Океан и атмосфера
Океан, занимающий более двух третей поверхности Земли, является не только огромнейшим природным резервуаром воды, но и аккумулятором солнечного тепла, оказывающим большое влияние на формирование погоды на нашей планете. Кроме того, океан — место обитания микроскопических водорослей, развивающихся в верхней водной толще, где солнечного света достаточно для фотосинтеза, и «вырабатывающих» значительное количество кислорода, переходящего через границу раздела океан — атмосфера в воздушную среду. Эти же водоросли играют роль активного поглотителя из атмосферы углекислого газа. Через поверхность океана осуществляется с атмосферой обмен теплом, влагой, газами, количеством движения. Влияет ли на эти процессы пленка нефти, плавающая на поверхности океана?
Свыше 99,9 процента энергии, определяющей погоду и климат и, в частности, приводящей в движение воды Мирового океана, дает Солнце. Прохождение солнечной энергии через атмосферу сопровождается ее участием в целом ряде процессов, в результате чего теряется практически половина этой энергии. Из того количества солнечной энергии, которое поступает к поверхности океана, определенная часть отражается от нее, а остальная проникает в океан. Если же в океане разлилась нефть, то отражающая способность океанской поверхности из-за нефтяной пленки становится другой и солнечного света отражается тогда значительно больше.
Изучение спектральных коэффициентов отражения нефти показало, что пленка нефти практически во всех участках спектра света отражает больше, чем морская вода (приблизительно в два раза при нормальном падении луча). Имеется спектральный участок (10–11 микрон), где коэффициент отражения от нефтяной пленки в 4 раза больше, чем коэффициент отражения морской воды. Поскольку в этом спектральном участке оптический контраст системы нефть — вода наибольший, то для обнаружения нефтяного загрязнения с успехом применяются углекислотные лазеры, работающие на близких длинах волн. В зависимости от угла падения солнечных лучей величина отраженной энергии меняется (чем ниже Солнце над горизонтом, тем процент отражения больше). Американский ученый Е. Андерсон, проводивший эксперименты по измерению коэффициентов отражения в условиях гладкой водной поверхности и безоблачного неба, показал, что когда солнце находится в зените, то отражается 3 процента солнечной энергии, а при высоте 5 градусов — около 42 процентов. Впрочем, эти работы показали, что если поверхность океана взволнованна, то при малой высоте солнца доля отраженного света будет меньше, чем в случае невзволнованной поверхности.
Таким образом, наличие нефтяной пленки на поверхности моря существенно уменьшает долю солнечной энергии, проникающей в толщу океанских вод. Входящая в воду солнечная радиация частично рассеивается, а также поглощается, превращаясь в тепло, причем в верхнем водном слое толщиной в 1 сантиметр поглощается до 20 процентов всей радиации. Слой воды толщиной в 100 сантиметров поглощает не менее 60 процентов приходящей радиации.
Одновременно наличие нефтяной пленки создает увеличение температуры верхних слоев воды, особенно у самой поверхности океана. Темпы увеличения поверхностной температуры в этих случаях зависят от многих факторов, но прежде всего от толщины нефтяной пленки. Экспериментально показано, что «тонкая» нефтяная пленка (толщиной менее 1 миллиметра) на поверхности моря с температурой 22 градуса через 10 часов обеспечивает увеличение поверхностной температуры приблизительно на градус. Более «толстая» нефтяная пленка через то же время дает заметно больший эффект: поверхностная температура повышается уже на несколько градусов.
Как известно, водная среда обладает значительной теплоемкостью (теплоемкости равных объемов воды и воздуха относятся как 3000:1). Запасая тепло, океан постепенно отдает его атмосфере, в частности значительная часть тепла расходуется на испарение воды.
Чтобы испарить 1 кубический сантиметр морской воды, нужно затратить 600 калорий тепла. За год с поверхности океана испаряется слой воды толщиной около 1,1 метра, то есть на испарение метровой водной толщи расходуется тепло, равное 60 тысячам калорий на квадратный сантиметр. Именно потери тепла за счет испарения и составляют наибольшую расходную часть в тепловом балансе океана. Экспериментально показано, что скорость переноса водяного пара через границу раздела вода — воздух снижается, если поверхность океана покрыта нефтяной пленкой. Более того, пленка толщиной порядка 400 микрон может свести скорость этого переноса практически к нулю. Наличие нефтяной пленки сказывается на влагообмене по-разному при различных скоростях ветра. При малых скоростях ветра такого уменьшения не наблюдается.
Атмосфера воздействует на океан главным образом динамически. Это воздействие характеризуется потоком количества движения, передаваемого поверхности океана дующим над ней ветром. Как показали лабораторные опыты, результаты которых приводит академик В. Шулейкин в монографии «Физика моря», наличие нефтяной пленки на спокойной поверхности воды практически не влияет на передачу количества движения (импульса) от ветра к воде. Однако это вовсе не означает, что нефтяная пленка не оказывает влияния на обмен импульсом между атмосферой и океаном. Суть в том, что поверхность океана весьма редко бывает спокойной. Если же она взволнована, то нефтяная пленка ее «выглаживает».
На «молекулярном» уровне такое явление выглядит следующим образом. При действии ветра на водную поверхность, на которой плавает нефть, молекулы нефти в толще пленки приходят в колебательное движение, перемещаясь вверх и вниз. Указанные молекулы очень громоздки и обладают сложным пространственным строением, что ведет к появлению в пленке внутреннего трения, благодаря которому и происходит поглощение энергии волн. Количество энергии, которое отнимает нефтяная пленка, меняется обратно пропорционально квадрату периода волн. Поэтому основные волны нефтяными пленками не гасятся, нефть поглощает энергию только вторичных, третичных и других волн, образующихся на поверхности основных, то есть «выглаживает» мелкие волны, тем самым изменяя аэродинамические свойства поверхности океана. В результате передача импульса от ветра к воде уменьшается. Приведем приближенные расчеты В. Шулейкина, показывающие соотношение энергии волн и поглощающего эффекта пленки: при ветре 15 метров в секунду энергия волн возрастает приблизительно на 50 эрг в секунду на 1 квадратном сантиметре поверхности моря; между тем нефтяная пленка поглощает не менее 480 эрг в секунду на ту же единицу поверхности моря при периоде волн 0,5 секунды.
Следует отметить также еще один момент влияния нефтяной пленки на обмен импульсом между океаном и атмосферой. Передаваемое от ветра к воде количество движения «усваивается» океаном двояким образом: часть его идет на возбуждение в верхнем слое океана течения, которое называют дрейфовым, другая часть передается ветровым волнам. Если же на поверхности моря разлить пленку, то мелкие волны «выгладятся», однако согласно одному из фундаментальных законов физики присущее им количество движения исчезнуть не может. Оно передастся дрейфовому течению: скорость поверхностного дрейфа воды возрастет. Таким образом, наличие нефтяной пленки на поверхности океана, помимо ослабления обмена импульсом между атмосферой и океаном, приводит также к перераспределению передаваемого от ветра к воде количества движения между дрейфовым течением и волнами.
Хочется подчеркнуть, что нефтяная пленка сдерживает такой процесс, как обрушивание волн, то есть предотвращает брызгообразование, с которым связано попадание в атмосферу морской соли. Поэтическое определение «соленый ветер», когда говорят о ветре, дующем со стороны моря, является достаточно точным. Представим себе бесконечные просторы океана, покрытые белоснежной пеной. При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что пена состоит из огромного числа пузырьков. Пузырьки постоянно лопаются, разбрызгивая морскую соль. Допустим, что в любой момент времени акватория Мирового океана хотя бы на 3–4 процента покрыта пузырьками и что в каждую секунду лопается 1018 пузырьков. В этом случае окажется, что в атмосферу ежегодно выбрасывается значительно более миллиарда тонн соли. Частицы соли вездесущи. Еще в прошлом столетии было экспериментально установлено, что морская соль, пусть в ничтожных концентрациях, присутствует в каплях дождя, выпадающих не только в приморских, но и в континентальных странах.
Но океан является источником насыщения атмосферы не только морской солью, но и другими веществами, например органическими. Мельчайший органический материал покрывает тонким жирным слоем ветровое стекло автомашины, стоящей на берегу моря. Во время же так называемых «красных приливов» у жителей прибрежных районов появляется болезненный кашель и постоянно воспаляются глаза, поскольку в воздухе носятся токсичные вещества, содержащиеся в микроскопических планктонных водорослях динофлагеллятах, огромное скопление которых и есть «красный прилив».
Итак, нефтяная пленка препятствует и солеобмену, и выносу в атмосферу органических и многих других веществ, содержащихся в морской воде.
Теперь о влиянии нефтяной пленки на газообмен между океаном и атмосферой. Английский ученый Н. Нельсон-Смит приводит данные о лабораторном эксперименте с «бескислородной» водой (кислород удален кипячением), на поверхность которой помещалась тончайшая пленка дизельного масла (0,002 миллиметра). Через сутки эта вода насыщалась кислородом на 99 процентов. Когда же помещалась более толстая пленка того же масла (0,03 миллиметра), то за сутки достигалось лишь 60 процентов насыщения кислородом. Как видим, влияние нефти на газообмен, если исходить из идеализированных условий, созданных в лаборатории, довольно слабое. Другое дело в реальных условиях, когда над морем дует ветер, «деформирующий» его поверхность и нефтяное покрытие, — интенсивность газообмена через поверхность существенно возрастает.