Два новых исследования показали, что солнечный свет преобразует разливы нефти на поверхности океана более значительно и быстро, чем считалось ранее. Это явление значительно ограничивает эффективность химических диспергаторов, которые предназначены для разрушения плавающей нефти и уменьшения количества нефти, достигающей береговой линии.
Исследовательская группа под руководством Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) обнаружила, что солнечный свет химически изменяет сырую нефть, плавающую на поверхности моря, в течение нескольких часов или дней. В последующем исследовании команда сообщила, что солнечный свет превращает нефть в различные соединения, которые не могут быть легко расщеплены диспергаторами. Результаты этих двух исследований могут повлиять на то, как ликвидаторы решают, когда, где и как использовать диспергенты.
Соответствующие исследования были опубликованы 20 февраля 2018 г. в журнале Environmental Science & Technology и сегодня (25 апреля 2018 г.) в журнале Environmental Science & Technology Letters.
«Считается, что солнечный свет оказывает незначительное влияние на эффективность диспергаторов», - сказал Коллин Уорд, ученый из WHOI и ведущий автор обоих исследований. «Наши результаты показывают, что солнечный свет является основным фактором, определяющим эффективность работы диспергаторов. А поскольку фотохимические изменения происходят быстро, они ограничивают окно возможностей для эффективного применения диспергаторов».
Диспергенты содержат детергенты, мало чем отличающиеся от тех, которые люди используют для мытья посуды, которые помогают разбить нефть на мелкие капли, которые могут раствориться в океане и/или быть съедены микробами до того, как нефть сможет быть унесена к уязвимым береговым линиям. Но чтобы выполнить свою работу, моющие средства (также известные как поверхностно-активные вещества) сначала должны смешаться и с маслом, и с водой, а масло и вода, как известно, не смешиваются.
Для преодоления этого барьера диспергаторы содержат органический растворитель, который помогает маслу, детергентам и воде смешиваться. Только до тех пор, пока не произойдет этот ключевой этап, поверхностно-активные вещества могут выполнять свою работу по разложению масла на капли. Но новые исследования показывают, что солнечный свет препятствует этому ключевому шагу.
Прежде чем можно будет применить диспергенты, световая энергия солнца уже разрушает химические связи в нефтяных соединениях, расщепляя атомы или химические цепи и создавая отверстия для присоединения кислорода. Этот процесс фотоокисления (также известный как фотохимическое «выветривание») похож на процесс, который приводит к выцветанию краски на вашем автомобиле или цветах на вашей одежде, если они слишком долго остаются на солнце.
На сегодняшний день в тестах по определению эффективности диспергентов использовалась только «свежая» нефть, которая не была изменена солнечным светом. В своих исследованиях ученые провели обширные лабораторные испытания, подвергая масло воздействию солнечного света. Они показали, что солнечный свет быстро превращает нефть в остатки, лишь частично растворимые в растворителе диспергатора. Это ограничивает способность моющих средств смешиваться с фотоокисленным маслом и разбивать масло на капли.
Это открытие предполагает, что спасатели должны учитывать солнечный свет при определении «окна возможностей» для эффективного использования диспергентов. В солнечные дни он будет намного короче, чем считалось ранее, чем в пасмурные дни.
«Это исследование бросает вызов парадигме, согласно которой фотохимическое выветривание оказывает незначительное влияние на эффективность воздушных диспергентов, применяемых при ликвидации разливов нефти», - сказал Уорд. «Солнечный свет быстро превращает нефть в химические соединения, которые диспергаторы не могут легко разбить на капли. Таким образом, фотохимическое выветривание является критическим фактором, который следует учитывать при принятии оптимальных решений о том, когда использовать диспергенты."
В ходе лабораторных экспериментов в 1970-х годах ученые показали, что свет изменяет химический состав нефти, но полученные данные нельзя было применить к крупномасштабным разливам нефти в океане. Во многом это было связано с тем, что в большинстве случаев разливов нефть быстро утекала с места происшествия, прежде чем ее можно было немедленно взять на пробу - в критический короткий промежуток времени, прежде чем солнечный свет окислил ее. Непрерывный поток после катастрофы Deepwater Horizon в 2010 году предоставил уникальную возможность: поскольку нефть плавала на поверхности моря в течение 102 дней, это дало властям возможность собрать нефть вскоре после того, как она всплыла на поверхность и подверглась воздействию солнечного света.
Ученые WHOI получили и протестировали образцы нефти Deepwater Horizon, которые были сняты с поверхности почти сразу после ее всплытия. Они обнаружили, что чем дольше масло плавало на залитой солнцем поверхности моря, тем сильнее фотоокислялось масло. По их оценкам, половина разлитой нефти была преобразована в течение нескольких дней.
Следующим шагом было проверить реакцию фотоокисленной нефти на диспергенты. Ученые протестировали свежую неизмененную нефть Deepwater Horizon, которая была собрана непосредственно из сломанного стояка на морском дне. Они тщательно контролировали лабораторные условия, чтобы предотвратить изменения температуры, испарение, проникновение света и другие факторы, и подвергали масло воздействию света с увеличивающейся продолжительностью. Кассия Армстронг, приглашенная студентка Тринити-колледжа, сыграла ключевую роль в проведении этих тестов и является автором статьи.
Ученые WHOI также тесно сотрудничали с Робин Конми, одним из ведущих экспертов Агентства по охране окружающей среды США по разработке новых технологий реагирования на разливы нефти. Для проведения испытаний на эффективность диспергаторов Агентство по охране окружающей среды использует особый метод и изготовленную по индивидуальному заказу стеклянную посуду, которую Конми одолжил ученым WHOI для их экспериментов.
Результаты экспериментов показали, что свет быстро фотоокисляет свежую нефть, превращая ее в соединения, снижающие эффективность диспергаторов не менее чем на 30 процентов за несколько дней.
Затем ученые объединились с Деборой Френч Маккей, всемирно признанным специалистом по моделированию разливов нефти из RPS ASA, консалтинговой фирмы в области науки и технологий в Род-Айленде. Они смоделировали условия, которые могли возникнуть во время разлива Deepwater Horizon, в том числе различные скорости ветра и уровни солнечного света. Потом наложили все 412 реальных траекторий самолетов, распылявших диспергенты во время кризиса.
Результаты показали, что при среднем ветре и солнечном свете большинство применений диспергентов не достигли бы минимального уровня эффективности (установленного EPA), поскольку они были нацелены на фотохимически выветрелую нефть. Даже при наилучших сценариях распыления диспергентов с воздуха - облачной погоде (которая ограничила бы фотохимическое выветривание) и условиях сильного ветра (который унесет нефть дальше от места разлива до того, как солнечный свет трансформирует ее) - десятки применений диспергентов с воздуха все равно не дадут результатов. достигли уровней эффективности, установленных Агентством по охране окружающей среды.
"Мы собрали команду, которая объединила опыт научных кругов, правительства и промышленности", - объяснил Кристофер Редди, морской химик из WHOI. «В будущих кризисах, связанных с разливами нефти, сообществу потребуется такое же сотрудничество и сотрудничество, чтобы эффективно принимать самые мудрые решения о том, как реагировать наиболее эффективно».
«Это исследование показывает, насколько важно проводить самые фундаментальные исследования химических реакций, происходящих в окружающей среде», - сказала Генриетта Эдмондс, программный директор Отделения наук об океане Национального научного фонда, который финансировал исследование. исследовательская работа. «Результаты помогают нам узнать, как эффективно реагировать на разливы нефти».