print logo

Oljeflak driver raskere enn vann

Matematiske beregninger viser at bølgene i havet kan presse oljeflak til å drive fire – fem ganger raskere enn vann. Dette er dobbelt så raskt som tidligere antatt. Den nye teorien kan gjøre det lettere å finne dumpet olje.

SKYVER UNNA OLJEFLAK: Oljeflak demper bølger. Den energien som ikke blir brukt til å lage bølger, blir i stedet brukt til å skyve unna oljeflaket. Foto: Kystverket

Forskere har i flere tiår kjent til at oljeflak i bølger på havet driver raskere enn vannet for øvrig. Frem til i dag har de fleste bølgeforskerne trodd at hastigheten kunne ganges med to og en halv.

Nye eksperimenter viser at hastigheten faktisk kan være opptil fire-fem ganger så stor. Dette kan forklares med ny teori.

Kai Christensen , som nylig avla doktorgraden ved Institutt for geofag ved Universitetet i Oslo på bevegelsen av oljeflak, sier at den nye kunnskapen er viktig for å kunne overvåke oljeutslipp på havet. Selv om det riktignok er mulig å oppdage og følge oljeutslipp fra satellitt, er det viktig å kjenne til de fysiske fenomenene for å kunne varsle hvor oljen driver.

De fleste av dagens datamodeller som simulerer drift av oljeflak, tar hensyn til vind, havstrømmer og bølger.

NYE BEREGNINGER: Kai Christensen har i doktorgraden ved Institutt for geofag vist at oljeflak i bølger på havet driver dobbelt så raskt som tidligere antatt. Foto: Yngve Vogt

– Problemet er at modellene ofte bare baserer seg på en forenklet beskrivelse av bølgedriften, forklarer Kai Christensen. Som oseanograf med bakgrunn i matematikk og fluidmekanikk har han forsket på hvilke mekanismer i bølgene som gjør det mulig å presse oljeflak til å bevege seg enda raskere enn antatt.

Elastisk hinne

Heller du olje på vann, vil du se at oljen sprer seg utover og danner en elastisk hinne som dekker overflaten. Hinnen kan sammenliknes med en spiralfjær. Klemmer du spiralfjæren sammen, vil den strekke seg ut igjen. Og strekker du spiralfjæren ut, vil den trekke seg sammen igjen.

I havet vil oljeflaket bli strukket ut i bølgeskråningene, men bli presset sammen på toppen og i bunnen av bølgene. Dette er gammel kunnskap. Helt siden antikken har det vært kjent at det er mulig å dempe bølger ved å helle olje på vann.

I 1894 reddet en redningsskøyte utenfor Hamningberg i Finnmark 34 sjømenn ved å helle tran i vannet, slik at det stormpiskede havet ble roligere. Da var det lettere å få sjømennene opp.

På femtitallet fikk man den første kunnskapen om hvorfor olje demper bølger. Forklaringen er friksjonen i vannet og de elastiske egenskapene til oljen.

Rett under bølgene går vannpartiklene i sirkler. Eller som hjul som triller fremover. Den øverste delen av hjulet beveger seg i den samme retningen som bølgene. Men den nederste delen av hjulet beveger seg i motsatt retning. Helt øverst under vannflaten er sirklene størst. Så blir sirklene mindre og mindre lenger ned i vannmassen.

– Hvis det er olje på vannet, vil de vannpartiklene som befinner seg nærmest flaket, følge flaket og ikke gå i ring. Men fordi partiklene lenger ned i vannmassen fortsatt går i ring, vil man få friksjon mellom hjulene og partiklene helt øverst i vannmassen. Det finnes derfor et tynt lag med friksjon som bare er noen millimeter tykt. Denne friksjonen demper høyden på bølgene.

Det er nettopp denne dempingen av bølger som gjør det mulig å observere oljeflak fra satellitt. I rent vann er det mye krusninger. Olje på overflaten tar livet av de små bølgene. Disse områdene vil derfor opptre som mørkere felter på satellittbilder.

Uutnyttet energi

Det er nå vi kommer til poenget. Selv om olje på vann demper bølgene, er det ikke slik at energien fra bølgene blir mindre og bare forsvinner inn i intet. Hvis energien ikke blir brukt til å lage like store bølger som før, må energien brukes til noe annet. Kai Christensen kan nå forklare hvordan denne ekstra energien blir brukt til å skyve unna oljeflaket.

Friksjonen i vannet vil både dempe bølgene og skape en kraft som skyver flaket framover. Når flaket beveger seg, blir de vannpartiklene som ligger nærmest flaket dratt med i bevegelsen. Så vil de partiklene som ligger under disse begynne å bevege seg, men likevel litt saktere. De partiklene som ligger enda lenger ned i vannmassen, vil bevege seg enda saktere.

– I teorien vår vil flaket gå fortere og fortere. Hvis det ikke er bunn i havet, er det ingenting som stopper denne akselerasjonen. I praksis vil flaket akselerere til andre krefter blir viktige. Men ingen kjenner ennå til hvilke mekanismer som stopper akselerasjonen, forteller Kai Christensen.

Veilederen hans, professor Jan Erik Weber, har påpekt denne mekanismen med akselerering i mange år.

Tidligere har ikke forskere tatt hensyn til dette. I eksperimenter i bølgebasseng har forskerne bare målt start – og sluttposisjonen på et oljeflak og deretter beregnet middelhastigheten.

Bekreftet i laboratorium

Kontinuerlige målinger i et bølgelaboratorium i Singapore bekrefter teorien og viser at hastigheten til oljeflak stadig er økende.

– Det er derfor feil å anta at systemet er i balanse fra start. Hastigheten til oljeflaket er ikke uavhengig av tid. Akselerasjonsmekanismen er tidligere neglisjert. Det viser seg at hastigheten på oljeflaket stemmer mye mer hvis man bruker teorien vår, forteller Kai Christensen.

Eksperimentene i Singapore tyder dog på at resultatene til Kai Christensen og Jan Erik Weber stemmer best for myke bølger. Krappe bølger har andre egenskaper.

Kai Christensen sier likevel at det gjenstår mye forskning.

– I praksis er det i havet et kaos av bølger fra forskjellige retninger og med forskjellige lengder. Det er vanskelig å si om teorien kan brukes, for det gjenstår kartlegging av en del ukjente effekter, men jeg tror at dagens datamodeller kan forbedres med formelen vår.

Han mener at teorien hans blant annet kan brukes til å forbedre de numeriske modellene som avslører hvor man kan spore opp dumpet olje, men påpeker at teorien hans fungerer bedre for tynne enn for tykke oljeflak.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Matematisk modellering, Matematikk, Geofag, Hydrologi Av Yngve Vogt
Publisert 27. des. 2005 00:00