Воздействие нефтепродуктов на снежно-ледяной покров Арктики
Нефтепродукты, распространившиеся на больших акваториях водных бассейнов, способны изменить влаго-, газо- и энергообмен между океаном и атмосферой. Причем в морях тропических и средних широт влияние нефтяных загрязнений следует ожидать в меньших масштабах, чем в полярных районах, так как термический и биологический факторы в низких широтах способствуют более интенсивному процессу самоочищения. Эти факторы являются определяющими и в кинетике распада химических веществ. Региональные особенности ветрового режима также обусловливают изменение количественного и качественного состава нефтяных пленок, поскольку ветер способствует выветриванию и испарению легких фракций нефтепродуктов. Кроме того, ветер выступает как механический фактор разрушения пленочного загрязнения. С другой стороны, влияние нефтяных загрязнений на физические и химические характеристики подстилающей поверхности в разных географических зонах тоже не будет однозначным. Например, в Арктике нефтяные загрязнения изменяют отражательные радиационные свойства снега и льда. Уменьшение значения альбедо и отклонение от нормы процессов таяния ледников и дрейфующих льдов чревато климатическим последствиями. Изменение отражательных, обменных и прочностных характеристик льда в случаях аномальных или аварийных поступлений нефтяных загрязнений несомненно скажется на процессах разрушения ледяного покрова. Это актуальная проблема, к инженерному решению которой нужно быть всегда готовым. Ледяной покров, с одной стороны, представляет препятствие для караванов судов и ледоколов. С другой стороны, лед используется как платформа для создания зимних аэродромов и “зимников” (зимних автодорог на льду) при производстве геологических, гидрографических и других изысканий. Уникальный цикл исследований по взаимодействию нефтепродуктов со снежно-ледяным покровом выполнен канадскими учеными в море Босфорта. Результаты работ охватывают следующие вопросы: пространственное распределение нефти, выпущенной под припайным льдом; роль адвективных течений в переносе нефти под нижней кромкой льда; эффекты рельефа нижней кромки льда в переносе и накоплении нефти в осенних и однолетних льдах; факторы, определяющие миграцию нефти во льду при разных степенях разрушения; механизм перемещения сырой нефти к поверхности ледяного покрова; эффекты нефти во льду и ее влияние на тепловое состояние и энергетический баланс; важнейшие физические и химические свойства нефти, воды и льда при различных процессах; скорости количественных и качественных изменений нефти внутри, вне и подо льдом. Тем не менее результаты канадских работ 1974—1975 гг. далеко не полностью дали ответы на интересующие нас вопросы. Эксперименты проводились с использованием только сырой нефти, а в арктических водах, и льдах присутствуют углеводороды широко применяемых и транспортируемых производных сырой нефти — дизтоплива, бензина и машинных масел. Эксперименты выполнялись в основном в припайном льду, структура, текстура и тепловые поля которого существенно отличаются от дрейфующих льдов, т. е. взаимодействие нефти со льдом изучалось только в одной из многих ситуаций. Нет сомнений, что, например, процесс вертикальной миграции нефтепродуктов зависит от того, сколько солевых ячеек, пор и ниш содержится во льду, каков градиент температуры во льдах разной толщины и какой вид нефтепродукта (удельный вес, вязкость) находится в ледяном поле. Следовательно, нельзя изучать этот процесс только в припайном льду.
Для решения ряда вопросов химических загрязнений на полярные воды и льды автором в апреле-октябре 1978г. выполнено 12 натурных экспериментов. Этот цикл исследований осуществлен на советской научно-исследовательской дрейфующей станции «Северный полюс-22» в 115—250 милях к северу от побережья Канады и Аляски. Один из экспериментов цикла выполнен с целью изучения воздействия разных видов нефтепродуктов на термику и таяние снежно-ледяного покрова. Наблюдения производились на четырех полигонах льдов разной толщины и возраста с искусственным покрытием площадок сырой нефтью, дизтопливом (ДТ) и бензином (Б-70). Полигон № 1 был создан на айсберге толщиной около 30 м. Площадки наблюдений находились в стороне от станции, -на возвышенном месте. До начала эксперимента на первом полигоне была установлена УААС (универсальная автоматическая актинометрическая стрела), данные которой автоматически обрабатывались на ПЭКВМ (программоуправляемая электронная клавишная вычислительная машина «Искра-125»). УААС регистрировала полный радиационный баланс и его составляющие: суммарную, прямую, рассеянную и отражающую радиации. В углах площадок наблюдений вбурены па глубину 1.5 м деревянные бруски, между которыми натягивались маркированные тросики. На конце каждого тросика крепился вертлюг для поддержания тросика в натянутом состоянии. Расстояние от тросика до поверхности площадок наблюдении измерялось стандартной снегомерной рейкой с точностью ± 1 см. Для измерения проходящей в глубь снега радиации в 10 см от поверхности снега на каждой площадке была установлена первая пара пиранометров с двумя термобатареями. Вторая пара пиранометров, обращенных приемной частью вниз, установлена на поверхности снега для измерения выходящей (отраженной) радиации и» снежно-ледяного покрова. Одна из площадок первого полигона была искусственно покрыта сырой нефтью. Образовалось пятно толщиной 1— 2 мм с горизонтальным размером около 1.5Х1.5 м и покрытием поверхности снега на 90%. Вторая площадка наблюдений была создана в чистом снегу.
Пилогон № 2 располагался на многолетнем припае толщиной 5 м. Для измерения температуры снега и льда на чистых и загрязненных площадках, вместо подснежных пиранометров использовались термисторы ММТ-2 или ММТ-4. К ним были припаяны изоляционные провода. Термисторы с концами проводов были предварительно опущены в стеклянные пробирки и для герметизации залиты эпоксидной смолой. Тарировка термисторов производилась в ведре с антифризом. В качестве контроля использовался низкоградусный спиртовый термометр. Охлажденное антифризом до —30° ведро было внесено в хорошо протопленное помещение. С помощью термометра и моста сопротивления постоянного тока Р-333 сделана тарировка с точностью до 0.01°. Тарировочный график был построен по 4 сериям измерений. Затем на площадках со специальными приспособлениями для измерений таяния снега и льда, аналогичными установленным на полигоне № 1, были созданы пятна дизтоплива и бензина толщиной 1—2 мм и размерами 2х2 м. Третья площадка — чистая. При стаивании поверхности снега, а потом льда термисторы заглублялись на горизонты, соответствующие первоначальным.
Рис. 1.
Кривая I отражает разность значений температуры снега и льда на загрязненной сырой нефтью г чистой площадках. Айсберг, горизонты наблюдений — 2 см от поверхности снега (26 мая—7 июня;и от поверхности льда (8—28 июня 1978 г.).
Полигон № 3 по методике наблюдений и применению в эксперименте нефтепродуктов (дизтопливо, бензин) подобен полигону № 2, но он был создан на осеннем припае толщиной около 2 м. Полигон № 4 был расположен на молодом весеннем льду толщиной 20 см. Здесь также были использованы термисторы,
приспособления для измерений таяния снега и льда, дизтопливо и бензин, третья площадка — чистая. Отверстия во льду для термисторов в пробирках делались буравчпком. Размеры пятен дизтоплпва и бензина с 90% покрытием поверхности снега (после стаивания снега — поверхности льда) на 3 и 4 полигоне были примерно одинаковыми — 2х2 м.
При анализе рис. 1—6, отражающих инструментальные измерения температуры и таяния снежно-ледяного покрова на чистых и искусственно покрытых нефтепродуктами площадках, следует отметить три основных момента.
В весенне-летний период (с 26 мая по 28 июня 1978 г.) пятна сырой нефти, дизтоплива и бензина вызвали повышение температуры снежно-ледяного покрова в слое от поверхности пятна до 5—25 см в глубь покрова (глубже 25 см наблюдения не выполнялись). В период наблюдений почти во всех случаях температура снега и льда под пятнами всех видов нефтепродуктов была выше, чем на чистых участках снега. По данным 144 наблюдений термисторамп температура снега и льда под нефтяными пятнами в среднем оказалась на 1.6° С выше, чем на чистых площадках (рис. 1— 5). Небольшие вариации в разности температур снега и льда на одних и тех же горизонтах чистых и загрязненных площадок (рис. 2) были в основном обусловлены значениями величин прямой, рассеянной солнечной радиации и соответствующими градиентами температур в системе воздух—нефть—снег—лед.
Рис. 2.
Кривая II — разность температур снега и льда на покрытой дизтопливом и чистой площадках. Кривая III отражает разность температур снега и льда на загрязненной бензином и на чистой площадках. Паковый лед (толщина э м), на горизонтах 2 см.
Рис. 3. Разность температуры снега и льда на покрытых дизтопливом, бензином и чистых площадках.Зимний лед (толщина 2 м), горизонты 2 см.
Рис. 4. Разность температуры снега и льда на покрытых дизтопливс и чистых площадках.Зимний лед, горизонты 5 см,
Рис. 5. Разность температуры снега и льда на покрытых дизтопливом, бензином и чистых площадках.Молодой лед (толщиной 40—10 см), горизонты наблюдений— 5 см.
После искусственного разлива нефтепродуктов на экспериментальных площадках примерно через 7—10 суток отмечается заметное ослабление влияния нефтепродуктов на термику снежно-ледяного покрова. Это, по-видимому, обусловлено активными процессами испарения и выветривания легких и отчасти средних фракций нефтепродуктов в течение 10 суток после разлива. Через 7—10 суток под загрязненными площадками температура снега и льда, хотя и была выше, чем на чистых участках, но разность температур уже не достигала 1° С.
При наблюдениях за таянием снега на чистых и загрязненных нефтепродуктами площадках четко определился эффект влияния каждого вида нефтепродуктов, применяемых в экспериментах (рис. 6,а-г). Максиммальное воздействие на скорость таяния снежно-ледяного покрова оказала сырая нефть (полигон №1, рис. 6,а). Например, за 5 суток, с 5 по 10 июня, при максимальных за период наблюдений значениях солнечной радиации на покрытой сырой нефтью площадке стаяло 24 см снега, а на чистой – всего 2 см. за 34 суток наблюдений на полигоне №1 в конечном итоге на загрязненной сырой нефтью площадке стаяло29 см снега и 10 см льда, а на соседней чистой площадке – только 19 см снега. На полигонах №2 и №3 таяние снега и льда под дизтопливными пятнами происходило в среднем в 2.2 раза быстрее, чем на чистой поверхности, а под бензиновыми пятнами – в 1.7 раза. На молодом льду (полигон №4) в эти же сроки под пятном дизтоплива стаяло 11 см снега и 9 см льда, под бензиновым – 11 см снега и 6 см льда, а на чистой площадке – только 9 см снега. При изучении воздействия нефтепродуктов на таяние загрязненного снежно-ледяного покрова существенную роль играют те же причины и факторы, что и при исследовании влияния нефтепродуктов на термику снега и льда.
Рис. 6. Разность между измерениями таяния снега и льда на покрытых дизто' пливом и чистых площадках (//), покрытых бензином и чистых площадках (///)•
Данные а получены на айсберге, б — на паковом льду, в — на осеннем льду, г — на молодом льду. Снег на площадке, покрытой сырой нефтью (айсберг), стаял 10 июня, на паковомльду, на площадке, покрытой дизтопливом, — 16 июня и на зимнем и молодом льдах— 11 июня.
Анализ данных натурных экспериментов 1978 г. позволяет сделать следующие выводы.
Нефтепродукты на поверхности снега и льда нарушили естественное термическое состояние этого покрова, повышая температуру снега в весенний период до 5.3С.
На загрязненных участках таяние снежно-ледяного покрова происходит значительно быстрее, чем на чистых. Наибольший эффект ускорения таяния снега и льда был на участке, покрытом сырой нефтью, наименьший под бензиновым пятном. Скорость таяния снега под пятном сырой нефти в начале эксперимента была в 10 раз выше, чем на чистой площадке, со временем эта разность уменьшилась до соотношения 2:1.
Величина эффекта воздействия нефтепродуктов на таяние покрова зависит от их физики-химических свойств, интенсивности испарения в атмосферу и толщины снега и льда.
Изменение температуры и толщины снежно-ледяного покрова, загрязненного нефтепродуктами, зависит от толщины пятна или пленки, относительной площади загрязненной поверхности снега и льда. Удельного веса, вязкости, теплоемкости, температуропроводности и цвета нефтепродукта, способности его к испарению (вымораживанию), от величины радиационного баланса, объемнорй теплоемкости и температуропроводности снега и льда, толщины, структуры и плотгности снежно-ледяного покрова, градиента температуры в системе воздух – нефть – снег – лед – вода [2, стр 147-152].