오일 분산제의 난해한 물리학

2010 년 4 월 30 일, 폭발 사고 10 일 후 루이지애나 해안 근해 시추 플랫폼 인 Deepwater Horizon이 파괴 되어 미국 역사상 최악의 기름 유출 사고가 일어났습니다. 우물 주인 인 British Petroleum은 원격 조종 잠수함 1,500 대를 보냈습니다 멕시코만의 바닥까지 미터. 차량이 분당 6,000 리터 이상의 유분을 분출하는 부러진 유역에 도착하면, 분출하는 깃털에 킬로미터 길이의 호스 끝을 붙이고 분산제를 펌핑하기 시작했습니다. 탄화수소를 작은 액적으로 이 깃털에 궁극적으로 약 300 만 리터의 화학 물질을 주입하는 것이 캠페인의 시작이었습니다.

그 깊이에서 분산제를 사용하는 것은 주사위 굴림이었다. 화학 물질은 다양한 수준의 성공을 거둔 표면 유분 슬릭에 사용되었지만 결코 춥고 깊은 물에는 사용되지 않았습니다. 아무도 그들이 해양 생태계, 연안 어업 또는 심지어 기름 그 자체에 어떤 영향을 미칠지 확신 할 수 없습니다. 반응자들은 주입이 의도 한대로 작동하고 생성 된 기름 방울이 걸프의 많은 석유를 먹는 박테리아에 의해 표면에 묻히지 않고 소모 될 수 있기를 바랄뿐입니다.

그래서 그것은 효과가 있었습니까? 그것은 당신이 누구에게 묻 느냐에 달려 있습니다.

지난 8 년간 Deepwater Horizon 사건과 그 여파를 연구 한 많은 사람들을 보냈던 FL의 Coral Gables에있는 마이애미 대학의 기계 엔지니어 인 Tamay Özgökmen은 석유 회사는 분명히 그렇게 생각한다고 말한다 . 이 회사는 방독면없이 마침내 작업 할 수있는 기름 틈새 청소 요원과 기름이 표면에 도달하지 않았 음을 암시하는 항공 사진에 대해 독성 증기가 급격히 떨어지는 것을 지적합니다. 그래서 회사의 관점에서 볼 때 Özgökmen은 심해저 분산제가 표준 운영 절차로의 필사적 인 움직임에서 벗어났습니다. "그들은 미래의 기름 유출에 대비하고 있습니다."라고 그는 말합니다.

국립 과학 아카데미 해양 과학위원회 (National Academy of Sciences)의 해양 과학위원회는 동의하는 경향이있다. 4 월 5 일에 발표 된 합의 초안 보고서에서위원회의 유출 - 분산제 사용에 대한 결론은 그렇다. 심해 주입은 일반적으로 석유를 분산 시키는데 효과적이었다 탄화수소가 박테리아를 쉽게 소화 시키며, 표면의 기름이 근처 해안에서 오염되는 것을 방지하고 유해한 유류 관련 화학 물질에 대한 노출을 완화하여 작업자 안전을 향상시킵니다 ( 1 ).

그러나이 보고서와 분산제의 효과를 연구하는 많은 연구원들은 많은 불확실성을 강조했습니다. 거대한 심해 분산제의 이점은 과학자들 사이에서 여전히 치열한 논쟁 거리입니다. 그리고 위험은 심지어 더 약합니다. 분산제는 그 자체만으로도 단기간의 위험을 크게 초래하지 않습니다. 그들은 인간의 타는듯한 눈과 기침보다 더 많은 것을 생산하며 Deepwater Horizon 바로 근처를 제외하고는국립 과학 아카데미 (National Academy of Sciences)의 보고서에 따르면, 수면에 사는 바다 생물에 대한 급성 독성 역치에 도달 한 적이 결코 없다고 결론 지었다. 그러나 생물 학자들은 수백만 리터의 물질과 알려지지 않은 양의 원유를 독소와 발암 물질로 묶어 인간과 생태계의 건강에 장기적인 위협을 가하고있다.

그것의 근본은 신비입니다 : 기름은 실제로 어디로 갔고, 분산제는 그 움직임에 어떻게 영향을 미쳤습니까? 유역이 2010 년 7 월 15 일에 마침내 끝나기 전에 7 억 6 천만 리터의 석유를 방출했으며 그 중 25 %가 유추되지 않았습니다.

확실한 해답은 찾기 힘들지만, 연구자들이 오일, 물 및 분산제의 실제 물리학을 연구 한 이래로 주요 단서가 수년 동안 나타났습니다. 그들은 재해 발생시 기록 된 데이터를 분석하고 재분석하고 연구실에서 유적 형성 (분산제 유무에 관계없이)을 연구하고 걸프만의 첨단 기술 부표로 전류를 추적하며 수많은 컴퓨터 시뮬레이션을 구성했습니다. 연구원들은 유역에서 일어난 깊은 바다 깃털에서 석유에 일어난 일에 대해 그들이 한 번했던 것보다 훨씬 더 많이 알고 있습니다. 기름이 햇빛, 바람 및 파도와 어떻게 상호 작용하는지 표면에 퍼지면서 그것과 어떻게 상호 작용했는지; 그리고 분산제가 정확히 어떤 역할을했는지.

그리고 2018 년 6 월 연구원 들은 뉴저지의 거대한 바닷물 탱크에서 현재까지 Deepwater Horizon 유출 의 가장 큰 실험 시뮬레이션을 시작했습니다 . 2019 년 7 월에 두 번째 일련의 실험으로 결론 지을 2 단계 실험에서, 과학자들은 규모와 속도가 모두를 필요로하는 재난으로 인한 마지막 불확실성 중 일부를 줄이기 위해 데이터 모음을 수집 할 것입니다.

공기 - 바다 경계면의 실제 화학 및 물리학은 그것이 얻는 것만 큼 복잡합니다. 예를 들어 유출 된 기름이 표면에 부딪 치자 마자 햇볕에 굽기 시작하여 휘발성 화합물을 끓여서 분산제 작용에 저항하는 타르 (tarry) 쓰레기로 변하면서 거의 절반의 볼륨을 잃어 버리게됩니다 ( 2). 연기는 Deepwater Horizon 청소원 에게 나쁜 소식이었습니다 . 가스가 화재의 위험뿐만 아니라 알려진 발암 물질 인 벤젠의 허용 노출 수준의 약 40 배를 포함했습니다. 그 사고에서 석유의 25 % 정도가 이런 식으로 증발 된 것으로 보인다.

또한 워싱턴 시애틀 대학의 해양 학자 인 에릭 다사로 (Eric D' Asaro)는 바다의 표면이 빗물의 웅덩이처럼 보이지 않는다고 설명합니다. 그것은 움직이고, 서지를 흘리고, 물결 친다. 파동과 해류가 끊임없이 산산이 부서져 기름 슬릭을 다시 물방울로 떨어 뜨리고 물체를 다시 끌어 내린다고 그는 말했습니다. "올라가고 내리는 것들 사이의 균형이 이루어질 때까지."가장 작은 물방울이 가장 깊게 퍼집니다. 누가 환경 친화적 탄화수소 운송에 관한 선진 연구 컨소시엄 (CARTHE)의 회원인가. 이것은 이른바 오일 슬릭 (oil slick)이 실제로는 10 미터까지 확장되는 오일 방울의 두꺼운 층이라는 것을 의미합니다.

분산제는 (참조 복잡성의 또 다른 수준을 추가 그림. 1 ), 멕시코 연구 이니셔티브의 걸프에 의해 투자 컨소시엄으로부터 자금 이러한 화학 물질의 효과를 연구 조셉 카츠, 볼티모어 존스 홉킨스 대학의 기계 엔지니어는 말한다, 이는 CARTHE에게 별도로 자금을 제공합니다. 그는 실험실 웨이브 탱크를 사용하여 오일 슬릭을 도입 한 다음 브레이커가 물방울의 수중 구름 속으로 슬릭을 부수기 때문에 레이저 및 현미경 시스템을 감시합니다.

Katz는 "분산제가 없으면 크기 분포가 이해할 수있는 것으로 나타났습니다."즉, 물방울은 유체에 의해 소산되기 전에 난류 맴돌이가 얻을 수있는 크기만큼 약 100 마이크로 미터 이하의 크기를 나타 냈습니다 점도. "분산제를 사용하면 분포를 예측할 수 없었습니다."라고 그는 말합니다. 그는 100 마이크로 미터의 컷오프 대신 1 마이크로 미터의 작은 물방울을 보았습니다 ( 3 ).

Katz는 더 자세히 살펴보면 오일과 물 사이의 표면 장력을 낮추는 분산제가있는 상태에서 방울들이 모든 종류의 나사산과 꼬리를 개발하고 있다고 말했습니다. "그들은 정자 세포처럼 보입니다."라고 그는 말한다. 실제로, 분산제는 미세 방울을 생성하기 위해 파산 될 때까지 더 길어지고 길어질 꼬리에 집중되어있었습니다.

표면 위의 Katz는 분산제가 공기 중에 떠 다니는 초 미세 유적의 농도를 100 배 증가시키는 것을 발견했습니다 ( 4 ). 이러한 떠있는 작은 물방울이 어떻게 거품이 튀어 오르는 지에 대해서는 명확하지 않지만, 그들의 존재는 새로운 건강 문제를 야기합니다. 사람들이 기름에서 독소와 발암 물질로 가득 차서 너무 작아서 폐 깊숙이 침투 하는가? "문학으로 가면 우리는 많이 알지 못합니다."라고 카츠는 말한다.

더 복잡한 것은 해변의 커다란 립실에서부터 커다란 루프 전류 (Loop Current) : 유카탄 반도와 쿠바 사이에 떠오르는 강력한 흐름, 걸프만 주변을 어지럽고 힘들게 방황하는 등 모든 규모의 걸프만을 휘몰아 치는 흐름입니다. 예측할 수있는 길을 찾다가 마침내 쿠바와 플로리다를지나 걸프 스트림이됩니다. 심해 지평선 사건 중 하나의 악몽 시나리오 는 루프 전류가 퍼지는 유분을 포획하여 플로리다 또는 동해안의 좋은 덩어리를 오염시킬 수 있다는 것입니다. 이것이 발생하지 않았다는 것은 순전히 운의 뇌졸중이었습니다. 루프 전류는 사고 당시에 Deepwater Horizon 현장의 남쪽으로 흐르고 있었고 석유를 해안에 상대적으로 가깝게 유지하는 거대한 소용돌이를 뽑는 과정에있었습니다.

그러나 이것은 심해 호라이즌 오일 의 운명 이 잘 이해되지 못하고 작은 규모의 흐름을 겪고있다는 것을 의미합니다 . 2012 년 8 월에 CARTHE 회원은 그 유적을 유행과 함께 드리프트하도록 설계된 317 개의 주문 제작 수레로 파열 지역에 파종시킨 실험에서 GLGA (Grand Lagrangian Deployment)와의 유례없는 세부 사항으로 그 흐름을 매핑하고자했습니다. GPS를 통해 10 일 동안 ( 5 ). GLAD는 컨소시엄이 Lagrangian submesoscale 실험 (LASER) ( 6 ) 에서 1,000 명 이상의 표류자를 추적 한 2016 년 초까지 실시 된 가장 큰 실험입니다 .

두 경우 모두, D' Asaro가 말하길, 표류 경로는 전류를 매우 분명하게 보여주었습니다. 그러나 놀랍게도 그는 "때로는 표류하는 사람들이 함께 모이는 장소가 있다는 것을 알았습니다."- 전형적으로 다른 밀도의 물 사이의 교차점에서.

하나의 반복적 인 사례가 미시시피 강 입구에 있다고 그는 말합니다. "담수 팬이있어 바다의 바닷물과 경계가 뚜렷합니다."소금물이 무거워서 밑으로 잠기고 떠 다니는 물건을 모을 수있는 "정면"을 만듭니다.

D' Asaro는 기름 유출 기간에 좋은 소식이나 나쁜 소식이 될 수 있다고 말합니다. "짠쪽에 기름이 묻어 있으면 해안에 닿지 않아야합니다. 그러나 정면이 해안을 가로 지르면 그것은 오일의 도관이 될 것입니다. "어느 쪽이든, 모델러는 미래의 기름 유출에서 정화하는 승무원이 선택할 수있는 최상의 장소를 알 수 있도록 이러한 전선을 예측하는 법을 배울 필요가 있다고 덧붙입니다 물건.