4.2. Пленки поверхностно-активных веществ (пав)

На поверхности океана собираются и распространяются пленки ПАВ, концентрация которых достаточна для изменения ряда физических свойств поверхности. Пленки ПАВ образуются углеводородами, жирными кислотами, жирными спиртами и эфирами и т. п. В меньших количествах присутствуют также углеводы и полипептиды. Все эти вещества образуются вследствие жизнедеятельности и разложения морских организмов, а также вследствие искусственного загрязнения вод океана, особенно в прибрежных районах, в результате деятельности человека. В частности, поверхностной активностью обладают все моющие средства.

Практически нерастворимое в воде и нелетучее вещество, помещенное в малом количестве на поверхность воды, может либо сохраняться в виде компактной капли (или твердой массы), оставляя свободную поверхность воды совершенно чистой, либо растекаться по поверхности. Условием растекания вещества является более сильное притяжение его молекул к воде, чем друг к другу. При растекании в соприкосновение с водой стремится придти наибольшее число молекул вещества и, если это позволяет площадь поверхности, образуется поверхностная пленка толщиной в одну молекулу, или мономолекулярный слой.

Такая ситуация имеет место для химически чистых ПАВ. В реальных условиях пленки на поверхности океана представляют собой смеси различных ПАВ, и свойства таких пленок могут сильно отличаться от свойств химически чистых ПАВ. Они, в частности, не растекаются до мономолекулярных слоев, и их толщина обычно бывает порядка нескольких эффективных диаметров молекул.

Пленки ПАВ не следует путать с пленками нефтепродуктов, толщина которых на много порядков больше. Молекулы пленок ПАВ полярны. Они имеют на одном конце группу OH, притягиваемую водой, и углеводородную цепочку на другом конце, отталкиваемую водой, так что молекулы в пленке имеют весьма упорядоченное расположение. Молекулы в пленке можно сравнить с плавающими на поверхности телами, отталкивающими друг друга при соприкосновении, благодаря чему поверхностное натяжение уменьшается при толщине пленки в одну молекулу; понижение поверхностного натяжения есть не что иное, как отталкивание между молекулами пленки.

Одно из наиболее ярких проявлений пленок ПАВ на поверхности океана заключается в усиленном гашении коротких поверхностных капиллярно-гравитационных волн сантиметрового диапазона (λ ~ 5 см). Вследствие этого на поверхности океана, покрытой пленками ПАВ, образуются слики (т. е. выглаженные участки, на которых отсутствует ветровая рябь). Уменьшенный средний наклон коротких волн в области слика приводит к аномалиям при отражении света, причем область слика может быть как светлее, так и темнее окружающей воды в зависимости от угла зрения, высоты солнца, облачного покрова и т. п.

Пленки ПАВ не только ослабляют существующие поверхностные волны, но и препятствуют их генерации. Добавление достаточного количества ПАВ для образования нерастяжимой пленки на поверхности может привести к увеличению почти на порядок минимальной скорости ветра, необходимой для генерации волн.

Пленки ПАВ влияют на ряд процессов, происходящих на поверхности и в поверхностном слое океана:

— на передачу энергии от ветра к волнам;

— на обмен веществом на границе раздела, и, в частности, приводят к замедлению испарения с поверхности;

— препятствуют возникновению холодной пленки;

— на процесс лопания пузырьков воздуха и образования пены на поверхности;

— на процессы жизнедеятельности организмов в поверхностном слое моря;

— на поляризацию отраженного от поверхности солнечного излучения.

Модификация различных процессов на поверхности воды пленками ПАВ имеет прямое отношение к дистанционным методам наблюдения поверхности, особенно к получению радио- и оптических изображений морской поверхности, которые существенно определяются спектром поверхностного волнения в высокочастотном диапазоне, подверженном влиянию пленок ПАВ.

Искусственные пленки ПАВ имеют ряд практических применений. Одно из них восходит к глубокой древности — при шторме мореплаватели выливали на поверхность воды масло для успокоения волнения. Искусственные пленки применяются также для улучшения видимости под водой. Водолазы иногда берут с собой и выпускают под водой некоторые ПАВ; при этом успокаивающаяся поверхность воды приводит к уменьшению количества бликов, образующихся при преломлении света на взволнованной поверхности и мешающих работе водолаза.

ПАВ приводят к уменьшению поверхностного натяжения, и это их свойство используется для предотвращения растекания нефтепродуктов на поверхности моря. Силы поверхностного натяжения являются одними из основных сил, определяющих растекание нефтепродуктов по поверхности моря. Для предотвращения растекания пролитой нефти вокруг нее на поверхность вводятся соответствующие ПАВ. Поскольку при этом поверхностное натяжение на границах нефть — воздух и нефть — вода не изменяется, нефть растекается на гораздо меньшей площади, и ее пленка обладает большей толщиной, что облегчает процесс сбора нефти с поверхности. Большое значение имеют искусственные пленки ПАВ для уменьшения испарения воды с поверхности в целях ее сохранения в естественных и искусственных водоемах. В настоящее время эта практика широко используется во многих странах мира.