< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Гидросфера — атмосфера (гоt Г—А)

В данном разделе рассматриваются вопросы физического переноса загрязняющих веществ из гидросферы в атмосферу.

При наблюдении за физическими процессами происходящими в морской среде может показаться, что волны и прибой просто выбрасывают морскую воду в атмосферу, благодаря чему образуется морской аэрозоль, содержащий ионы. Согласно [6] содержание солей в воздухе над морем остается почти неизменным при силе ветра (по Бофорту) от 0 до 3 баллов. При силе ветра в 3 балла, когда на море появляются белые барашки, содержание солей в воздухе резко возрастает и достигает максимума при силе ветра около 6 баллов.

Формирование морских аэрозолей происходит также под воздействием более слабо выраженных процессов. Например воздушные пузырьки, лопающиеся на поверхности открытого моря, влияют на содержание ЗВ в атмосфере значительно сильнее, чем эффектные, но сравнительно редкие и локализованные штормовые явления. Рассмотрим механику возникновения и переноса воздушных пузырьков в море. Некоторые пузырьки образуются при захвате воздуха волнами, однако в "нормальных" условиях большая часть пузырьков возникает при увеличении микропузырьков газа, существовавших в столбе воды ранее. Наличие таких зародышевых пузырьков необходимо, поскольку в противном случае для их образования потребовались бы чрезвычайно высокие парциальные давления газов, возможные только при максимальном перенасыщении ими воды, тогда как содержание газов в морской воде во много раз ниже. Предположение о присутствии микроскопических пузырьков в толще воды не дает ответа на вопрос об их происхождении. Считается, что микропузырьки образуются путем сорбции газов на поверхности взвесей или при биологических процессах, например при фотосинтезе и дыхании морских организмов. Рамсей предлагает следующее выражение для избыточной концентрации кислорода, углекислого газа, необходимых для формирования воздушных пузырьков

где — величина насыщения кислородом для сухого воздуха нормального состава при данной температуре; Л — глубина, фут;

Рно0 — парциальное давление водяного пара.

Зависимость (3) показывает, что для образования воздушного пузырька на глубине более 5 футов требуется исключительное перенасыщение 02 — более 150% при 20° С. Однако движение воды может, как в турбине, создавать локальное уменьшение давления и вызывать образование пузырьков даже на больших глубинах. Таким образом процессы образование пузырьков в морях могут быть связаны с кавитационными явлениями в толще воды.

Образовавшийся воздушный пузырек поднимается к поверхности с возрастающей скоростью, поскольку его объем увеличивается. Это происходит не только благодаря расширению газа при уменьшении гидростатического давления, но и благодаря более интенсивной диффузии газа в пузырек по мере увеличения площади его поверхности. Явление разрыва пузырьков на поверхности моря исследовано довольно подробно. Так когда пузырек лопается, это сопровождается целой серией явлений, следующих одно за другим с большой скоростью и схематично представленных на рисунке 5. При разрыве пузырька с поверхности моря в атмосферу выбрасываются капли двух видов: мелкие, представляющие остатки поверхностной пленки пузырька, контактировавшей с атмосферой, и более крупные "реактивные", вылетающие со дна пузырька. Реактивные капли, обладающие большой массой, вскоре падают обратно, в то время как значительно меньшие по размерам пленочные капли подхватываются ветром и являются основным материалом переноса. Одновременно пленочные капли определяются материалом из которого формируются морские аэрозоли.

В частности рассматривая состав выбросов из водной поверхности в воздух необходимо отметить следующие параметры среды, которые приведены на рисунке 5:

Схема процесса лопания воздушного пузырька на водной по¬верхности

Рисунок 5. — Схема процесса лопания воздушного пузырька на водной поверхности

1 — верхняя "реактивная" капля, диаметром 100 мк; 2 — пленочная шапка, толщиной 2 мк; 3 — пленочные капли и загрязняющие вещества в них; 4 — поверхность.

Верхняя "реактивная" капля (поз.1) имеет — объем 0,5 нанолитра, на поверхности 3*1011 молекул воды, 200 положительных зарядов, несет 30 нанограммов соли и загрязняющих веществ и имеет 0,5 эрг кинетической энергии;

Пленочная шапка (поз.2) имеет — 4000 мономолекулярных слоев, радиус шапки 0,5 радиуса пузырька, площадь 3*104 мк2, или 3*1012 молекул воды на поверхности;

Пленочные капли и загрязняющие вещества в них (поз.3) имеют — размер 20 мк в диаметре, поднимаются над поверхностью воды на высоту до 1 км;

Поверхность (поз.4) имеет — площадь 3 мм , 3.10 молекул воды, 2 эрга поверхностной энергии.

Капли жидкости образуются над водной поверхностью в результате разрыва выходящих из толщи воды пузырьков. В состав капель входят загрязняющие вещества. В зависимости от вида капель и диаметра образующихся в толще воды пузырьков высота подъема капель различна. Высота подъема влияет на характер загрязнения атмосферы над поверхностью водных объектов и морей, а также на процессы обмена и движения загрязняющих веществ между соседними сферами окружающей среды региона: атмосферой - литосферой и атмосферой - гидросферой.

На Рисунке 6 показана зависимость между высотой подъема реактивных капель и диаметром пузырьков для различных положений капли в выбросе на водной поверхности, температуры воды и типа водной среды. В таблице 2 прилагаемой к рисунку даны пояснения по указанным параметрам. Касаясь качественной картины образования капель на водной поверхности и подъема их над поверхностью необходимо отметить, что для пузырьков диаметром менее 2 мм высота подъема увеличивается с температурой, а для более крупных пузырьков уменьшается.

Высота подъема реактивной капли в зависимости от диаметра пузырька

Рисунок 6. — Высота подъема реактивной капли в зависимости от диаметра пузырька

Таблица 2Пояснение к Рисунку 6 в части зависимости высоты подъема капли воды с загрязняющим веществом от диаметра пузырька

Пояснение к Рисунку 6 в части зависимости высоты подъ¬ема капли воды с загрязняющим веществом от диаметра пузырька

Перенос загрязняющих веществ с водной поверхности в атмосферу зависит от размера (диаметра) лопающегося пузырька и размера (радиуса) образующейся капли, содержащей загрязняющие вещества и соли. На Рисунке 7 представлена зависимость полученная в ходе проведения натурного эксперимента по измерению содержания соли и других загрязняющих веществ в каплях, выбрасываемых в воздух при разрушении воздушных пузырьков на поверхности моря. Приведенная зависимость характеризует связь между размером пузырька, размером капли, количеством загрязняющих веществ выбрасываемых в воздух и соленостью. Анализируя приведенную на рисунке 7 зависимость необходимо отметить, что количество загрязняющих веществ и солей, выбрасываемых на поверхности моря растет с ростом размеров пузырька и капли. Общее количество солей и загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу в результате разрыва воздушных пузырьков, весьма значительно и составляет от 10 12 до 10 6 грамм с м2 в сутки. С учетом площади Мирового океана и поверхности водных объектов Земли выбросы в атмосферу ЗВ достигают миллионов тонн в год и вносят значительный вклад в общее загрязнение ее атмосферы.

Размер и содержание соли и других загрязняющих веществ в кап¬лях, выбрасываемых в воздух при разрушении воздушных пузырьков на по¬верхности моря

Рисунок 7 — Размер и содержание соли и других загрязняющих веществ в каплях, выбрасываемых в воздух при разрушении воздушных пузырьков на поверхности моря

1 — верхняя капля; 2 — вторая капля; 3 — третья капля; 4 — четвертая капля

Рассмотрим количественную зависимость образования морских реактивных капель, выпадения морской соли и загрязняющих веществ от скорости ветра. На рисунке 8 представлена данная зависимость. График показывает практически линейную связь роста выпадения загрязняющих веществ и соли с ростом скорости ветра.

Образование капель, выпадение морской соли и ЗВ в зависимости от скорости ветра

Рисунок 8 - Образование капель, выпадение морской соли и ЗВ в зависимости от скорости ветра

Согласно [6] одним из существенных факторов появления аэрозолей в воздухе является промышленное загрязнение. Значительная роль в процессе ионного фракционирования на поверхности моря может принадлежать органическому веществу, сбрасываемому в больших количествах с канализационных очистных сооружений населенных мест и концентрирующемуся в поверхностных пленках. На практике предполагается механизм разделения, согласно которому более тяжелые ионы дольше остаются в поверхностной пленке пузырьков чем легкие. Интенсивность выталкивания ионов и, следовательно, соотношение их концентраций в аэрозолях, в свою очередь, зависят от их способности к нарушению структуры воды у поверхности раздела

Рассмотрим процесс концентрации органического вещества на воздушных пузырьках. Растворенные в результате антропогенного сброса в морской воде органические вещества сорбируются на поверхности пузырьков в количествах, достаточных для образования коллоидных мицелл, а при лопании пузырьков — даже взвешенных органических частиц, которые могут явиться важным звеном пищевой цепи в океане. Для этих частиц характерно повышенное содержание фосфора и при их образовании из пузырьков одновременно происходит извлечение фосфатов из морской воды.

Из различных видов энергии, переносимой через поверхность раздела воздух — морская вода, наиболее значительна солнечная энергия. Вода переносится через эту границу в процессе испарения и выпадения атмосферных осадков. Скорость обмена газами через границу раздела морская вода — воздух определяется (в идеальных условиях) диффузией через пограничный слой жидкости. Скорость обмена в обоих направлениях в значительной мере зависит от наличия движения в системе и от таких параметров, как скорость ветра и состояние моря. Состав загрязняющих веществ над морем может значительно отличаться от состава исходной морской воды благодаря процессам фракционирования ионов на границе раздела, сопровождающих разрыв мелких воздушных пузырьков на поверхности моря.

Согласно [7] скорость обмена загрязняющими веществами через границу раздела "вода-атмосфера" в основном определяется турбулентной диффузией этих веществ через пограничный слой жидкости (поверхностный микрослой - ПМС). Известно, что ЗВ могут выноситься из морской воды с пеной, брызгами и образованными в них аэрозолями, а также за счет испарения. Относительная интенсивность перехода ЗВ из моря в атмосферу характеризуется частным от деления весовых концентраций ЗВ содержащихся в воздухе на концентрацию ЗВ в ПМС и называется коэффициентом переноса ). Как показали натурные наблюдения, ПМС является аккумулятором ЗВ, растворенных или взвешенных в морской воде и играет решающую роль в обмене ЗВ на границе раздела "вода-атмосфера". Так как в переносе ЗВ из водного слоя в ПМС значительную роль играет турбулентная диффузия, то при вычислении константы скорости переноса ЗВ в атмосферу необходимо учитывать порядок коэффициента турбулентной диффузии.

Скорость переноса ЗВ из ПМС в атмосферу может быть описана следующим уравнением [7]

где т — масса ЗВ в поверхностном слое воды с глубиной к =1 м, в тоннах;

т пмс — масса ЗВ в поверхностном микрослое с глубиной к = 3x10 ~4 м , в тоннах;

тео.зд — масса ЗВ в приводном слое воздуха с И = 1м , в тоннах; — коэффициент турбулентной диффузии равный К4 — коэффициент скорости переноса ЗВ в атмосферу;

о 2

о — площадь моря, м .

Так как величина т гмс неизвестна то первом приближении при-т

мем, что соотношение- аппроксимируется зависимостью

т

"1пмс

Величина е, находится эмпирически и составляет например для нефтепродуктов - 0,05;

А величина твозд связана с т пмс соотношением

К примеру эмпирическая величина ОС составляет для нефтепродуктов - 0,002.

Заменив в уравнении (4) величины т гмс и твозд, выраженные че-тт

рез — и ОС — , соответственно получим в в

или

Значение К4 получим по формуле

Зная массу ЗВ в поверхностном слое моря как т — И х ^ х с можно рассчитать массу ЗВ, ушедших в атмосферу с поверхности моря за определенный период времени по рабочей формуле

и подставляя K4 в общую формулу расчета, учтем эту расходную составляющую.

где е — коэффициент переноса ЗВ в ПМС;

а — коэффициент переноса ЗВ из ПМС в атмосферу;

S — расчетная площадь поверхности моря, м2;

с — средняя концентрация ЗВ в поверхностном слое воды, мг/л;

h — глубина отбора поверхностных проб воды, м;

DT — коэффициент турбулентной диффузии равный 1(Г м2/ с ;

K4 — коэффициент скорости переноса ЗВ в атмосферу, м 2;

AT — расчетный интервал времени.

Таким образом с помощью практической зависимости (5) можно определить массу ЗВ переходящую из гидросферы в атмосферу за определенный промежуток времени.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >