деградационные процессы: испарение летучих фракций, растворение в воде некоторой части ароматических углеводородов, фотохимическое и бактериальное окисление и другие. Исходя из этого, естественно предположить, что делрессорные свойства НП должны изменяться во времени, поскольку вследствие потерь на испарение значительной части нефти толщина пленки постепенно уменьшается. Если учесть, что диффузионное сопротивление пленки из любого материала пропорционально ее толщине, то можно прийти к выводу, что депрессорная активность 11П в момент р.чялива самая высокая и со временем может только снижаться. Эта точка зрения получила большое распространение среди ряда исследователей, хотя и существовали отдельные факты, противоречащее ей.

Экспериментальная проверка хаоактера измепчкьооти

депрессорных свойств НП во времени, выполненная в настоящей работе, показала, что указанные свойства в течение первых нескольких часов после разлива не ослабляются, а, наоборот, усиливаются. Причем это усиление обусловлено именно испарением из нефти ее легколетучих фракций. Данные ряда экспериментов показали, что толщина пленки нефти со временем уменьшается, но вместе с этим уменьшается и скорость испарения покрытой ею воды, т.е. имеет место усиление депрессорного действия пленки. Объяснить этот факт можно тем, что испарение легких фракций приводит к изменению композиционного состава оставшейся части нефти. Повышение концентрации тяжелых углеводородов в пленке, увел:">ение ее плотности и вязкости резко снижает коэффициент диффузии водяных паров в материале пленки, что и сопровождается усилением ее депрессорных свойств.

Сделанный вывод подтверждается данными серии экспериментов, в которых исследовались депрессорные свойства таких нефтепродуктов, как дизельное топливо и мазут, содержащих ь своем составе, соответственно, наименьшее и наибольшее количество тяжелых углеводородов. Полученные данные свидетельствуют о том, что коэффициенты диффузии водяных паров в дизельном топливе, нефти и мазуте отличаются друг от друга не менее, чем на порядок, составляя, соответственно, 3,4* 10"**, 3,3'10"^ и 3-10"^ м2/с, и подтверждая, таким образом, сильную зависимость депрессорных свойств НП от концентрации в нефти тяжелых фракций. В целом исследования показали, что НИ обладают довольно сильным депрессорныы свойством. Так пленки толщиной всего 0,2 мкм способны уменьшить скорость испарения в два раза, а толщиной I икм - в Ь раз по сравни-

нию с чистой водной поверхностью. При этом указанный деп-рессорный эффект НП сохраняется в лабораторных условиях не —црнея Т2-14 суток.

На основе представления о моле кул ярн о-д и фф у з и иНН о м ив-— ханизме переноса влаги через двухслойную структуру: пленка -ламинарный слой воздуха, а также учитывал эмпирическую связь потопа влаги с динамической скоростью ветра, получено расчетное соотношение для оценки депрессорно эффекта 11Л в зависимости от коэффициента диффузии водяных паров в материале плои от ее толщины и динамической скорости ветра

*

Ее ы^ + кИкИ/])) '

где Е0 " Е ~ скорости испарения, соответственно, с >.:с-той и загрязненной поверхностей воды;

сА — показатель изменения динамической

скорости ветра при переходе от чистой к загрязненной водной поверхности;

/} - безразмерный эмпирический коэффициент, ра -ный 0,19 ;

и и* - динамические скорости ветра над чистой и загрязненной поверхностью воды, соответственно;

¡1 - толщина пленки;

2) - коэффициент диффузии водяных паров в материале пленки.

Экспериментальные данные показывают, что в лабораторных условиях динамическая скорость ветра над водная поверхность», покрытой НП, обычно 6оль^>, чем над чисп^л. Это обусловлено замедлением в лабораторном бассейне

фового течения водной поверхности при загрязнении ее пленкой нефти. Данное обстоятельство приводит к тому, что значения о(. оказываются меньше единицы и изменяются от 0,65 до 0,оЗ при изменении средней скорости ветра в водно-ветровом канале от 1,5 до 6 м/с, соответственно. В природных условиях при развитом ветровом волнении загрязнение поверхности роды нафтыо или ПАВ по наблюдениям многих исследователей приводит к уменьшению I, а значения , соответст-

венно, будут больше единицы.

Выведенное соотношение позволяет оценивать депрессорный эффект, пленок нефти или нефтепродуктов как в лабораторных так и натурных условиях, есл;. предварительно определены все параметры, стоящие в правой ча^ти равенства ( I

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния тонких НП (от 0,0025 до 10 мкм) на газообмен между водой и возДухом, обсуждаются различные физические механизмы этого вл1..-:ния, приводятся аргументы ъ пользу физического ме^ани: ла, наиболее точно раскрывающего суть наблюдаемых .явлений. Все эксперименты проводились в режиме инвазии кислорода в водный обьем, из которого он предварительно удалялся.

Установлено, что даже очень тонкие НП толщиной примерно 0,02 мкм способны уменьшить скорость газообмена примерно в 2 раза, ¿изическая причина дшшого эффекта заключается в подавлении пленками микроконвекции вблизи водной . поверхности, в утолщении вязкого подслоя воды, где транспорт газов определяется, главным образом, молекулярной диффузией и, следовательно, в увеличении диффузионного сопротивления этого подслоя потоку молекул газа. Экспе-

риментальные данные, представленные в работе, показывают, что в диапазоне толщин НП от 0,0025 до I мкм основным

ЯВЛЯвТСЯ ПОВврХН« ч» л 1Ы1ипп>1 • I ши V. ди

фузионное сопротивление НП начинает сказываться на уменьшении скорости газообмена лишь при толщинах пленки £3-10 мкм и более. Полученные данные свидетельствует также о том, что конкретный материал, из которого состоит пленка ПАВ не имеет существенного значения при ее толщинах до I мкм. Эксперименты по газообмену, проведенные с другими веществами, например, с олеиновой кислотг-Ч и ПАВ естественного происхождения, подтверждают сделанное заключение.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния Ш1 на формирование термического режима вблизи водной поверхности и выявлению физического механизма этого влияния. Методической особенностью проводимых экспериментов является их комплексный характер, реализованный путем наблюдения одновременно за двумя трассерами: потоком тепла и потоком молекул 0£, пересекающими границу раздела вода-воздух, а также за перепадом температуры на гршгачах вязкого подслоя води. Величины теплового и газового по-оков регулировались одновременно путем нанесения на водную поверхность пленок нефти разной то.^цины. Эксперименты проводились в условиях нейтральной стратификации, в связи с чем суммарный тепловой поток ^ из воды в воздух определялся только скоростью испарения воды £ . Толщина вязкого подслоя воды Л 2. определялась по данным о скорости газообмена К

вязкого подслоя А Т измерялась непосредственно с помоць-о

фтаичееким-л арам

Разность температур на границах

ИК-радиометра по специально разработанной методике.

Результаты комплексного эксперимента позволили уточнить физический механизм влияния НП на дТ. Полученные данные показали, что когда поток тепла £ = Соп${ вместе с ростом толщины НП в диапазоне 0,0025 - 0,01 мкм растет и Д2 . вызывая пропорциональный рост Л Т .В частности при изменении толщины НП от 0 до 0,015 мкм но наблюдается изменения скорости испарения, т.е. ^ я соЛ${ Однако скорость газообмена К в этих условиях уменьшается в два раза, а А~Г увеличивается в два раза. Оба этих факта независимо друг от друга указывают на двукратное увеличение эффективной толщины вязкого подслоя воды Д 71 . В конечном итоге это свидетельствует о том, что известная зависимость разности температур на границах слоя с молекулярной теплопроводностью от его толщины и от величины теплового потока через этот слой сохраняется и в условиях загрязнения водной поверхности пленками нефти, Дополнительными фактами, подтверждающими сделанный вывод являются зависимости /( , £ и А Т от толщины !1П в диапазоне изменения последней от 0,05 до I мкм. В этом диапазоне /С , а следовательно и , остаются постоянными. В то же время за счет подавления испарения уменьшается тепловой поток ^ , и вместе с ним аналогичным образом умоньаается 4 Т .

Немаловажное значение имеет экспериментальное под-тверчц^'ние выявленных в лаборатории закономерностей влияния Нп на формирование термической структуры вблизи вод-1к п п.м-ерхности для натурных условий. Эксперимент, прс-к'/.сннк!- в прибре«ных водах Черного моря, покапали, что

и в этом случае влияние пленок загрязняющих веществ на лТ носит аналогичный характер несмотря на сложный спектр волнения, соленость, различные режигл температурной стра-

даннып подтвер«-_

дают адекватность процессов, наблюдаемых в лаборатории, процессам, происходящим в естественных условиях.

Большой интерес представляет оценка возможного повышения температуры поверхности океана, покр: того нефтяной пленкой. Физический механизм такого повышения заключается в нарушение '-зплового баланса на границе раздела вода-воздух, обусловленном уменьшением теплового потока из воды в воздух за счет подавления испарения воды пленкой нефти. В конце данной главы приводится пример расчета перегрева водной поверхности Северной Атлантики, покрытой НП в зоне 40° с.ш. в январе, по сравнению с чистой водой. В качестве исходных данных принято, что НП подавляет испарение в два раза, т.е. соответственно, тепловой поток, обусловленный испарением, уменьшается в два раза. Кроме того для расчетов использованы справочные данные о температуре и влажности приводного слоя воздуха в указанной зоне для января. Результаты расчетов показали, что в данных условиях температура водной поверхности, загрязненной НП, уменьшающей испарение в 2 раза, должна возрасти по сравнению с чистой ведой примерно на 2 °С.

В Заключении »формулированы основные результаты и

выводы работы.

I. Разработано лабораторное оборудование, позволяюсь проводить комплексные экспериментальные исследования про-

цессов тепло- и массопереноса череь водно-воздушную границу в условиях загрязнения водной поверхности пленками нефти. Разработаны методы контроля испарения, скорости газообмена и перепада температуры в вязком подслое воды, а . также методы равномерного нонесения НП на водную поверхность, контроля ее толщины и поверхностного давления пленки.

2. В процессе - исследования депрессорных свойств НП получены следующие результаты:

- депрессорная активность свеженалитых НП из-за испарения легких фракций нефти в течение первых нескольких часов усиливается;

- депрессорный эффект НП зависит от композиционного состава нефти (чем выше концентрац^1 тяжелых фракций в нефти, тем выше еэ депрессорная активность) и сохраняется в течение 12-14 суток;

- нефтяные пленки с выветрившимися легкими фракциями обладают сильным депроссорным действием. Установлено, что НП толщиной 0,2 мкм способны уменьшить скорость испарения

примерно в 2 раза.

3. Предложено соотношение для оценки депрессорного эффекта НП в зависимости от толщины пленки, динамической скорости ветра и коэффициента диффузии воды в нефти, полученное на основе экспериментальных данных и молекулярно-диффузион-ного механизма переноса влаги через двухслойную структуру водно-воздуиноИ границы (пленка- ламинарный слой воздуха).

4. На примере инвазии кислорода в водный объем впервые исследована зависимость относительной скорости газообмо-

на от поверхностного давления и толщины НП в пределах от 0,0025 до 10 мкы и установлены следующие эксперимен-таШШ0-факты5-------

- НП малых толщин (до 0,1 мкм), несмотря на исчезапцб~ малое собственное диффузионное сопротивление по сравнению

с сопротивлением вязкого подслоя воды, способны вызвать уменьшение скорости газообмена на 50-70 %;

- установлено, что в диапазоне толщин НП от 0,0025 до I мкм основным физическим параметром, регулирующим скорость газообмена является поверхностное давление пленки;

- собственное диффузионное сопротивление НП в уменьшении скорости газообмена начинает сказываться при толщинах пленки от 5-10 мкм и более;

- физический механизм уменьшения скорости газообмена пленками нефти толщиной'до I мкм заключается в ослаблении микроконвекции вблизи водной поверхности силами поверхностного давления пленок. Ь результате этого увеличивается эффективная толщина молекулярно-дкффузионного слоя воды и, следовательно, диффузионное сопротивление этого слоя потоку молекул газа. Проверка данного вывода на монослоях других веществ (олеиновой кислоте и ПАВ естественного происхождения) подтвердила его справедливость.

5. Проведен комплексный эксперимент, в котором в качестве трассеров, пересекаадих границу раздела вода-воздух, использовались одновременно поток тепла и поток кислорода. Полученные данные позволили уточнить физический механизм воздействия НП на перепад температуры в вязком подслое воды. 3 частности установлено, что абсолютное значение разности

температур А Т на верхней и нижней границах вязкого подслоя воды в зависимости от толщины НП и скорости ветрового обдува может изменяться от 0 до 1,5-2 °С и превышать в максимуме примерно в 2 раза аналогичное значение А Т0 для чистой водной поверхности при одинаковых условиях. Физическими причинами такого поведения А Т являются изменения толщины вязкого подслоя и теплового потока через него, регулируемые в свою очередь, соответственно, поверхностным давлением пленки и ее диффузионным сопротивлением испаронию.

6. Результаты натурного эксперимента, проведенного в прибрежных водах Черного моря, подтвердили адекватность процессов, моделируемых в лаборатории, тем, которые наб-лсдаются в естественных условиях. Наблюдения показали, что с в натурных условиях (соленая вода, сложный спектр волнения, различные режимы температурной стратификации приводного ело; воздуха и др.)"увеличение поверхностного давления пленок ПАВ приводит к увеличению толщины вязкого подслоя воды, что при постоянном тепловом потоке вызывает пропорциональное увеличение А Т • В частности, увеличение поверхностного давления пленок, наблюдаемых в натурных условиях, до 3-4-10"^ Н/м .приводит к увеличению А Т до 0,5-0,6 °С, что примерно в Г,Ь раза превышает ДТС для чистой водной поверхности и хорошо согласуется с лабораторными данными.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. Чекрьиов В.1.1., Сныков В.П, Лабораторная установка для исследования процессов энергообмена мезду атмосф^ой

и загрязненной водной поверхностью // Труды ин-та / Ин-т экспериментальной метеорологии. - 19о5. - Вып. 9 (124). - С. 36-40. Ц-.—Hftf^np-P. Р, , Кол^"»ев М.П., Чекрыжов В.М. Лабораторные исследования влияния н&^тяной пленки на испарение в условиях ветрового обдува // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - I9U5. - Т. 22, )? 5. - С. 553-555.

3. Электропривод постоянного тока: A.c. I3006I7 СССР, MICH4 Ч 02 Р5/06 / В.М.Чекрыжов (СССР). - Зс.: ил.

4. Ивано.1. ..В., Коломеев М.П., Чекрыжов В.М. Лабораторные исследования влияния нефтяных загрязнений на испарение и кислородный обмен !.:езду атмосферой и водной поверхностью // Химия и биология морей / Под ред. А.И.Симоь.-'ва.

- М.: Гидрометеоиздат, 19о7. - С. 124-13о,

5. Синхронный детектор: A.c. 1<1292а7 СССР, МКИ4 Н 03 Д1/22 / В.М.Чекрыжов (СССР). -4с.: ил.

6. Иванов В.В., Коломеев М.П., Чекрыжов В.М. Влияние тонких нефтяных пленок на радиационную температуру и сопротив • ление газообмену водной поверхности // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 19и9. - Т. 24, )? 2.

- С. 202-2С6.

7. Пианов В.В., Чекрыжов В.М. Лабораторные исследования влияния тонких пленок нефтепродуктов на процессы ¿лаго- и газопереноса через водную поверхность // Водные ресурсы. - 1990. - J? 5. - С. 17о-179.

о. Иьанов В.В., Чекрыжов В.М. О влиянии пленок загрязняющих веществ на газообмен через водную поверхность // -ды ин-т а / Ин-т экспериментальной митеоролигии. - 10 Л.

- Выл. LO (141). - С. o3-<yj.

9. Чекрыжов В.М. Экспериментальное исследование механизмов воздействия пленок нефти на газообмен между морем и атмосферой. // Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды / Под ред. Ф.Я.Ровинского. - Л.: Гвдро-метеоиздат, 1990. - Вып. 6. - С. 127-135.

НПО*