Подводные газовые факелы

В середине 80-х годов газогидратопроявление было выявлено в Охотском море в районе острова Парамушир и впадины Дерюгина. Газовые выбросы со дна метановых пузырьков носят название “газовых факелов” и достаточно хорошо регистрируются с помощью судовых эхолотов в силу того, что резонансное сечение рассеяние звука на газовом пузырьке на два порядка превосходит его геометрические размеры. В последующие годы исследования газовых факелов в Охотском море выполнялись главным образом в рамках совместного российско-германского проекта KOMEX. Многолетние натурные измерения с помощью как дистанционных акустических методов, так и подводных аппаратов проводились в экономической зоне Великобритании в Северном море, в Мексиканском заливе и на побережье Калифорнии (северная граница желоба Санта-Барбара).

Полученные нами в ходе изучения этого природного явления результаты можно разделить на три группы: (i) описание структуры и эволюции газовых факелов, (ii) дистанционные (активные и пассивные) акустические методы диагностики этих природных образований, (iii) контактные методы определения распределения пузырьков в теле факела.

a). Cтруктура и эволюция газового факела

Изучение динамики растворения пузырьков, в частности, учет особенностей, связанных со встречной диффузией азота и кислорода, замещающих метан, присутствие газогидратной "шубы" на поверхности пузырька и анализ конвективного переноса газовых включений в придонном слое океана призваны дать объяснение наблюдаемому многообразию форм газовых факелов. Шагом на этом пути является понимание того, как при заданных параметрах источника: интегральном потоке массы, дисперсном составе пузырьков, рождающихся в устье газового факела, происходит формирование весьма протяженного и неоднородного тела факела. Теоретические представления, позволяющие описать динамику растворения всплывающих газовых пузырьков в условиях меняющегося гидростатического давления, были развиты в следующих работах:

• Thorpe S.A. On the clouds of bubbles formed by breaking wind-waves in deep waters, and their role in air-sea gas transfer // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 1981. V. 304. P. 155-210.
• Гончаров В.Н., Клеменьева Н.Ю. Моделирование динамики и условий звукорассеяния газовых пузырьков, всплывающих с больших глубин в море в районах нефтегазовых месторождений // Акуст. журн. 1996. Т. 42. № 3. С. 371-377.
• Максимов А.О. Динамика изменения обратного рассеяния от пелены всплывающих газовых пузырьков // В сб. Морские технологии. Владивосток: ИПМТ ДВО РАН, 1998. В. 2. С. 167-175.
• Leifer I. , Patro R.K. The bubble mechanism for methane transport from the shallow sea bed to the surface: A review and sensitivity study // Continental Shelf Research. 2002. V. 22. P. 2409-2428.
• Максимов А.О., Соседко Е.В. Эволюция обратного рассеяния от пелены всплывающих пузырьков // Акустика океана. Доклады 9-ой школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: Геос, 2002. С. 237-241.

 

Основываясь на этих результатах, выявлен механизм возникновения аномалий концентрации газовых включений на определенных горизонтах, обусловленный неоднородностью скорости подъема пузырьков по глубине. Близким аналогом является задача, возникающая в теории транспортных потоков, когда при торможении потока происходит рост концентрации - «транспортная пробка» и, наоборот, при ускорении потока имеет место понижение концентрации.

• Максимов А.О. Эффект «транспортной пробки» при формировании газового факела всплывающими пузырьками // В сб. Морские технологии. Ред. акад. М.Д. Агеев. Владивосток: Дальнаука. 2003. вып. 5. С. 93-99.
• Максимов А.О. Эффект «транспортной пробки» при формировании газового факела всплывающими пузырьками // Сборник трудов XIII сессии РАО. М., 2003. Т. 1. С. 47-51.
• Maksimov A. O. “Car-jam” effect and concentration anomalies in rising bubble plume // PICES Scientific Report Series Proceedings of the 3rd Okhotsk Sea Workshop. 4-6 June, 2003, Vladivostok , Victoria : PICES, 2004. P. 67-70.

К существенным теоретическим результатам следует отнести вывод уравнения Фокера-Планка, описывающего эволюцию распределения газовых пузырьков в пелене, учитывающего растворение и поступательные перемещения отдельных пузырьков в случайном поле скоростей. Это уравнение содержит ряд членов, отсутствовавших у предыдущих исследователей, но имеющих ясную физическую интерпретацию, что позволило предсказать ряд эффектов, наиболее существенным из которых является индуцированный случайным полем скоростей диффузионный перенос в пространстве размеров пузырьков. Найдены частные решения, позволяющие оценить скорость подъема нижней границы пузырькового слоя, располагающегося у поверхности океана, и предложить объяснение форме «газового факела», обнаруженного в заливе Петра Великого.

• Максимов А.О., Соседко Е.В. Динамика растворения всплывающих газовых пузырьков в случайном поле скоростей // В сб.: Морские технологии, ред. акад. М.Д. Агеев, вып. 4. Владивосток: Дальнаука,2001. С. 193-203.

 

Исследовалось влияние изменяющейся концентрация метана на динамику растворения всплывающих пузырьков. Проблема формирования поля растворенного газа в окрестности газовых факелов анализировалась в двух предельных случаях: а) относительно небольших глубин в условиях, когда вертикальный поток газа, переносимый пузырьками и диффузией, является сохраняющейся величиной и б) факела, малого по сравнению с глубиной поперечного сечения. Для относительно узких распределений пузырьков по размерам в задаче появляется новая физическая величина - горизонт растворения. Эта глубина является не только особой точкой в профиле концентрации растворенного газа, но играет роль «транспортной пробки» для распределения всплывающих пузырьков. При этом вся грязь - поверхностно активные вещества и седиментационные частицы, находящиеся на поверхности всплывающих пузырьков, транспортируется ими в окрестность этого горизонта.

• Maksimov A.O., Polovinka Yu.A. Bubble Distribution at Gas Seeps // Abstracts of Fifth Workshop on Russian-German Cooperation in the Sea ofOkhotsk-Kurile Island System. 26-28 May, 2004. Vladivostok . P. 34.

б). Активные и пассивные акустические методы диагностики газовых факелов

Задача проведения сравнительного анализа натурных данных, представляющих в своем большинстве эхограммы газовых факелов, с результатами аналитического и численного расчета обратного рассеяния, на основе предлагаемых моделей для геометрии и дисперсного состава газового факела составляет важное направление исследований.

Была развита методика, позволяющая оценивать параметры подводных источников газовыделения по данным акустического зондирования. Данные эхолоцирования, в предположении о доминирующем вкладе резонансных пузырьков в обратное рассеяние, позволяют определить количество резонансных пузырьков на разных глубинах. Эти данные используются в качестве начальных значений для динамических траекторий в пространстве глубин и размеров, вдоль которых всплывают и растворяются отдельные пузырьки. Обращение решений уравнений вдоль этих траекторий позволяет найти число пузырьков и их распределение по размерам у дна (вблизи источника). Оценивалась возможность проявления горизонта растворения в данных по обратному рассеянию акустических сигналов на газовом факеле. К сожалению, предположение о доминирующем вкладе резонансных пузырьков в сечение рассеяние начинает нарушаться на больших глубинах, ввиду значительного падения добротности одиночных пузырьков.

• Maksimov A.O. Acoustics of marine hydrocarbon seeps // Proc. 5-th World Congress on Ultrasonics, Universite 6. Paris , 2003. P. 229-232.
• Maksimov A.O. Acoustic Registration Techniques for Gas Vent Studies // Abstracts of Fifth Workshop on Russian-German Cooperation in the Sea ofOkhotsk-Kurile Island System. 26-28 May, 2004. Vladivostok . P. 34.

Проблема диагностики акустическими методами не очень добротных пузырьков на больших глубинах, с которой мы столкнулись, инициировала поиск других методов, отличных от традиционно используемого эхолоцирования. Наряду с активными методами акустической диагностики газовых факелов, предполагается развить и пассивные методы, основанные на анализе спектральных особенностей шумового излучения этого объекта на частотах, отвечающих собственным (коллективным) колебаниям пелены пузырьков. Скопление всплывающих  пузырьков, формирующих факел, образует эффективный акустический волновод, в котором могут распространяться нормальные моды. На частотах, меньших критической, отвечающей волноводному распространению звука, пространственное распределение спектральной мощности шума по глубине в окрестности газовых факелов носит существенно неоднородный — модовый характер. Эта неоднородность локализована в горизонтальной плоскости, причем радиус локализации тем меньше, чем выше номер моды. Спектральная плотность имеет максимумы на частотах, непосредственно связанных с размером газового факела и средним объемным газосодержанием среды. Оказалось возможным оценить параметры газовыделения на дне на основе измерений интенсивности шума и определения положения спектральных максимумов (плюс, естественно, решение обратной задачи с помощью уравнения Гельмгольца). Определение в явном виде функции Грина для простейшей геометрии факела (цилиндр, сферический сегмент) позволяет, наряду со средними, найти корреляционные характеристики шума и связать их с геометрическими размерами факела и с моментами распределения газовых включений.

• Максимов А.О. Пространственное распределение шума в окрестности подводных газовых источников // Доклады АН. 2004. Т. 397. № 1. С.103-107.
• Максимов А.О. Особенности спектра и пространственного распределения шума в окрестности подводных газовых факелов // Сборник трудов XV сессии РАО. 2004. Т. 2. С. 168-172.
• Максимов А.О. Спектр шума «газового факела» // Акуст. журн. 2005. Т. 51. № 3. С. 324-332.

Решение задачи о спектре собственных колебаний закрепленного пузырька, находящегося у стенки и образующей с ней определенный “контактный” угол, позволило описать коллективные колебания пелены пузырьков у дна в тех случаях, когда ее форма может быть аппроксимирована шаровым сегментом, и определить зависимость частоты низшей моды колебаний от формы пелены (контактного угла). Для низкочастотных колебаний пелена подобна одиночному пузырьку с эффективными параметрами: сжимаемостью и плотностью.

• Максимов А.О. Колебания закрепленного пузырька // Сборник трудов XV сессии РАО. 2004 Т. 1 С. 163-167.

в). Контактные методы определения распределения пузырьков в теле факела

При диагностике распределения пузырьков у устья газового факела традиционные, линейные методы «акустической спектроскопии» газовых включений в жидкости, основанные на доминирующем вкладе резонансных пузырьков в обратное рассеяние, перестают эффективно работать. Проведены исследования с целью создания методики, которая синергетически использовала бы резонансные, и нелинейные свойства включений и обеспечивала измерение параметров распределения не очень добротных пузырьков на больших глубинах. Изучались особенности переходных процессов в окрестности фундаментального и субгармонического резонансов и структура формы линии акустического излучения одиночных пузырьков.

• Maksimov A.O., Leighton T.G., Sosedko E.V. Nonlinear transient bubble oscillations // Nonlinear Acoustics at the Begining of the 21st Century edited by O.V. Rudenko & O.A. Sapozhnikov. MSU, Moscow, 2002. vol. 2, pp. 987-990.
• Соседко Е.В. Особенности нелинейный резонансов и их проявления в акустике микронеоднородных сред // Дисс. на соискание ученой степени к.ф-м.н., Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2003. 132c.

 

Принципиально новыми являются электрохимические методы регистрации газовых включений в жидкости, разрабатываемые нашими коллегами из Великобритании. Изучение параметрической неустойчивости стенки пузырька относительно генерации ряби Фарадея и описание микропотоков, индуцированных поверхностными волнами в окружающей жидкости, позволили объяснить экспериментальные данные, полученные с помощью электрохимических методов.

• Leighton T.G., Birkin P.R., Maksimov A.O., Watson Y.E. A review of mass flux observations in liquids as a result of Faraday waves on gas bubble walls // Proc. R. Soc. Lond. 2005. (in preparation).