Аннотация:
Загрязнение Мирового океана микропластиком пристально изучается научным сообществом в последние десятилетия. На данный момент существует проблема недостаточности знаний и экспериментальных исследований в области динамики частиц микропластика в морской и пресноводной среде, необходимых для понимания его транспорта и возможных путей стока. Проект направлен на экспериментальное исследование процесса осаждения микропластика и изучение влияния формы частиц на характер их динамики. Впервые будет проведён анализ движения микропластика в условиях конвективного перемешивания. План работ по проекту включает в себя проведение экспериментов с частицами микропластика сложных форм, встречающихся в морской среде (пленки, волокна, фрагменты) в условиях различного потока плавучести и сравнение данных с полуэмпирическими зависимостями скорости осаждения от размера частицы, имеющимися в литературе. По результатам проекта будут предложены наиболее подходящие аппроксимации скорости осаждения микропластика, которые впоследствии могут быть использованы как для оценки значений, характерных для естественных условий, так и в задачах численного моделировании транспорта микропластика в локальном и глобальном масштабе. Экспериментальные данные по осаждению микропластика являются отправными для параметризации процессов биообрастания и флоккуляции, расчета времени жизни частиц в толще вод.
Результаты:
В первый год реализации Проекта были проведены экспериментальные работы, направленные на исследование осаждения частиц микропластика (мелкие частицы пластика, 0.5-5 мм; МП) плоской формы и волокон в стационарных условиях. Предположительно к плоским фрагментам может относиться большая часть МП в Мировом океане, поскольку они образуются из упаковочного материала, стенок различных емкостей – к которым относится большинство объектов, производимых из пластика для массового потребления (порядка 40%, [PlasticsEurope, 2018]). По многим натурным наблюдениям в различных акваториях Мирового океана и в различных частях морской среды волокна являются одним из самых распространенных типов микропластика [Barrows et al., 2018]. Было подготовлено 9 наборов плоских частиц различной плотности, толщины и гибкости, и 11 наборов тонких волокон разной длины. Всего было проведено 83 тестовых и 32 верификационных измерения предельной скорости осаждения плоских частиц и 74 эксперимента с волоконами. Видеорегистрация процесса осаждения позволила запечатлеть сложный характер вторичных движений плоских частиц и особенности осаждения тонких волокон. На основе ранее опубликованных и экспериментальных данных получена аппроксимация скорости осаждения плоских частиц МП, средняя ошибка аппроксимации по сравнению с экспериментальными значениями варьировала от 9% до 35% для разных наборов плоских частиц. Расчетный диапазон предельной скорости осаждения плоских пластиковых частиц в диапазоне размеров и плотностей МП составил от 0.04 до 226 мм/с. В ходе экспериментов с волокнами наблюдался большой разброс значений скорости осаждения для частиц одной длины, что может свидетельствовать о присутствии турбулентных пульсаций в столбе жидкости. Для параметеризации осаждения волокон длиной 0.5-5 мм предлагается использовать полученное среднее значение скорости осаждения, 1.4 мм/с.
Во втором блоке экспериментов были проведены качественное описание и видеорегистрация движения волокон и количественная оценка значений скорости их движения в условиях дестабилизирующего потока плавучести, вызванного подогревом снизу. Волокна, имеющие отрицательную плавучесть, демонстрировали разнонаправленные движения (оседание, всплытие, перемещение в горизонтальном направлении) со скоростями от 0,9 до 6,9 мм/с. При этом конвективное перемешивание не оказало значительного влияния на характер движения плоских частиц и их скорость. Частицы продолжали оседать со скоростями, близкими к наблюдаемым в стационарных условиях. Результаты проекта и количественные оценки могут иметь непосредственно приложение в разработке и верификации численных моделей переноса микропластика в морской среде.
Видео файлы лабораторных экспериментов были размещены на международной площадке хранения и индексации научных данных figshare с присвоением DOI (файлы открыты и бесплатны для просмотра/скачивания):
Оседание плоских частиц и волокон (плоские частицы и волокна, 2019 г.), https://figshare.com/collections/Microplastics_settling/4886211; DOI https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4886211
Оседание волокон в условиях конвекции, эксперимент 1 2020 г., https://figshare.com/collections/Microplastics_settling_convection_experiment_1/4886220; DOI https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4886220
Оседание волокон в условиях конвекции, эксперимент 2 2020 г., https://figshare.com/collections/Microplastics_settling_convection_experiment_2/4906203; DOI https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4906203
