4.3. Нефтяные пленки

Суммарное поступление нефтепродуктов в океан оценивается в 0,25% от мирового производства нефти и составляет около 6 млн. тонн в год. Наибольший вклад в это количество вносят морские перевозки нефти: 60% всей добываемой в мире нефти перевозится морским транспортом. Загрязняют океан прежде всего танкеры, промывающие танки морской водой; кроме того, пассажирские и грузовые суда перед заправкой топливом сливают из топливных цистерн водный балласт.

Весьма большое количество нефтепродуктов выносится в океан реками: по имеющимся оценкам, оно более, чем втрое, превышает количество нефтепродуктов, поступающих в океан при авариях танкеров и других судов, вместе взятых.

Нефть и нефтепродукты сбрасываются в океан промышленными предприятиями, нефтеперерабатывающими заводами и нефтехранилищами. Количество нефтепродуктов, сливаемых ежегодно в канализационную сеть бензозаправочными станциями, по существующим оценкам, вдвое превышает количество нефтепродуктов, поступающих в океан при авариях судов. Утечки нефти происходят при подводном бурении, существуют естественные выбросы и просачивание нефти через дно, нефтепродукты выпадают из атмосферы.

Поступление в океан нефтепродуктов из-за аварий танкеров и других судов относительно невелико, и составляет 0,4 млн. тонн в год. Однако именно эти аварии становятся широко известными, поскольку в таких случаях в том или ином месте океана внезапно выливаются десятки и сотни тысяч тонн нефти, что влечет за собой катастрофические последствия, если это происходит в прибрежных районах.

Нефть и продукты ее переработки представляют собой сложные смеси. Главными компонентами нефти и нефтепродуктов являются углеводороды. В небольших количествах в нефти имеются соединения, содержащие кислород, серу и азот. Некоторые компоненты нефти являются по своей природе поверхностно-активными веществами (ПАВ). Благодаря своим физико-химическим свойствам нефть и нефтепродукты в океане могут существовать в виде пленок, «смоляных шариков», в растворенном и эмульгированном (взвешенном) виде. Весьма распространенными формами существования нефти как загрязняющего вещества являются эмульгированная и поверхностная нефтяная пленка.

В отличие от пленок чистых ПАВ, пленки нефти никогда не растекаются до мономолекулярного слоя, а имеют толщину, на порядки превышающую типичный эффективный диаметр молекул. В зависимости от условий и времени растекания толщина пленок нефти изменяется от десятков сантиметров до долей миллиметра.

Распространение нефтяной пленки по поверхности океана можно представить как суперпозицию двух процессов: первый — перенос пленки как целого под действием ветра, морских течений и поверхностных волн, т. е. дрейф пленки, и второй — растекание пленки на спокойной воде, приводящее к увеличению ее площади с течением времени. Рассмотрим каждый из этих процессов по отдельности.

Скорость дрейфа пленки под действием ветра и течений можно представить в виде:

где u_a — скорость ветра на стандартной высоте (10 м), u_T — скорость течения. Имеются, однако, данные о том, что v меньше суммы (4.3.1); в соответствии с этим предлагается заменить в (4.3.1) u_T на 0,56·u_T.

Еще одной причиной дрейфа нефтяной пленки как целого является волновой дрейф. Однако скорость волнового дрейфа нельзя просто добавить в (4.3.1), так как волны взаимодействуют с течениями и, кроме того, скорость горизонтального движения пленки нефти по взволнованной и тем самым искривленной поверхности воды должна быть меньше, чем на плоской поверхности. Для учета волнового дрейфа некоторые авторы предлагают заменить в (4.3.1) коэффициент 0,03 на 0,035.

Рассмотрим теперь растекание пленки нефти на спокойной воде. Предположим, что на поверхность чистой воды вылит некоторый объем нефти. На растекание этого объема влияют силы плавучести нефти, тяжести, вязкого трения между пленкой нефти и водой и поверхностного взаимодействия трех веществ — нефти, воды и воздуха. Сначала происходит растекание нефти по поверхности воды под действием только силы тяжести, как и в случае растекания по твердой поверхности. Растекание ускоряется под действием горизонтального градиента давления и замедляется вследствие инертности пленки и силы вязкого трения, действующей между пленкой и подстилающей водой. Граница пятна нефти растягивается, если поверхностное натяжение на поверхности взаимодействия вода — воздух T_wa больше, чем сумма T_ao + T_ow поверхностных натяжений на поверхностях взаимодействия воздух — нефть T_ao и нефть — вода T_ow (рис. 4.3.1). Поэтому поведение пятна нефти зависит от знака «коэффициента растекания» T = T_wa – T_ao – T_ow. При положительном T будет происходить растекание. Если коэффициент T отрицателен, то под влиянием горизонтального градиента давления пятно будет стремиться к растеканию по поверхности, а поверхностное натяжение будет приводить к его сжатию. В результате равновесия этих противоположных эффектов образуется неподвижная линза нефти, показанная на рис. 4.3.1. Для большинства типов нефти T > 0; типичное значение этого коэффициента T = 25·10^-3 Н/м.

При T > 0 пленка нефти должна растекаться под действием поверхностного натяжения до тех пор, пока она не станет почти мономолекулярной. Однако свойства нефти (состоящей из большого числа органических веществ, каждое из которых имеет свою растворимость в воде) в процессе растекания изменяются — ее плотность и вязкость растут, а T убывает и может стать отрицательным. При этом растекание под действием поверхностного натяжения прекращается, а толщина пленки, по существующим оценкам, достигает 20–30 мкм. В реальных условиях движение воды в поверхностном слое океана всегда носит турбулентный характер, и даже при T < 0 и нулевой средней скорости воды площадь пленки будет продолжать увеличиваться за счет турбулентной диффузии.

При количественном описании изложенного выше механизма растекания пятна нефти выявляются, в зависимости от толщины пленки, три существенно различных режима. В начале растекания, при большой толщине пленки, определяющую роль играет гравитационная сила, а радиус пятна растет со временем по закону r ~ t^1/2. При несколько больших временах начинают преобладать силы вязкости и r ~ t^1/4. При еще больших временах (и меньших толщинах пленки) движение пленки определяется равновесием между силами вязкости и силами поверхностного натяжения и r ~ t^3/4 (см. рис. 4.3.2).