ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Wpływ wiatru na zjawisko sedymentacji w przybrzeżnych obszarach zbiorników wodnych

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE EXPLO-SHIP 4 Marcin Krogulec Wpływ wiatru na zjawisko sedymentacji w przybrzeżnych obszarach zbiorników wodnych Słowa kluczowe: sedymentacja, zawiesiny, siła wiatru, średnica Fereta i Martina Na koncentrację zawiesin w wodzie morskiej wpływa wiele czynników. Są to między innymi: odległość od ujścia rzeki, budowa geologiczna brzegu i dna morskiego, kierunek i prędkość prądów pływowych i dryfowych oraz stopień sfalowania morza. Przedstawiono wyniki badań pokazujące wpływ siły wiatru na zjawisko sedymentacji w przybrzeżnych obszarach zbiorników wodnych. The Effect of Wind on the Sedimentation in Offshore Areas of Water Reservoirs Key words: sedimentation, suspensions, wind force, Feret s and Martin's Diameter There are many factors which influence the concentration of suspension in sea water. These includethe distance from the estuary, geological structure of the shore and seabed, direction and speed of tidal current and drift, as well as wave height. The results of research presented in the article show the effect of the wind force on the sedimentation in offshore areas of water reservoirs. 393

2 Marcin Krogulec Wprowadzenie Zawiesiny występujące w wodzie morskiej są jednym z głównych składników zanieczyszczeń. Ze względu na pochodzenie zawiesin, dzieli się je na dwie podstawowe grupy: zawiesiny organiczne pochodzenia biologicznego, zawiesiny nieorganiczne pochodzenia mineralnego. W skład zawiesin organicznych zalicza się: zooplankton, fitoplankton, grzyby, bakterie oraz produkty rozkładu organizmów morskich. Natomiast w skład zawiesin nieorganicznych wchodzi wiele rodzajów cząsteczek mineralnych pochodzących z kruszenia skał, pyłów atmosferycznych, pyłów kosmicznych, pyłów wulkanicznych, a także rumowiska unoszonego przez rzeki do morza [6]. Obecność zawiesin w wodzie morskiej ma duży wpływ na szereg zjawisk fizycznych, chemicznych i biologicznych. Prędkość opadania zawiesin wpływa na procesy fizykochemiczne i biochemiczne zachodzące w morzu, a tym samym na żyzność akwenów [2]. Cząsteczka znajdująca się w wodzie jest poddana działaniu zarówno siły grawitacji, jak i siły wyporu. W przypadku, gdy siła grawitacji jest większa niż siła wyporu, cząsteczka zaczyna opadać na dno. Zjawisko takie nazywamy procesem sedymentacji. Szybkość, z jaką cząsteczki opadają na dno zależy od ich wielkości i kształtu, od lepkości ośrodka dyspersyjnego oraz od różnicy gęstości między fazą rozproszoną i ośrodkiem dyspersyjnym. Na ruch zawiesin ma także wpływ ich koncentracja, ponieważ przy dużym zagęszczeniu dochodzi do oddziaływania między zawiesinami, co opóźnia ruch cząsteczek w kierunku dna. Zjawisko sedymentacji zawiesin kulistych opisuje prawo Stokesa. Kiedy zawiesina porusza się ruchem jednostajnym podczas opadania w dół, doznaje oporu T ośrodka o wartość: gdzie: η lepkość ośrodka, a promień zawiesiny, υ prędkość ruchu. T = 6πηaυ (1) Prawo sedymentacji, przy równowadze sił działających na zawiesinę, można przedstawić w następującej postaci: P Pw = T (2) 394

3 Wpływ wiatru na zjawisko sedymentacji w przybrzeżnych obszarach zbiorników wodnych gdzie: 4 3 P = πa gρ wartość siły grawitacji, Pw = πa gρw wartość siły wyporu, 3 w których: g przyspieszenie ziemskie, ρ gęstość zawiesiny, ρ w gęstość wody. Stąd prędkość ruchu zawiesiny wynosi: ( ρ ρ ) 2 2 w a g υ = (3) 9η Dla cząsteczek o różnorodnych kształtach prawo Stokesa jest prawem przybliżonym i wówczas a oznacza połowę średnicy Fereta (promień Fereta) [2, 3]. W morzu występuje ciągły ruch mas wodnych, który opóźnia proces sedymentacji. Ciągłe mieszanie się mas wodnych w kierunku pionowym również przyczynia się do zakłócenia procesu sedymentacji. W wodach przybrzeżnych występują przeważnie zawiesiny pochodzenia rzecznego, z erozji brzegów, z rzutów przemysłowych i skupisk miejskich. Na koncentrację tego typu zawiesin ma wpływ wiele czynników. Są to między innymi: odległość od ujścia rzeki, budowa geologiczna brzegu i dna morskiego, kierunek i prędkość prądów pływowych i dryfowych oraz stopień sfalowania morza [4, 5]. 1. Metoda pomiarowa Ze względu na nieograniczone możliwości rozdrabniania mechanicznego cząsteczek, dolna granica rozmiarów zawiesin morskich jest sprecyzowana tylko w sposób umowny. Analizując liczebność cząsteczek znajdujących się w wodzie, należy ustalić pewne granice ich rozmiarów. W związku z tym trzeba w sposób ścisły sprecyzować parametr rozmiaru cząsteczki. Ponieważ kształty zawiesin morskich są nieregularne i nie można określić ich średnic w dosłownym znaczeniu, stosuje się w tym celu średnice zastępcze (rys. 1). Badając cząsteczkę pod mikroskopem, widać tylko rzut przypadkowo ustawionej cząsteczki na płaszczyznę. Jako średnicę cząsteczki można wówczas przyjąć odległość między dwoma stycznymi do obrysu rzutu cząsteczki, które są prostopadłe do podstawy mikroskopowego obrazu średnica Fereta, lub też przyjąć długość odcinka prostej równoległej do podstawy obrazu, przecinającej 395

4 Marcin Krogulec powierzchnię rzutu cząsteczki w połowie jej wysokości średnica Martina. Stosując do badań rozmiarów zawiesin elektroniczną technikę konduktometryczną za pomocą licznika Coultera, jako średnicę zastępczą cząsteczki o nieregularnych kształtach przyjmuje się średnicę kuli o takiej samej objętości, jaką ma badana cząsteczka. Średnicę d takiej cząsteczki można obliczyć ze wzoru (4): 6V π gdzie V jest objętością badanej cząsteczki [1]. d = 3 (4) h a b Rys. 1. Średnice zastępcze: a średnica Martina, b średnica Fereta, h wysokość cząsteczki Fig. 1. Replaceable diameters Pomiarów ilości cząsteczek dokonano metodą mikroskopową. Woda morska wraz z dennym osadem była pobierana do szczelnie zamykanych pojemników. Bezpośrednio po przywiezieniu próbki do laboratorium, pobierano z niej pipetą wodę, którą poddawano badaniu mikroskopowemu. Do tego celu używano mikroskopu Polskich Zakładów Optycznych MP3, który ma ekran o średnicy 19,5 cm i ruchomą podziałkę. Z jednej próbki wody wykonywano 50 pomiarów. Każdy z nich polegał na zliczeniu ilości cząsteczek o średnicach Fereta od 1 µm do 5 µm. Siłę wiatru w trakcie badań mierzono wiatromierzem WSC 888 H, którego minimalna rozdzielczość pomiarowa wynosiła 0,6 km/h dla pomiarów 0 20 km/h oraz 1 km/h dla pomiarów km/h. 2. Opracowanie pomiarów i wnioski Badania przeprowadzono w okresie od 22 stycznia do 1 maja 2 roku, dokonano pomiarów siły wiatru oraz zawartości zawiesin w przybrzeżnych punktach Zatoki Pomorskiej. Rysunek 2 przedstawia zawartość cząsteczek 396

5 Wpływ wiatru na zjawisko sedymentacji w przybrzeżnych obszarach zbiorników wodnych o średnicach od 1 do 5 µm, w pięciu różnych pomiarach, w jednym punkcie pomiarowym w Międzyzdrojach. Krzywe 1 i 2 odzwierciedlają rozkład zawiesin podczas bardzo słabego wiatru (2 3 km/h), a krzywe 4 i 5 podczas silnego wiatru (50 i 55 km/h). Krzywa 3 obrazuje rozkład zawiesin przy wartości wiatru 30 km/h. Rysunek 3 podaje zależność ilości cząsteczek o średnicy 1 µm od siły wiatru dla pięciu różnych pomiarów dokonanych w jednym punkcie pomiarowym w Międzyzdrojach. Rysunki 4, 5 i 6 przedstawiają tę samą zależność, co rysunek 3, dla pozostałych punktów pomiarowych (Wisełka, Międzywodzie i Dziwnów) rozmiar cząsteczek w mikrometrach Rys. 2. Rozkład dyspersyjny zawiesin przy różnej sile wiatru Fig. 2. Dispersal distribution of suspensions at different wind forces Rys. 3. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Międzyzdroje) Fig. 3. Molecule quantities versus wind force (Międzyzdroje) 397

6 Marcin Krogulec Rys. 4. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Międzywodzie) Fig. 4. Molecule quantities versuswind force (Międzywodzie) Rys. 5. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Wisełka) Fig. 5. Molecule quantities versus wind force (Wisełka) Rys. 6. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Dziwnów) Fig. 6. Molecule quantities wind force (Dziwnów) 398

7 Wpływ wiatru na zjawisko sedymentacji w przybrzeżnych obszarach zbiorników wodnych Z wykonanych pomiarów i obserwacji wynika, iż wiatr ma znaczący wpływ na koncentrację zawiesin w wodach przybrzeżnych, a na podstawie wykresów można stwierdzić, że im większa jest siła wiatru, tym mniej zawiesin znajduje się w warstwie przydennej morza. Widoczna więc jest wyraźna korelacja pomiędzy siłą wiatru, a koncentracją zawiesin w przydennej części akwenu. Wynika to stąd, że wraz ze wzrostem siły wiatru wzrasta stopień sfalowania morza, a co za tym idzie wzrasta intensywność mieszania się wody. Powoduje to podrywanie do góry osadzonych na dnie, w procesie sedymentacji zawiesin, a także spowolnienie opadania cząsteczek na dno. Tak więc siła wiatru w istotny sposób zmienia prędkość ruchu zawiesin opisaną wzorem (3). W podsumowaniu można stwierdzić, że siła wiatru jest jednym z głównych czynników wpływających na proces sedymentacji zachodzący w przybrzeżnych obszarach mórz. Odnosi się to do niedużej głębokości obszarów, na których wiatr poprzez oddziaływanie na powierzchnię wody, może odgrywać istotną rolę w mieszaniu się całej jej objętości. Literatura 1. Dera J., Fizyka morza, PWN, Warszawa Gurgul H., Molekularna fizyka morza z elementami ochrony środowiska, Wyd. Naukowe Uniwersytetu Szczecińskiego, Szczecin Gurgul H., Układy dyspersyjne w morzu, Wydawnictwo Naukowe US, Szczecin Krogulec M., Rozkłady dyspersyjne zawiesin w procesie sedymentacji dla wybranych punktów pomiarowych Zatoki Pomorskiej, Materiały konferencyjne: Problemy fizyczne ekologii wód naturalnych, tom 1, Szczecin Pempkowiak J., Substancje organiczne w wodzie Morza Bałtyckiego. Woda bałtycka, jej skład i właściwości. Studia i Materiały Oceanologiczne nr 17, Romanowsky V., Physique de l'ocean, Paris Recenzenci dr hab. inż. Ryszard Getka, prof. PS prof. dr hab. Yury Kravtsov Wpłynęło do redakcji w lutym 4 r. Adres Autora mgr Marcin Krogulec Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Matematyki, Fizyki i Chemii ul. Wały Chrobrego 1/2, Szczecin 399