Physik

Um den Schaden durch eine Ölkatastrophe im Meer zu begrenzen, benötigen Einsatzteams genaue Prognosen darüber, wie sich das Öl im Laufe der Zeit zersetzen und ausbreiten wird. Temperatur und Sonnenlicht beeinflussen beide die Masseneigenschaften von Rohöl, aber bisher war die relative Bedeutung der beiden unklar. Jetzt berichten Danielle Haas Freeman, Collin Ward und ihre Kollegen vom Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Massachusetts, über Ergebnisse von Experimenten, die sich mit diesem Problem befassen [1]. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass sich sonnenverwittertes Öl in kalten arktischen Gewässern anders verhält als in tropischen Ozeanen. Die Studie fügt den Prognosen zum Schicksal des Öls eine fehlende Komponente hinzu und könnte als Leitfaden für die Entwicklung von Reinigungsprotokollen dienen, die auf bestimmte Umgebungen zugeschnitten sind.

Wissenschaftler wissen, dass die Wassertemperatur einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Rohöl hat. Ölkatastrophenprognosen berücksichtigen dieses Wissen mithilfe empirischer Beziehungen, die aus im Dunkeln durchgeführten Experimenten abgeleitet werden. Aber Wissenschaftler wissen auch, dass Sonnenlicht die mechanischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung von Rohöl beeinflussen kann. Beispielsweise deuten Messungen von kürzlich im Golf von Mexiko gesammeltem Meerwasser darauf hin, dass sich 8 % des Öls, das bei der Explosion der Deepwater Horizon 2010 übrig geblieben ist, durch lichtinduzierte photochemische Reaktionen des Öls in wasserlösliche Verbindungen umgewandelt haben. Es blieb ungewiss, ob Sonnenlicht in warmem und kaltem Wasser unterschiedlich mit Rohöl interagiert und, wenn ja, wie sich dieser Unterschied auf die Eigenschaften des Öls auswirken könnte.

Um dieses Problem zu untersuchen, führten Freeman, Ward und der Rest des Teams verschiedene Experimente mit Ölproben aus der Bohrstelle Deepwater Horizon und mit Meerwasser aus dem Vineyard Sound in Falmouth, Massachusetts, durch. Die Gruppe entfernte Bestandteile aus dem Öl, die sich innerhalb der ersten ein bis zwei Tage nach einer Ölkatastrophe auf natürliche Weise verflüchtigen sollten. Diese Bestandteile machen 35 % der Ölmasse aus und ihre Entfernung führte zu einer siebenfachen Erhöhung der Ölviskosität. Anschließend führte das Team eine Reihe temperaturabhängiger Messungen der mechanischen Eigenschaften dieses durch Verdunstung verwitterten Öls und des Meerwassers durch, nachdem es 120 Stunden (neun Tage) in einem Sonnensimulator bestrahlt worden war. Sie wiederholten die gleichen Messungen an Proben, die im Dunkeln aufbewahrt worden waren.

Die Experimente zeigen, dass sowohl Licht als auch Temperatur die Viskosität und Wasserlöslichkeit von Rohöl beeinflussen. Beispielsweise stellte das Team fest, dass eine dem Sonnenlicht ausgesetzte Probe, die bei 40 °C aufbewahrt wurde, eine Viskosität aufwies, die fast doppelt so hoch war wie die einer Probe, die im Dunkeln aufbewahrt wurde, aber achtmal niedriger als eine dem Sonnenlicht ausgesetzte Probe, die bei 20 °C aufbewahrt wurde . Ähnliche Änderungen wurden bei der Wasserlöslichkeit der Proben beobachtet, mit der Ausnahme, dass sich die Richtung der Änderung umkehrte: Bestrahlte Proben, die bei höheren Temperaturen aufbewahrt wurden, enthielten mehr wasserlösliche Inhalte als solche, die bei niedrigeren Temperaturen aufbewahrt wurden. Und die Dunklen hatten weniger als die, die im Licht gehalten wurden. „Wir waren überrascht, dass die Beziehungen zwischen Öleigenschaften und Temperatur bei Öl, das durch Sonnenlicht umgewandelt wurde, ganz anders sind als bei Öl, das im Dunkeln gelassen wurde“, sagt Freeman.

Nach einer Ölkatastrophe konzentrieren sich die Reinigungsmaßnahmen hauptsächlich auf die Entfernung von Öl, das sich auf dem Wasser befindet. Die neuen Messungen deuten darauf hin, dass photochemisch verwittertes kaltes Öl weniger mitreißen – eine durch Turbulenzen verursachte Ausbreitung – und sich weniger auflösen sollte als sein warmes Gegenstück. Daher muss bei einer Kaltwasserkatastrophe mehr Öl an der Oberfläche entfernt werden als bei einer Warmwasserkatastrophe, das Öl ist jedoch örtlich begrenzter. Diese Faktoren könnten Einfluss darauf haben, wie viel Öl an Land gelangen könnte, und Auswirkungen auf die Küstenökosysteme haben. Die höhere Viskosität des Öls in einer Kaltwasserkatastrophe könnte sich auch auf die Reaktionsmethode auswirken, da die Wirksamkeit eines Hilfsmittels zur Notfallbekämpfung (Verteilen eines chemischen Dispergiermittels, Abschöpfen oder In-situ-Verbrennen) von den Fließeigenschaften des Öls abhängt.

Die Ergebnisse des WHOI-Teams zeigen, dass Rohöl sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist, nachdem es dem Sonnenlicht ausgesetzt wurde, sagt Matthew Tarr, ein analytischer Chemiker an der Universität von New Orleans, der den photochemischen Abbau von Schadstoffen untersucht. Er sagt, dass die Vorhersagen durch die Einbeziehung dieser Informationen in Ölkatastrophenmodelle genauer werden sollten. Merv Fingas, ein Umweltphysiker und ehemaliger Leiter der Emergencies Science Division von Environment Canada, stimmt Tarr zu, fragt sich jedoch, ob die Ergebnisse des WHOI-Teams einer weiteren Befragung standhalten. Er stellt fest, dass das Team die Schlussfolgerungen auf einer Reihe von Messungen und einem Modell für das System basierte. Beispielsweise basiert die Feststellung, dass das Mitreißen von Öl durch Sonnenlicht beeinflusst wird, auf einem Modell, das das Mitreißen einschließt. „Andere Modelle berücksichtigen dieses Ölschicksal nicht und die Mitnahme von Öl wird unter Ölkatastrophenforschern nicht allgemein akzeptiert“, sagt er.

Die WHOI-Forscher nehmen diese Kommentare zur Kenntnis. Sie hoffen, dass ihre Ergebnisse andere Forschungsgruppen dazu ermutigen werden, zu untersuchen, wie sich sonnenbedingte Verwitterung auf die physikalischen Eigenschaften von auf See ausgelaufenem Öl auswirkt. „Erst vor kurzem hat die Gemeinschaft begonnen, die Bedeutung der sonnenlichtbedingten Verwitterung im Vergleich zu anderen Verwitterungsprozessen zu verstehen und zu akzeptieren“, sagt Ward. „Es bedarf noch viel weiterer Forschung, um vollständig zu verstehen, wie und wie schnell Öl auf See verwittert und welche Auswirkungen die Verwitterungsprozesse auf Modellvorhersagen und Reaktionsabläufe haben.“

Mittlerweile werden Verschüttungen in kalten arktischen Gewässern aufgrund des höheren Schiffsverkehrs aufgrund zunehmend eisfreier Sommer wahrscheinlicher. Freeman, Ward und das Team sagen, dass die neuen Ergebnisse den Aufräumteams helfen könnten, Entscheidungen darüber zu treffen, wie diese schlimmen Situationen nicht noch schlimmer werden. Sonneneinstrahlung kann die Beseitigung von Ölverschmutzungen sowohl einfacher als auch schwieriger machen, je nachdem, wo sie auftreten, sagt Ward. „Ölverschmutzungen sind immer schlimm, und unsere Ergebnisse sollten nicht so interpretiert werden, dass eine Ölverschmutzung „in Ordnung“ ist, wenn sie in einer bestimmten Temperaturzone oder bei einer bestimmten Menge Sonnenlicht auftritt“, sagt Ward.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz ist korrespondierende Redakteurin für das Physics Magazine mit Sitz in Vancouver, Kanada.

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