Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние нефтяных загрязнений на оптические характеристики подстшшощей поверхности 11
1.1. Спектру поглощения нефтей и нефтепродуктов. 15
1.2. Влияние нефтяных загрязнений на проникновение солнечного излучения в воду 23
1.3. Воздействие нефтяных загрязнений на альбедо сненно-ледяной поверхности- 32
1.4. Влияние нефтяных загрязнений на поверхностные стаивание снекно-ледяного покрова 37
2. Воздействие нефтяных загрязнений на собственное ик излучение водной и снежно-ледяной поверхности 63
2.1. Энергетическая чувствительность ИК аппаратуры при индикации нефтяных загрязнений бб
2.2. Индикация нефтяных загрязнений в Арктическом бассейне методом ИК радиометрии 71
3. Взаимодействие нефтяных загрязнений с многолетний морским льдом 94
3.1. Миграция нефти через многолетний морской лед. 94
3.2. Влияние нефти на физико-механические характеристики морского льда 99
4. Влияние пленок нефтяного загрязнения на волнение водной поверхности 106
4.1. Экспериментальное исследование воздействия пленок нефтепродуктов на волнение водной поверхности 108
4.2. Разработка оптического метода измерения параметров ветрового волнения 117
5. Влияние нжтепролуктов на нарастание льда 133
5.1. Теплопередача через слои нефти в условиях Арктики 133
5.2. Метод защиты участков акваторий от
глубокого промерзания 142
Заключение 152
Литература 156
- Влияние нефтяных загрязнений на проникновение солнечного излучения в воду
- Влияние нефтяных загрязнений на поверхностные стаивание снекно-ледяного покрова
- Индикация нефтяных загрязнений в Арктическом бассейне методом ИК радиометрии
- Влияние нефти на физико-механические характеристики морского льда
Влияние нефтяных загрязнений на проникновение солнечного излучения в воду
Хорошо известно /49/, что проникновение солнечного излучения в толщу океанских вод является одним из самых важных аспектов оптики моря. В многочисленных работах, посвященных этой проблеме, изучалось влияние различных распределенных по глубине примесей на проникновение солнечного света в водные массы морей и океанов (см., например /50/). Роль поверхностных загрязнений в процессе переноса лучистой энергии в толщу вод изучена явно недостаточно. В настоящее время нефть и продукты ее переработки являются одними из наиболее распространенных загрязнителей. Растекаясь по поверхности воды, они образуют пленки, которые могут заметно изменить оптические свойства поверхности /38,47/. В условиях Арктики влияние пленочных нефтяных загрязнений на проникновение солнечного излучения в воду может быть более значительным по сравнению с тепловодними районами Мирового океана. Это обусловлено тем, что при низких температурах многие сорта сырых нефтей имеют большую вязкость и равновесная толщина пленок на водной поверхности будет существенно выше. Так в работе /22/ найдено, что типичные толщины нефтяных пленок на водной поверхности в ледовитых акваториях находятся в диапазоне от 0,1 до 1,0 см, а толщина пленок на нижней поверхности ледяного покрова изменяется от 0,25 до 1,3.см.
При попадании нефтяных загрязнений на поверхность снежно-ледяного покрова усиливается поверхностное стаивание. В процессе поверхностного стаивания ледяного покрова образуются снежницы с нефтяными пленками на водной поверхности, толщина которых зависит от количества нефти и от площади водного зеркала снежницы. При появлении на водной поверхности снежниц нефтяных пленок процессы поверхностного стаивания ледяного покрова будут существенно отличаться от процессов стаивания льда под чистыми снежницами (подробно эти вопросы будут рассмотрены в дальнейшем), в частности, будут во многом зависеть от интенсивности солнечной радиации, проникающей в водную массу снежницы.
Результаты измерений спектров поглощения нефтей различного происхождения и нефтепродуктов показали, что поглощате-льная способность нефтей в коротковолновой части спектра существенно выше по сравнению с водой, льдом и снегом.
Натурные исследования показали, что спектры поглощения в различных водах имеют значительную изменчивость, как по абсолютному, так и по относительному распределению. Вид спектра природных вод определяется количественным и качественным составом содержащихся в воде веществ. Основными компонентами, которые обусловливают поглощение света морской водой, являются: чистая вода, растворенные органические и неорганические вещества и пигменты фитоплантона.
Показатель ослабления чистой воды до сих пор не очень точно известен /49/, что проявляется в значительном расхождении результатов измерений разными авторами. По литературншл данным максимум прозрачности чистой воды располагается около 470 нм. С точностью +10 % минимальный показатель ослабления чистой воды равен, по-видимому, 0,02 м . Для длин воля 390 до 540 нм показатель ослабления составляет менее 0,05 м /49/. В ультрафиолетовой области показатель ослабления известен еще менее надежно. В красной и инфракрасной области по- казатель ослабления быстро растет исключительно за счет уве-личения показателя поглощения. Для длин волн,больших 580 ям, показатель ослабления чистой воды с точностью до I % равен показателю поглощения, так как эффект молекулярного рассеяния становится пренебрежимо малым по сравнению с эффектом поглощения. Для длин волн, превышающих 800 ям, показатель поглощения чистой вода превышает 2,3 м . Считается, что в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра растворенные соли не обладают заметными поглощающими свойствами, поэтому их влияние на показатель поглощения ничтожно мало /49/. В районах Мирового океана, в которых присутствует так называемое "желтое вещество" показатель поглощения в коротковолновой области спектра увеличивается. В водах, содержащих взвешенное вещество, растет показатель рассеяния. В работе /50/ найдено, что соотношение между поглощением взвесью и поглощением растворенными веществами определяет форму спектрального поглощения света морской водой. Особенно сильно изменяются показатели ослабления природных вод в коротковолновой области спектра. В красной области видимого света изменчивость показателей ослабления существенно меньше и определяется в основном оптическими свойствами чистой воды. На рис. 1.2 приведены спектральные коэффициенты ослабления одного образца нефти и четырех видов нефтепродуктов, чистой воды по /51/ и воды Рижского залива по /50/. Из представленных данных видно, что в области максимальной прозрачности воды поглощательная способность природных вод на несколько порядков по величине меньше, чем у нефтепродуктов. Для темных тяжелых сортов нефтей и мазута ослабление света по сравнению с природными водами достигает миллионов раз, а для светлых легких нефтепродуктов типа дизельного топлива - тысячи раз.
Влияние нефтяных загрязнений на поверхностные стаивание снекно-ледяного покрова
Известно /26,29/, что одним из наиболее важных факторов, определяющих режим поверхностного стаивания снежно-ледяного покрова в весенне-летний период является интенсивность солнечной радиации и альбедо, тем более это справедливо для условий Арктики, где основное количество тепла, идущего на поверхностное стаивание, поступает из атмосферы посредством лучистых потоков. Одним из наиболее очевидных последствии загрязнения снежно-ледяной поверхности нефтью и продуктами ее переработки является изменение альбедо, что наблюдалось в натурных экспериментах на однолетнем /59/ и многолетнем льду /62/. Натурные эксперименты, выполненные в центральной части Арктики, показали, что снижение альбедо снежно-ледяной поверхности нефтяными загрязнениями приводит к более ранним срокам начала поверхностного стаивания и в начальный период времени будет существенно увеличивать поверхностное стаивание.
При решении некоторых прикладных задач установлено /29, 56/, что снижение альбедо снежно-ледяной поверхности путем распыления твердых темноокрашенных веществ (угольная пыль, песок и т.п.) увеличивает поверхностное стаивание в 1,5-2,0 раза. Однако, в отличие от твердых темноокрашенных веществ, нефть и ее продукты (за исключением очень немногих сортов сырых нефтей и смолистых остатков) имеют удельный вес меньший, чем у воды. Поэтому в процессе поверхностного стаивания нефтяные загрязнения уносятся талыми водами в низины или способствуют образованию снежниц,на водной поверхности которых образуются пленки различной толщины. Таким образом, при загрязнении снежно-ледяного покрова нефтью существуют два случая. Б первом случае нефтяные загрязнения находятся непосредственно на поверхности или пропитывают толщу снежного покрова. Во втором случае - нефтяные загрязнения находятся на водной поверхности снежниц, образуя пленки, толщина которых зависит от количества нефти и площади водного зеркала. Физические процессы, происходящие при стаивании льда в этих случаях, существенно отличаются друг от друга. Характерной особенностью -поверхностного стаивания в первом случае является то, что энергия, идущая на поверхностное стаивание, поступает в основном за счет лучистых потоков. Поэтому будут справедливы формулы, полученные Ю.П.Дорониным /29/ для расчета поверхностного стаивания при искусственном изменении альбедо темно-окрашенными порошками. Оогласно работе /29/, температуру поверхности снега на льду t в весенний период можно приближенно представить формулой А - плотность снега; /ъг - градиент температуры льда у его поверхности. Б этой формуле отсчет времени ведется от момента начала таяния снега.
Для второго случая формулы, выведенные в работе /29/, применять нельзя, так как нефтяные пленки находятся на водной поверхности, а не на поверхности льда, как твердые тем-яоокрашенные порошки. Поэтому энергия, идущая на поверхностное стаивание ледяного покрова в присутствии нефтяных загрязнений на водной поверхности снежниц, будет поступать не посредством лучистых потоков, а путем конвективной теплопередачи через водную массу снежницы от нагретой нефтяной пленки к поверхности льда (по крайней мере это справедливо для нефтяных пленок толщиной более 500 мкм). В случае тонких пленок, энергия, идущая на поверхностное стаивание, поступает как посредством лучистых потоков, которые частично проходят через . пленку и водную массу, так и посредством конвективной теплопередачи через водную массу.
Экспериментальные исследования спектров поглощения сырых нефтей и нефтепродуктов, показали, что тяжелые темноокрашен-ные сорта имеют высокое значение поглощательной способности в диапазоне спектра, где сосредоточена большая часть энергии солнечного излучения, поэтому в математических расчетах нагревания пленок нефти считается, что вся солнечная радиация поглощается на поверхности нефтяной пленки. В условиях полярного дня в Арктике происходит нагревание нефтяной пленки сверху, поэтому конвекция не возникает. Ввиду ограниченности геометрических размеров снежниц и успокаивающего ейотвия пленок волнообразование затруднено и нефтяную пленку на водной поверхности можно рассматривать как однородную пластину. Поэтому для оценки воздействия нефтяных загрязнений на поверхностное стаивание ледяного покрова была исследована математическая модель, в которой нефтяная пленка, находящаяся на водной поверхности снежниц, рассматривалась как однородная неограниченная пластина. Теплообмен на обеих поверхностях пластины происходит по закону Ньютона. В исследованиях рассматривались пленки в диапазоне толщин от 500 мкм до I см. Коэффициент теплопроводности нефти в расчетах принят равным 0,125 Вт/м.К. Начальные и граничные условия для рассматриваемой задачи тлеют следующий вид
Индикация нефтяных загрязнений в Арктическом бассейне методом ИК радиометрии
В Арктическом бассейне нефтяные загрязнения могут находиться на открытой водной поверхности под ледяным покровом и во льду. В данной главе рассмотрены возможности индикации нефти на водной поверхности и под льдом методом ИК радиометрии.
Возможность индикации нефтяных загрязнений на водной поверхности, свободной от льда, показана во многих работах /32-37,76,68,11/. Результаты экспериментальных исследований показали, что радиационная температуры нефтяных пленок на воде может быть как выше, так и яте чистой водной поверхности. Величина и знак радиационного контраста могут изменяться в течение суток, зависеть от гидрометеорологических условий и толщины пленки. Многообразие причин, влияющих на величину радиационных контрастов загрязненных участков водной поверхности, существенно затрудняет интерпретацию данных ШС радиометрии и требует исследования факторов, формирующих Ж излучение загрязненной нефтью водной поверхности.
Как уже отмечалось ранее, основными механизмами, обусловливающими формирование радиационных контрастов нефти на водной поверхности, являются следующие: увеличение отражательной способности водной поверхности, покрытой нефтяной пленкой, а значит и снижение излучательной способности загрязненного участка (формирует отрицательный радиационный контраст, т.е. приводит к снижению радиационной температуры); увеличение радиационного нагрева поверхности из-за перераспределения поглощения солнечной энергии в поверхностном слое вследствие существенно большей поглощательной способности нефти для солнечного излучения по сравнению с водой (формирует положительный радиационный контраст); снижение расхода тепла на испарение с водной поверхности, так как нефтяные пленки существенно снижают скорость испарения (формирует положительный радиационный контраст). Некоторые авторы сюда еще включают испарение легко летучих компонентов из свежеразлитой нефти, что снижает ее температуру, формируя тем самым отрицательный радиационный контраст.
С точки зрения теории теплового излучения при индикации нефтяных загрязнений на водной поверхности методом ИК радиометрии можно выделить три случая. Первый случай справедлив при загрязнении водной поверхности оптически тонкими пленками. В этом случае нефтяные пленки обладают столь малым поглощением Ж излучения, что их из-лучательная способность пренебрежимо мала, поэтому такие пленки практически не излучают, а излучение водной поверхности, загрязненной такими пленками, определяется температурой приповерхностного слоя воды под ними и коэффициентом отражения системы атмосфера-пленка-вода.
Второй предельный случай характерен при.іналичии на водной поверхности толстых нефтяных пленок, когда все ИК излучение поглощается в пленке и, поэтому, формирование теплового излучения в этом случае определяется температурой и коэффициентом отражения самой пленки нефти. В третьем,промежуточном случае, ИК излучение загрязненного участка водной поверхности формируется как собственным тепловым излучением нефтяной пленки, так и частью излучения от приповерхностного слоя воды под пленкой, которое проходитсквозь пленку.
Значение коэффициента отражения оптически тонких пленок варьирует с изменением их толщины за счет возникновения интерференции. Полное исследование отражения оптического излучения от нефтяных пленок на водной поверхности выполнено в работах /47,77/. В спектральном диапазоне работы Ж радиометра "Мир" радиационный контраст тонких нефтяных пленок по данным работы /77/ имеет экстремумы коэффициента отражения при следующих значениях толщины пленки: 0,25; 1,85; 3,50; 5,35; 8,00; 9,75 и 12,5 мкм. Для очень тонких пленок (толщиной менее 0,4 мкм) яркость выше,чем у водной поверхности. У более толстых пленок яркость меньше,чем у чистой воды и абсолютное значение радиационного контраста для толщины пленки 1,85 мкм составляет 7,3 %, а для остальных точек экстремумов равно соответственно 2,0; 4,7; 3,0; 4,1 и 3,4 %. Указанные значения радиационных контрастов загрязненных участков водной поверхности вычислены в работе /77/ в предположении, что нефтяные пленки не изменяют термодинамической температуры водной поверхности.
Между тем термодинамическая температура загрязненных нефтью участков водной поверхности, как показано в работе /74/, выше, чем у чистой воды. Легко показать, что для области спектра 8-14 мкм значение скорости изменения радиационного контраста от температуры составляет приблизительно 1,4 %/К. Поэтому для того, чтобы полностью скомпенсировать уменьшение радиационного контраста за счет уменьшения излучатель-ной способности, значения избыточной температуры водной поверхности, загрязненной оптически тонкими нефтяными пленками, должна быть для указанных точек экстремумов соответственно равна 5,2; 1,4; 3,4; 2,1; 9,2 и 2,4 К. Если учесть, что нефтяные пленки в указанном диапазоне толщин не обладают замет ным температурным сопротивлением и нагревание водной поверхности происходит в основном за счет снижения интенсивности испарения, которая в Арктике невелика, то избыточная температура водной поверхности, загрязненной такими пленками, будет не превышать 1-1,5 К /74/, поэтому радиационная температура их будет иметь более низкие значения, чем чистая водная поверхность.
Влияние нефти на физико-механические характеристики морского льда
Для решения некоторых прикладных задач необходимо знать, как воздействуют нефтяные загрязнения на физико-механические характеристики морского льда. Для этой цели исследовались образцы льда, взятые с полигона, где нефть была внедрена под паковый лед. В конце августа на этом полигоне в районе выхода нефти образовались два воронкообразных углубления с диаметрами 0,3 и 0,5 м. Глубина углублений составляла 0,9 и 1,6 м. Расстояние между воронками было около I м. Вся область загрязненного льда имела овальную форму с размерами диаметров 2 и 3 м. В сентябре, как из области загрязненного льда, так и из района, расположенного в 30 м от места выхода нефти, при помощи кольцевого бура были извлечены колонки загрязненного и чистого льда. Колонки загрязненного льда отличались от образцов чистого льда наличием большого числа крупных каналов неправильной формы, которые пронизывали толщу льда. На продольных срезах колонок загрязненного льда каналы имели ветве-образный вид и образовались, вероятно, при движении нефти сквозь лед, на что указывало наличие в тупиковой части несквозных каналов остатков нефти шарообразной формы с размерами до 2-3 см в диаметре. Колонки, извлеченные в непосредственной близости от воронкообразных углублений, имели плот-ность менее 0,5 г/см и отличались настолько малой механической прочностью, что из них было невозможно изготовить образцы для исследования механических характеристик льда.
Из колонок загрязненного льда, извлеченного приблизительно в одном метре от воронкообразных углублений, было изготовлено 10 образцов с горизонтальными срезами, по которым получено статистическое распределение каналов по величине их диаметров. В табл. 3.2 приведены осредненные данные по распределению каналов по величине их диаметров для чистого и загрязненного нефтью льда.
Видно, что нефть, мигрирующая сквозь толщу льда к его поверхности, оставляет после себя каналы с крупным поперечным сечением, вследствие чего существенно повышается пористость льда.
Эксперименты по исследованию механических характеристик чистого и загрязненного льда проводились на приборе одноосного сжатия ИШ-10. Испытанию подвергались призматические образцы с отношением стороны квадратного основания " " к высоте " " = 1:2,6, где = 4 см. Образцы вырезались так, что высота была либо перпендикулярна поверхности ледяного покрова (і.), либо параллельна ей (Н ). Образцы льда имели соленость 0,3-0,6 % и испытывались в диапазоне температур от -3,0 до -15,5 С. Каждое испытание проводилось следующим способом: образец сдавливался с заданной скоростью до момента достижения им предела прочности (до предела текучести -в пластической и переходной стадии разрушения и до предела упругости - в упругой стадии разрушения), затем электропривод ИШ-10 отключался и возникшее в образце напряжения ре-лаксировали. Весь процесс деформирования образца и релаксации возникшего в нем напряжения регистрировался самописцем в ко-ордина тах " деформация-яа гру зка".
В результате каждого испытания измерялись две механические характеристики льда: предел прочности при одноосном сжатии ifp) и постоянная времени релаксации (tp). Концентрация нефти в образцах определялась весовым способом (вес нефти, находящейся в образце, делился на вес образца).
Зависимость предела прочности и времени релаксации от скорости деформирования для образцов чистого и загрязненного нефтью льда по виду не отличались. Зависимости Gpj-ffiL) для того и другого льда имели ярко выраженные максимумы та)1, которые наблюдались при одних и тех же критических скоростях деформирования ІЛцр в момент перехода от пластической стадии разрушения к хрупкой. В хрупкой стадии разрушения предел прочности становился равным (0,5-0,7) . Зависимости Cj, =f(u) ярко выраженных максимумов не имели. Однако во всех случаях загрязненный лед имел другие значения предела прочности. Значение предела прочности загрязненного льда было меньше, чем у чистого льда. На рис. 3.1 видно, что значение предела прочности зависит прежде всего от пористости льда. Заметного влияния концентрации нефти, которая изменялась от 7,5 КГ4 до 2,7»10 , на значение предела прочности образ Зависимость предела прочности образцов льда Г-2 при одноосном сжатии от скорости деформировании обнаружено не было. С понижением температуры степень "ослабления" загрязненного льда возрастала и при температуре -14,0 4 -15,0 С предел прочности образцов загрязненного льда уменьшался до 3-5 раз, в то время как при температуре -7,0 С "ослабление" составляло 30-40 %. На рис. 3.2 приведены зависимости t j-fuj и tpn-j-(v) для образцов чистого и загрязненного льда при температуре -14,0 - -15,0 С. Характер хода этих зависимостей одинаковый, только загрязненный лед имеет меньшие значения постоянной времени релаксации напряжений. Причем tf tpx во всем указанном диапазоне температур, которая тоже влияет на постоянную времени релаксации напряжений, с понижением температуры tp уменьшается. Плотность (пористость) также оказывает влияние на tp - с уменьшением плотности (увеличением пористости) постоянная времени релаксации напряжений уменьшается.
Концентрация нефти на tp , так же как и на Ср , заметного влияния не оказывала. Анализ экспериментальных данных показывает, что миграция нефти сквозь толщу многолетнего морского льда приводит к заметному увеличению его пористости и уменьшению его прочности, уменьшение предела прочности образцов загрязненного льда обусловлено главным образом увеличением его пористости, а не концентрацией нефти; степень "ослабления"загрязненного морского льда растет с понижением температуры;
