Об интерпретации результатов мониторинга загрязнений поверхности моря с учетом особенностей поведения тонких нефтяных пленок

Источники загрязнения морской среды нефтью и нефтепродуктами разнообразны. В отчете под названием «Oil in the Sea III» [National Research Council…, 2003] обозначены четыре наиболее значительные категории: естественные просачивания, добыча нефти, транспортировка нефти и потребление нефти. На просачивание приходится почти половина общемирового объема в ежегодном поступлении в океан. Другими источниками того же порядка величины, являются добыча, транспортировка и потребление, и они связаны с деятельностью человека. По оценкам [MacDonald, et al., 2015] объемы ежегодного поступления нефти в Мексиканский залив от многочисленных естественных источников на морском дне сравнимы со сбросом при катастрофе на нефтяной платформе DWH в 2010 году. Нефтепродукты, попавшие в море в результате естественного просачивания на морском дне, как правило, представляют собой тонкие пленки, аналогично проявляются и судовые следы.
Анализ нефтепроявлений на поверхности моря от естественных источников в Мексиканском заливе дает основания для вывода о том, что пленки нефти субмикронной толщины (порядка 0.04 мкм – 0.3 мкм) существуют на поверхности моря 8 – 24 часа [Oil in the sea III, 2003]. На оптических изображениях цвет варьируется от радужного в месте всплытия до серебристо – серого на периферии).
Исследователи из Океанографического центра в Вудс-Хоуле (Woods Hole Oceanographic Institution) предлагают следующую схему физических процессов, сопровождающих нефтепроявления от нефтяных сипов (от английского to seep – просачиваться). В месте просачивания на дне, нефть медленно вытекает через сеть трещин, образуя источники углеводородов на морском дне. Капли нефти и пузырьки газа поднимаются в толще воды и образуют на поверхности дрейфующее сплошное нефтяное пятно микронной и субмикронной толщины, которое, трансформируясь за счет процессов выветривания, через некоторое время разрушается на мелкие капли, вовлекаемые в водную толщу. Форма вытянутого слика на поверхности моря в значительной степени зависит от скорости ветра. В удаленной от источника части нефтяного пятна плавающая пленка рассеивается и больше не вызывает эффектов затухания волн, которые можно определить с помощью дистанционного зондирования [MacDonald et al., 2015].
В серии статей [Иванов и др., 2007, 2014, 2015] приводятся примеры определения пятен нефтепроявлений на поверхности Черного и Каспийского морей, которые связываются со спонтанными выходами нефти через трещины земной коры на морском дне. На радиолокационных изображениях (РЛИ) юго-западной части Каспийского моря, полученных со спутника Envisat в 2003–2004 гг., обнаружено значительное количество нефтяных пятен, на основе обработки и дешифрирования радиолокационных изображений (РЛИ), сопоставления с данными морских геолого-геофизических и сейсмологических исследований, установлена связь этих пятен с разгрузкой подземных флюидов (нефти, газов, пластовых вод) в Южно-Каспийской тектонической впадине [Иванов и др., 2007].
В поведении на поверхности моря тонких слоев нефтепродуктов есть общие черты и различия, обусловленные физико-химическим свойствами. В работе исследованы особенности поведения тонких пленок нефти или нефтепродуктов на поверхности моря, которые, с точки зрения авторов, дополняют традиционные представления о трансформации разливов нефти и нефтепродуктов на поверхности моря и должны приниматься во внимание при анализе информации ДЗЗ. Задача математического эксперимента определить различия в трансформации пленок нефти различной толщины, не исследуя при этом причин, за счет которых пятно нефти на поверхности сформировалось.
Задача об испарении из разлива традиционно основана на представлении нефти в виде смеси нескольких фракций или псевдокомпонент с известными физико-химическими свойствами. Испарение многокомпонентной жидкостей, к которым относится нефть и нефтепродукты, приводит к изменению их химического состава и физических свойств на поверхности моря – плотности, вязкости и межфазных натяжений [Wang et al., 2005].
Проведенный анализ процесса испарения нефти [Зацепа и др., 2020] свидетельствует о том, что скорость испарения, в первую очередь, определяется компонентным составом, индивидуальным для каждого типа нефти, а изменение плотности нефти на поверхности моря существенно вырастает при уменьшении толщины пленки до толщин порядка микрометров. Вопреки распространенному на практике правилу, что при разливе нефти в море в течение первых суток из разлива «улетают» компоненты с температурами кипения до 200 градусов Цельсия, для тонких пленок нефти процесс изменения фракционного состава, и, как следствие, изменения плотности и вязкости, протекает значительно быстрее.
Диспергирование или проникновение нефти в водную толщу рассматривается как совокупность физических процессов, за счет которых пленка нефти, находящаяся на поверхности моря и оказавшаяся в области обрушения ветровых волн, проникает под воду, дробится в слое волнового перемешивания на капли, некоторые из которых всплывают обратно к поверхности, а мелкие распространяются процессами турбулентной диффузии в толщу воды. В работе [Зацепа и др., 2018] была предложена феноменологическая модель процесса диспергирования и ряд расчетных соотношений. Распределение количества капель по размерам по результатам экспериментов в большинстве случаев [Nissanka, Yapa, 2018] принимают логнормальным или используют распределение Розина – Раммлера, являющегося частным случаем распределения Вейбулла [Королев, Соколов, 2014]. Параметры этих распределений оценивались по результатам экспериментов, проведенным, главным образом, в бассейнах [Li et al., 2017]. В [Зацепа и др., 2018], основываясь на результатах [Johansen et al., 2015], получено выражение для медианы распределения количества частиц по размерам при естественном диспергировании нефтяной пленки волнами.
Процессы диспергирования и испарения связаны между собой. Диспергирование нефти приводит к уменьшению количества нефти на поверхности, однако не меняет ее физико-химических свойств. Испарение увеличивает вязкость и плотность нефти на поверхности моря. Эти изменения приводят увеличению медианного диаметра в ансамбле диспергированных капель нефти и уменьшению потока в водную толщу [Зацепа и др., 2018], увеличение плотности нефти уменьшает скорость всплытия диспергированных капель и увеличивает поток. Итоговый баланс, определяющий поток капель нефти в водную толщу, будет определяться интенсивностью турбулентного обмена в верхнем слое моря, зависящего от скорости ветра и ветрового волнения.
На основании описанных выше моделей испарения и диспергирования было проведено моделирование изменения физических свойств тонких слоев (1мм, 0.1 мм и 0.01 мм) нефти и нефтепродукта поверхности моря. Результаты, представленные в докладе, получены для нефти со свойствами одного из арктических месторождений России и дизельного топлива. В обоих случаях нефть и нефтепродукт представлены 10-ю псевдофракциями, однако, если для сырой нефти диапазон изменения температур кипения фракций изменяется от 150°С до 650°С, то для дизельного топлива от 190°С до 370°С. Для тонких пленок нефти изменения в фракционном составе более заметны, а дополнительное уменьшение толщины пленки за счет диспергирования при умеренном ветре ускоряет процесс физико-химической трансформации, так для нефти с начальной толщиной слоя 1 мм к концу первых суток происходит полное испарение двух наиболее летучих фракций, для дизельного топлива в тех же условиях почти полностью испаряется только первая из легких фракций. Для начальной толщины слоя в 0.1 мм для обоих нефтепродуктов наблюдается похожая картина – испаряются три первых наиболее летучих фракций. Для начальной толщины пленки нефти в 0.01 мм полностью испаряются четыре первых фракции и к 18 часам от начала выветривания нефтяное загрязнение полностью удаляется с поверхности моря за счет процессов испарения и диспергирования. Для дизельного топлива в тех же условиях полностью испаряются первые пять фракций, а через 12 часов от начала выветривания загрязнение полностью исчезает с поверхности.
Результаты исследования изменения физических свойств тонких пленок нефти и нефтепродуктов имеют непосредственное отношение к анализу нефтепроявлений на поверхности моря от естественных просачиваний на морском дне. Толщина пленок нефти при этом процессе зависит от интенсивности подводного источника, и, как было указано выше, основываясь на оптических изображениях считается, что подобные нефтяные пятна имеют субмикронную толщину.
В работе [Иванов и др., 2015] отмечено, что конфигурации поверхностных пятен от подводных природных источников на морском дне в юго-западной части Каспийского моря по результатам ДЗЗ, имеют форму узких вытянутых шлейфов с масштабом порядка 10–20 км, а кольцевая и петлеобразная формы пятен – результат вовлечения пленок в локальные вихревые структуры верхнего слоя моря, которые формируются под действием изменчивых течений у поверхности.
В докладе показано, что небольшой радиус кривизны нефтепроявлений на поверхности моря в юго-западном секторе Каспийского моря порядка 3–5 километров, соответствует их формированию под действием инерционных колебаний (ИК) водных масс [Сабинин, Лаврова, 2016] при наличии фонового потока. В зависимости от направления этого потока нефтепроявления от подводного источника на поверхности моря могут образовывать как антициклонические, так и циклонические спиральные конфигурации. Роль инерционных волн в динамике вод Каспийского моря велика и их энергия в этом регионе может достигать 60% энергии переменных течений [Бондаренко, 1993], характерная скорость инерционных движений порядка 20–25 см/с. Для юго-западной части Каспийского моря инерционный период составляет порядка 19 часов. Для указанных параметров ИК радиус круга инерции порядка двух километров. В докладе приведены рассчитанные конфигурации нефтепроявлений на поверхности моря при скорости фонового течения 10 см/с, направленного на юг, и радиусе круга инерции 2.7 км для времени жизни разлива в 5, 9, 15 и 19 часов. «Циклонический» характер закручивания спиралей нефтепроявлений связан с тем, что в этом случае мы имеем дело не с траекторией движения свободно плавающего дрифтера, а с конфигурацией продолжительного разлива нефти от фиксированного в пространстве источника. Для источника, который действует несколько суток [Бондур, 2012], наблюдалась бы спиралевидная конфигурация, включающая более двух витков, однако, ограниченное время существования тонкой пленки на поверхности моря приводит к незамкнутым или ограниченным конфигурациям.
В руководствах по химическому диспергированию нефтяных разливов принимается, что для удаления нефти с поверхности размер капель нефти должен менее 70 мкм [Zeinstra-Helfrich, 2015]. Как показано в докладе, тонкие пленки нефти, в результате естественного диспергирования образуют капли с высокой плотностью и достаточно малого размера, несмотря на рост вязкости пленки за счет высокой доли испарившихся фракций. Капли нефти или нефтепродукта малого размера остаются взвешенными в толще воды, где они будут быстро растворяться и утилизироваться биотой.
Результаты моделирования поведения тонких пленок нефтепродуктов и нефтепродуктов на поверхности моря дополняют феноменологию нефтепроявлений от естественных источников на поверхности моря. Именно испарение многокомпонентной смеси углеводородов довольно быстро меняет компонентный состав субстанции на поверхности моря. Скорость изменения фракционного состава и связанное с этим процессом увеличение плотности и вязкости нефтепродукта тем выше, чем тоньше пленка нефтепродукта. Даже в штилевых условиях для пленки нефти с начальной толщиной в 1 мкм увеличение плотности нефтяного остатка на поверхности моря до значений плотности, сравнимой с плотностью окружающей воды, происходит за промежуток времени порядка суток и менее. Далее за счет Рэлей –Тейлоровской неустойчивости границы раздела нефть-вода при слабых ветрах, либо за счет обрушения волн при увеличении скорости ветра происходит разрушение пленки нефти на капли и их дальнейшая эволюция как внутримассового загрязнения. При наличии в верхних слоях моря минеральных или органических частиц происходит образование нефтяных агрегатов, с плотностью, превышающей плотность морской воды, которые в дальнейшем оседают на дно.
Таким образом, моделирование поведения тонких пленок нефти на поверхности моря дает ответ на вопрос, почему всплывшая в результате положительной плавучести нефть через некоторое время исчезает с поверхности моря. При отсутствии сведений о свойствах нефти, поднимающейся на поверхность моря от источников на морском дне, мы вынуждены ограничиться лишь феноменологией формирования подобных нефтепроявлений. Состояние моря, в значительной степени зависящее от скорости ветра, и физико-химические свойства субстанции на поверхности моря будут определять ее время жизни на поверхности. В случае тонких пленок нефти или нефтепродуктов это время может измеряться часам при умеренных ветрах, при слабых ветрах в пределах суток.
Редкость эпизодов, в которых естественные субмикронные нефтепроявления на поверхности моря последовательно прослеживаются на РЛИ, объясняется ограниченностью “времени жизни” тонких поверхностных пленок. Это обстоятельство необходимо принимать во внимание при интерпретации спутниковой информации.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 18–07–00373, № 18–07–01001, № 19–07–00450, № 19–07–00493, №20–0700623.