Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - The Effect of Wind on...

ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73)

AKADEMII MORSKIEJ

W SZCZECINIE

Marcin Krogulec

Wpływ wiatru na zjawisko sedymentacji

w przybrzeżnych obszarach zbiorników wodnych

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. Przedstawio-no wyniki badań pokazujące wpływ siły wiatru na zjawisko sedymentacji w przybrzeż-nych obszarach zbiorników wodprzybrzeż-nych.

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 wa-ter. 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 sedimenta-tion in offshore areas of water reservoirs.

Wprowadzenie

Zawiesiny występujące w wodzie morskiej są jednym z głównych składni-ków 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 mineral-nych pochodzących z kruszenia skał, pyłów atmosferyczmineral-nych, pyłów kosmicz-nych, pyłów wulkaniczkosmicz-nych, a także rumowiska unoszonego przez rzeki do mo-rza [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 pro-cesem 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 od-działywania 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:

 a T6π (1) gdzie:  – lepkość ośrodka, a – promień zawiesiny,  – prędkość ruchu.

Prawo sedymentacji, przy równowadze sił działających na zawiesinę, moż-na przedstawić w moż-następującej postaci:

T P

gdzie:  g a P π 3 3 4

 – wartość siły grawitacji,

w

w a g

P π 3 

3 4

 – wartość siły wyporu, w których:

g – przyspieszenie ziemskie,  – gęstość zawiesiny,

w – gęstość wody.

Stąd prędkość ruchu zawiesiny wynosi:





Dla cząsteczek o różnorodnych kształtach prawo Stokesa jest prawem przy-bliżonym i wówczas a oznacza połowę średnicy Fereta (promień Fereta) [2, 3].

W morzu występuje ciągły ruch mas wodnych, który opóźnia proces sedy-mentacji. 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 zawie-sin ma wpływ wiele czynników. Są to między innymi: odległość od ujścia rzeki, budowa geologiczna brzegu i dna morskiego, kierunek i prędkość prądów pły-wowych 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 wo-dzie, 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 dosłow-nym znaczeniu, stosuje się w tym celu średnice zastępcze (rys. 1).

Badając cząsteczkę pod mikroskopem, widać tylko rzut przypadkowo usta-wionej 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

powierzchnię rzutu cząsteczki w połowie jej wysokości – średnica Martina. Stosując do badań rozmiarów zawiesin elektroniczną technikę kondukto-metryczną 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 wzo-ru (4):

3 π 6V

d (4)

gdzie V jest objętością badanej cząsteczki [1].

h

b a

Rys. 1. Średnice zastępcze: a – średnica Martina, b – średnica Fereta, h – wysokość cząsteczki Fig. 1. Replaceable diameters

Pomiarów ilości cząsteczek dokonano metodą mikroskopową. Woda mor-ska wraz z dennym osadem była pobierana do szczelnie zamykanych pojemni-ków. Bezpośrednio po przywiezieniu próbki do laboratorium, pobierano z niej pipetą wodę, którą poddawano badaniu mikroskopowemu. Do tego celu używa-no mikroskopu Polskich Zakładów Optycznych – MP3, który ma ekran o średni-cy 19,5 cm i ruchomą podziałkę. Z jednej próbki wody wykonywano 50 pomia-rów. Każdy z nich polegał na zliczeniu ilości cząsteczek o średnicach Fereta od 1 m do 5 m.

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 20 – 170 km/h.

2. Opracowanie pomiarów i wnioski

Badania przeprowadzono w okresie od 22 stycznia do 1 maja 2002 roku, dokonano pomiarów siły wiatru oraz zawartości zawiesin w przybrzeżnych

punktach Zatoki Pomorskiej. Rysunek 2 przedstawia zawartość cząsteczek 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 pomiaro-wym w Międzyzdrojach. Rysunki 4, 5 i 6 przedstawiają tę samą zależność, co rysunek 3, dla pozostałych punktów pomiarowych (Wisełka, Międzywodzie i Dziwnów). 0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5

rozmiar cząsteczek w mikrometrach

ilo ść c zą st e cz e k 1 2 3 4 5

Rys. 2. Rozkład dyspersyjny zawiesin przy różnej sile wiatru Fig. 2. Dispersal distribution of suspensions at different wind forces

120 140 160 180 200 220 240 260 280 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 siła wiatru w km/h ilo ść c zą st e cz e k

Rys. 3. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Międzyzdroje) Fig. 3. Molecule quantities versus wind force (Międzyzdroje)

100 120 140 160 180 200 220 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 siła wiatru w km/h ilo ść c zą st e cz e k

Rys. 4. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Międzywodzie) Fig. 4. Molecule quantities versuswind force (Międzywodzie)

100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 siła wiatru w km/h ilo ść c zą st e cz e k

Rys. 5. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Wisełka) Fig. 5. Molecule quantities versus wind force (Wisełka)

90 110 130 150 170 190 210 230 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 siła wiatru w km/h ilo ść c zą st e cz e k

Rys. 6. Zależność ilości cząsteczek od siły wiatru (Dziwnów) Fig. 6. Molecule quantities wind force (Dziwnów)

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 po-między siłą wiatru, a koncentracją zawiesin w przydennej części akwenu. Wyni-ka to stąd, że wraz ze wzrostem siły wiatru wzrasta stopień sfalowania morza, a co za tym idzie wzrasta intensywność mieszania się wody. Powoduje to pod-rywanie 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 1983.

2. Gurgul H., Molekularna fizyka morza z elementami ochrony środowiska, Wyd. Naukowe Uniwersytetu Szczecińskiego, Szczecin 1996.

3. Gurgul H., Układy dyspersyjne w morzu, Wydawnictwo Naukowe US, Szczecin 1991.

4. Krogulec M., Rozkłady dyspersyjne zawiesin w procesie sedymentacji dla wybranych punktów pomiarowych Zatoki Pomorskiej, Materiały konferen-cyjne: Problemy fizyczne ekologii wód naturalnych, tom 1, Szczecin 1998. 5. Pempkowiak J., Substancje organiczne w wodzie Morza Bałtyckiego. Woda

bałtycka, jej skład i właściwości. Studia i Materiały Oceanologiczne nr 17, 1977.

6. Romanowsky V., Physique de l'ocean, Paris 1966.

Wpłynęło do redakcji w lutym 2004 r. Recenzenci

dr hab. inż. Ryszard Getka, prof. PS prof. dr hab. Yury Kravtsov

Adres Autora

mgr Marcin Krogulec

Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Matematyki, Fizyki i Chemii ul. Wały Chrobrego 1/2, 70-500 Szczecin