Två nya studier har visat att solljus omvandlar oljeutsläpp på havsytan mer markant och snabbare än man tidigare trott. Fenomenet begränsar avsevärt effektiviteten av kemiska dispergeringsmedel, som är utformade för att bryta upp flytande olja och minska mängden olja som når kusterna.

En forskargrupp ledd av Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) fann att solljus kemiskt förändrar råolja som flyter på havsytan inom timmar eller dagar. I en uppföljande studie rapporterade teamet att solljus ändrar olja till olika föreningar som dispergeringsmedel inte lätt kan bryta upp. Resultaten av dessa två studier kan påverka hur svarande bestämmer när, var, och hur man använder dispergeringsmedel.

De relaterade studierna publicerades den 20 februari, 2018 i Tidskrift Environmental Science &Technology och idag (25 april, 2018) i tidskriften Miljövetenskap och teknikbrev .

"Man har trott att solljus har en försumbar inverkan på effektiviteten av dispergeringsmedel, sa Collin Ward, en forskare vid WHOI och huvudförfattare till båda studierna. "Våra resultat visar att solljus är en primär faktor som styr hur väl dispergeringsmedel fungerar. Och eftersom fotokemiska förändringar sker snabbt, de begränsar möjligheterna att applicera dispergeringsmedel effektivt."

Dispergeringsmedel innehåller rengöringsmedel, inte olikt de människor använder för att diska, som hjälper till att bryta olja till små droppar som kan spädas ut i havet, och/eller äts av mikrober innan oljan kan sopas till känsliga kustlinjer. Men att göra sitt jobb, tvättmedlen (även kända som ytaktiva ämnen) måste först blandas med både oljan och vattnet – och oljan och vattnet, berömt, blanda inte.

För att övervinna denna barriär, dispergeringsmedel innehåller ett organiskt lösningsmedel som hjälper oljan, tvättmedel, och vatten att blanda. Endast tills detta nyckelsteg inträffar kan de ytaktiva medlen göra sitt arbete för att bryta olja i droppar. Men solljus hindrar detta nyckelsteg, visar de nya studierna.

Innan dispergeringsmedel ens kan appliceras, ljusenergi från solen bryter redan kemiska bindningar i oljeföreningar – splittrar av atomer eller kemiska kedjor och skapar öppningar för syre att fästa. Denna fotooxidationsprocess (även känd som fotokemisk "vittring") liknar den process som gör att färg på din bil eller färger på dina kläder bleknar om de lämnas ute i solen för länge.

Hittills, tester för att fastställa dispergeringsmedels effektivitet använde endast "färsk" olja som inte hade förändrats av solljus. I sina studier, forskarna genomförde omfattande laboratorietester och exponerade olja för solljus. De visade att solljus snabbt omvandlar olja till rester som bara är delvis lösliga i dispergeringsmedlets lösningsmedel. Det begränsar tvättmedlens förmåga att blandas med den fotooxiderade oljan och bryta oljan i små droppar.

Fyndet tyder på att responders bör ta hänsyn till solljus för att bestämma "möjlighetsfönstret" för att använda dispergeringsmedel effektivt. Det skulle bli mycket kortare än man tidigare trott på soliga dagar än vad det skulle göra på molniga dagar.

"Denna studie utmanar paradigmet att fotokemisk vittring har en försumbar inverkan på effektiviteten hos luftdispergeringsmedel som används som svar på oljeutsläpp, "Solljus ändrar snabbt olja till kemiska föreningar som dispergeringsmedel inte lätt kan bryta upp till droppar. Så fotokemisk vittring är en kritisk faktor som bör övervägas för att optimera beslut om när man ska använda dispergeringsmedel."

I laboratorieförsök på 1970-talet, forskare hade visat att ljus förändrar oljans kemi, men fynden kunde inte tillämpas på storskaliga oljeutsläpp i havet. Detta berodde till stor del på att i de flesta spill, oljan rann snabbt bort från platsen innan den kunde tas omedelbart – under den kritiska korta tidsperioden innan solljus fotooxiderade den. Det kontinuerliga flödet från Deepwater Horizon-katastrofen 2010 gav en unik möjlighet:eftersom olja flöt på havsytan i 102 dagar, det gav tjänstemännen en chans att samla in olja kort efter att den dök upp och utsattes för solljus.

WHOI-forskarna tog och testade prover av Deepwater Horizon-olja som skummades från ytan nästan omedelbart efter att den dök upp. De fann att ju längre oljan flöt på den solbelysta havsytan, desto mer fotooxiderades oljan. De uppskattade att hälften av den utspillda oljan hade ändrats inom några dagar.

Nästa steg var att testa hur den fotooxiderade oljan skulle svara på dispergeringsmedel. Forskarna testade färsk oförändrad Deepwater Horizon-olja som samlades upp direkt från det trasiga stigröret på havsbotten. De kontrollerade noggrant laboratorieförhållanden för att förhindra temperaturförändringar, avdunstning, ljusinfiltration, och andra faktorer, och de exponerade oljan för ökande varaktighet av ljus. Cassia Armstrong, en gäststudent från Trinity College, spelat en nyckelroll i genomförandet av dessa tester och är författare till tidningen.

WHOI-forskarna samarbetade också nära med Robyn Conmy, en av U.S. Environmental Protection Agencys ledande experter på att utveckla ny teknik för att reagera på oljeutsläpp. För att utföra tester på effektiviteten av dispergeringsmedel, EPA använder en specifik metod och specialdesignade glasvaror, som Conmy lånade ut till WHOI-forskarna för deras experiment.

Resultaten av experimenten visade att ljus snabbt fotooxiderade den färska oljan, ändra det till föreningar som minskade effektiviteten av dispergeringsmedel med minst 30 procent på några dagar.

Därefter samarbetade forskarna med Deborah French McCay, en internationellt erkänd oljeutsläppsmodellerare på RPS ASA, ett vetenskaps- och teknikkonsultföretag i Rhode Island. De simulerade förhållanden som kan ha inträffat under Deepwater Horizon-utsläppet, inklusive en rad vindhastigheter och solljusnivåer. Sedan överlagrade de alla de 412 faktiska flyglinjerna för plan som sprutade dispergeringsmedel under krisen.

Resultaten visade att under genomsnittliga vind- och solljusförhållanden, majoriteten av dispergeringsmedelsapplikationerna skulle inte ha uppnått lägsta effektivitetsnivåer (utsedda av EPA) eftersom de var inriktade på fotokemiskt väderbitna olja. Även under de bästa scenarierna för spridning av luftspridning – molnigt väder (vilket skulle begränsa fotokemisk väderlek) och kraftiga vindförhållanden (som skulle transportera olja längre från spillområdet innan solljuset omvandlade det) – skulle dussintals spridningsmedelstillämpningar från luften fortfarande inte har uppnått EPA-utsedda effektivitetsnivåer.

"Vi samlade ett team som kombinerade expertis från akademin, regering, och industri, " förklarade Christopher Reddy, marinkemist vid WHOI. "I framtida oljeutsläppskriser, samhället behöver samma typ av samarbete och samarbete för att effektivt fatta de klokaste besluten om hur man ska reagera mest effektivt."

"Denna studie visar hur viktigt det är att göra den mest grundläggande forskningen om kemiska reaktioner som äger rum i miljön, sa Henrietta Edmonds, en programdirektör vid National Science Foundations avdelning för havsvetenskaper, som finansierade forskningen. "Resultaten hjälper oss att lära oss hur vi effektivt reagerar på oljeutsläpp."