Garbage in the ocean as a factor of climate change

_{Участник нашего проекта, ученый Павел Николаевич Сухонин, нашел взаимосвязь между загрязнением океана и изменением климата, в частности — изменением выпадения осадков и появлением штормов, ураганов и торнадо. Кстати сказать, его исследования объясняют и аномалии погоды, связанные с так называемым Саргассовым морем — местом плотного развития водорослей — саргасс, известного нам по сообщениям о «Бермудском треугольнике».}

 

Сухонин П.Н.

Массированное загрязнение мирового океана началось с тех времен, когда изобрели пластик. Несмотря на полезность данного типа продукта в промышленности и в быту, это «достижение цивилизации» в естественных природных условиях разлагается более ста лет (с учётом содержания ГCC этот срок достигает миллионов лет) и, выброшенное в море, оно, благодаря океанским течениям, сбивается в огромные острова.

Если в конце XX века содержание мусора в воде оценивалось в 400 г/км², то к 2015 г. его было уже 1230 г/км². Количество мелких частиц оценивается более чем в триллион, а на крупные приходится 93% общей массы. В общей сложности эта токсичная для океана масса составляет не менее 79 млн тонн. Размер центра  самого крупного мусорного пятна оценивается в миллион кв.км., а периферия распространяется ещё на 3,5 млн. кв.км.
 

Зоны скопления мусора в океане, выявленные со спутников

Антропогенное воздействие на водные ресурсы планеты имеет целый ряд взаимосвязанных последствий, влияющих на глобальное изменение климата. Однако наиболее значимыми в негативном для климатического баланса процессе выступают следующие факторы:

1. Уменьшение площади испарения в районе мусорных пятен
2. Изменение силы поверхностного натяжения морской воды
3. Изменение ХПК воды 
4. Изменение электрического заряда воды и изменение процесса тучеобразования
5. Изменение редокс-потенциала воды в океане
6. Изменение электрического сопротивления воды и формирование электромагнитных вихревых полей

1. Уменьшение площади испарения

В океане испарение происходит при любой темпе¬ратуре, однако с повышением температуры воды скорость испарения возрастает. Чем выше температура - тем больше быстро движущихся молекул имеет достаточную кинетичес¬кую энергию, чтобы преодолеть силы притяжения соседних частиц и вылететь за пределы воды. Скорость испарения зависит от площади: чем больше площадь свободной поверхности жид¬кости, тем большее количество молекул одновременно вылетает в воздух. Средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. Это значит, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшает¬ся, жидкость охлаждается. Плавающий на поверхности мусор (особенно в пятнах мусора в океане) значительно уменьшает поверхность испарения. Если ранее в данной части океана за счет процесса испарения происходил процесс уменьшения температуры воды, то в настоящий момент данный процесс отсутствует.

Выводы: 

• • При наличии плавающего мусора нарушается естественный баланс океан/атмосфера сложившийся за миллионы лет, при котором:
• • Температура воды океана в пятнах стремится к увеличению;
• • Площадь испарения уменьшилась минимум в 100 раз, что значительно уменьшило количество испаряемой воды (увеличение температуры пока незначительно).

2. Изменение силы поверхностного натяжения

Известно, что при Т=20 С0 поверхностное натяжение водного раствора хлорида натрия (основной компонент морской воды) составляет  85 х 10 -3 Н/м2; следовательно в районах мусорных пятен

Исходя из таблицы, фактическую испаряемость воды в мусорных пятнах по изменению силы поверхностного натяжения можно ориентировочно вычислить с учетом уменьшения поверхности испарения.

Молекулы пара, находящиеся вблизи поверхности жидкости, могут притягиваться ее молекулами и вновь возвращаться в жидкость. На поверхности жидкости всегда происходят оба процесса: испарение и конденсация. Снижение силы поверхностного натяжения приводит к укрупнению частиц испаряемой воды (пара), что позволяет предположить их слабую «летучесть».

3.    Изменение ХПК воды 

ХПК – химическое потребление кислорода. Значение ХПК включает в себя суммарное содержание в жидкости органических веществ в объеме израсходованного связанного кислорода на их окисление. ХПК – это количественный показатель, который относится к наиболее информативным и подробным – это общий показатель загрязнений вод.

При разложении пластика и иных компонентов органической химии в соленую воду перереходят сложноорганические и, как правило сложноокисляемые вещества и их молекулы, что приводит к увеличению ХПК как минимум в десятки, а то и сотни раз за счет увеличения РОВ (растворенные органические вещества). В океанской воде в районе мусорных пятен протекают реакции окисления с поглощением растворенного в воде кислорода.

Это приводит к следующим явлениям:

• • Отсутствие биологической жизни в воде с высоким ХПК (фито и зоопланктон)
• • Исключение участка океана из процесса выделения кислорода в атмосферу (легкие планеты)
• • Поглощение кислорода из атмосферы, в результате чего образуется химическая (по кислороду) депрессионная воронка.
• • Увеличению электрического сопротивления воды (снижение электропроводности)
• • Формирование условий, при которых система океан/атмосфера стремиться восполнить недостаток кислорода (данные условия не изучены, но априори вызывают некий направленный поток молекул кислорода в воздухе).

4. Изменение электрического заряда воды и изменение процесса тучеобразования

Из многочисленных мезометеорологическнх процессов наиболь¬шую роль в атмосфере играет конвекция, она сопро¬вождается образованием кучевых и кучево-дождевых облаков. Из кучево-дождевых облаков выпадает значительная доля осад¬ков в умеренных широтах и преобладающая — в экваториально- тропических. Свободная конвекция, то есть мак¬симальная высота подъема частиц воды, испарившихся с поверхности, соответствует уровню, на котором пло¬щади «положительной» и «отрицательной» областей становятся равными друг-другу. Это возникает в тех случаях, когда страти¬фикация (вертикальное расслоение) атмосферы неустойчива. 

По высоте основания различают облака нижнего яруса (ниже 2 км), среднего яруса (2÷6 км) и верхнего яруса (выше 6 км). По фазовому строению различают облака: водяные (капельные), ледяные, или кристаллические, и смешанного строения. 

При фазовых превращениях пар–лед, пар–вода наблюдается разделение электрических зарядов, которому приписывается немаловажная роль в процессе образования атмосферного электричества. Еще в 1770_х гг. А. Вольта демонстрировал опыт, который доказывал, что электричество возникает “от простого испарения воды” и что пары при этом заряжаются положительно. Повторяя опыты А. Вольты и разнообразя их, Т. Кавалло установил, что величина заряда тем выше, чем интенсивнее испарение (Cavallo, 1779). Кроме того разность температур, приложенная к границам некоторой системы, способна генерировать в ней электрический ток (эффект Зеебека). Протоны и гидроксид-ионы возникают в паре благодаря тепловой ионизации молекул воды, а также поступают в пар из воды при межфазном обмене частицами. Их концентрация, исходя из опытного значения электропроводности  σ = 10–13 Ом–1⋅м–1 и значения коэффициента диффузии D = 10–7 м2⋅с–1 [Бабичев и др., 1991], может составлять Nпар = (σ/D)(kT/e2) = 1,5⋅1011 м–3, где k – постоянная Больцмана; T – температура, К; e – заряд электрона.

Выводы:

• • Межфазное разделение электрических зарядов при испарении с поверхности водного состава с высоким значением ХПК происходит на носителях заряда – гидроксид-ионах, что обеспечивает положительный заряд воды при испарении. 
• • Положительно заряженные частицы воды (пар) имеют низкую кинетическую энергию (скорость подъема), что обеспечивает формирование в основном нижнего яруса облаков (ниже 2 км), которые не способны перемещаться на большие расстояния.
• • Происходит изменение карты выпадения осадков. Особенно это касается районов, в которых за осадки отвечали ранее свободные от мусора а теперь загрязненные части океана. То есть там, где ранее были дожди – становится сухо, а там, где ранее преобладали засухи – выпадают осадки. 

5. Изменение редокс-потенциала (Eh) поверхностных слоев воды мирового океана.

Факторы формирования Eh: Природные воды содержат в себе разновалентные ионы и нейтральные молекулы одного и того же элемента, которые и составляют отдельную окислительно-восстановительную (о.-в.) систему: Окислительная - Характеризуется значениями Rx > + (100 - 150) мВ (Чистая морская вода имеет ОВП от +100 до +200 мВ), присутствием в воде свободного кислорода, а также целого ряда элементов в высшей форме своей валентности (Fe3+, Mo6+, As5-, V5+, U6+, Sr4+, Cu2+, Pb2+). Переходная окислительно-восстановительная - Определяется величинами Rx от 0 до + 100 мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов. Восстановительная - Характеризуется значениями Rx < 0. Типична для вод, где присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe2+, Mn2+, Mo4+, V4+, U4+), а также сероводород. При том, что верхние слои воды приобретают кислотные свойства, значение редокс-потенциала уменьшается.

Выводы: 

• • Изменение (снижение) редокс-потенциала поверхностных слоев воды мирового океана происходит из-за его антропогенного загрязнения. 
• • Редокс-потенциал в районе мусорных пятен резко уменьшается. Наибольшее воздействие оказывают загрязнения сложноорганическими соединениями, т.к. данный вид соединений не окисляется и в воде проходят в основном восстановительные химические реакции.
• • В районе мусорных пятен формируется разряжение статического заряда, аналогичное депрессионной воронке, что вызывает встречные процессы со стороны океанических течений, которые направлены на восстановление редокс-потенциала воды.

6. Изменение электрического сопротивления воды и формирование электромагнитных вихревых полей

Вихревые токи, или токи Фуко́ — вихревой индукционный объёмный электрический ток, возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.

Поскольку электрическое сопротивление массивного проводника, которым является Мировой океан (чем выше соленость – тем больше проводимость) может быть мало, то сила индукционного электрического тока, обусловленного токами Фуко, может достигать чрезвычайно больших значений.  Так как токи Фуко представляют собой электрический ток в объеме проводника (воды), то за счет объективно имеющегося генератора электромагнитных волн (поле планеты) токи на поверхности становятся сильнее, чем в глубине (скин-эффект). При этом наибольшую устойчивость и длительность жизни будет иметь короткий вихрь, в котором вся энергия сосредоточена в малом объёме. В этом случае меньше энергии будет тратиться на преодоление трения стенок вихря о среду.

Самая удачная геометрическая фигура для такого вихря – это тор. 

В случае рассмотрения данного эффекта в районе мусорных пятен это означает микрочастицы пластика в среде воды. Изменение редокс-потенциала воды, изменяя электрический заряд в сторону отрицательных значений, что совместно с уменьшением электропроводности объёма воды (соленая вода – электролит, а пластик – диэлектрик), создаёт вихревой эффект при котором в соответствии с правилом Ленца формируются токи Фуко в объеме воды (проводника), которые выбирают такой путь, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание. Следовательно графическая модель распределения взвешенных микрочастиц пластика в толще воды должна выглядеть следующим образом:
 

В итоге графическая модель электромагнитного поля в целом мусорных пятен на поверхности океана выглядит следующим образом:

Напряженность геоэлектрического поля на высоте 20 км составляет порядка 130 В/м. Многие стихийные явления природы – это сброс излишков энергии выше определенных увеличений этой напряженности. Все рассмотренные факторы в сумме вносят глобальные изменения в этот относительно сбалансированный процесс, который сформировался за миллиарды лет. Данный дисбаланс в частности выражается в изменении климата, которое происходит в последние 50 лет.

Океанические пятна скопления мусора оказывают наибольшее влияние на регионы:

Дальнейшее увеличение мусора в океанах может вызвать необратимую реакцию (аналогично цепной реакции) по рассинхронизации электромагнитной системы планеты в целом ( при этом нужно учитывать, что есть и иные, промышленные факторы данной проблемы), что однозначно скажется во всех уголках планеты. Наблюдаемое в настоящий момент глобальное изменение климата по причине мусорных пятен в океанах уже в ряде мест вызвали последствия, к которым человечество оказалось не готовым. Основная задача на сегодняшний день – переломить ситуацию и поэтапно начать решать проблему «мусор в океане» пока она не перешла в стадию необратимого процесса.

P.S. 

Из вышеприведенного следует вывод (гипотеза, не противоречащая известным законам физики, но требующая экспериментального подтверждения) о причинах возникновения смерчей/торнадо в различных точках планеты.

Более всего в мире причиной торнадо считают грозу, а точнее грозовые облака, которые формируют быстродвижущиеся потоки воздуха, которые впоследствии образуют воронку, медленно простирающуюся к поверхности земли. При этом во всех источниках утверждается о малой изученности данного явления и значительных разногласиях в среде климатологов.

По мнению автора статьи данный эффект, вызванный токами Фуко позволяет сформировать гипотезу о реальном происхождении смерчей-торнадо, образующихся с постоянной периодичностью в различных точках планеты.

Дело в том, что стандартное и постоянно происходящее природное явление отсоединения массивных глыб льда от ледников, известное как «айсбергообразование», даёт аналогичный эффект вследствие того, что, перемещаясь в более теплые климатические зоны, за счет таяния айсберга, вокруг него образовывается достаточный объем пресной воды, который изменяет редокс-потенциал, силу поверхностного натяжения и резко снижает её электропроводность. Это приводит к образованию вихревых воронок в электромагнитном поле в районе айсберга, имеющих форму тора. Чем больше айсберг – тем больше образующийся тор. Через определенное время наступает эффект, аналогичный эффекту насыщения при котором происходит некий «отрыв» данного энергетического вихря от конкретной географической точки. Электрический пробой между тучами (ионосферой и т.п.)  и земной поверхностью или океанической водой в виде молний (грозы) произошедший в иной точке планеты, по закону сохранения энергии в электромагнитном контуре «Планета Земля» формирует встречный заряд (своего рода компенсационный электромагнитный вихрь) что и приводит к возникновению как ураганов, так и вихревых воздушных смерчей, именуемых «Торнадо». Место точки возникновения «компенсационного вихря» зависит от множества факторов, в том числе астрофизических, например солнечный ветер, а так же гравитационное (приливы-отливы) и электромагнитное воздействие планеты Луна на планету Земля. 

Список литературы

1. Криосфера Земли, 2008, т. XII, № 2, с. 52–59 Механизм межфазной электризации при испарении А.В.Шавлов
2. Шметер С.М. Физика конденсированных облаков. Л., Гидрометеоиздат, 1972, 231 с.
3. Л. А. Кульский, И.Т. Гороновский, А.М. Когановский, М.А. Шевченко Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды , часть 1, Наукова думка , Киев, 1980, 11 с.
4. Robinson, Movement of Air in Electric Wind of Corona Discharge, Transaction AIEE, Comm. and El., 1961, v.80, p.143-150.
5. Физические величины, справочник/ под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, 1991 г.
6. Б.М. Яворский, А. А. Детлаф, Справочник по физике, изд. 2-е, Наука , Москва, 1985г.
7. Чиркова В.Ю., Стась И.Е.  Поверхностное натяжение и скорость испарения. Алтайский государственный университет (Барнаул) 2014
8. Жужа М. М. Вихревые модели в электричестве и магнетизме: Монография / М. М. Жужа. – Краснодар, 2015. – 61 с.