Сотрудники Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН (ИО РАН) решили выяснить причину разделения фракций пластиковых частиц, для чего провели лабораторные эксперименты по образованию льда с водной поверхности. Опыты выполняли в пресной и солёной воде (в растворе хлористого натрия концентрацией 34 г/л) с частицами тяжёлого пластика разного размера, которые предварительно распределяли по дну экспериментального сосуда. Исследователи предположили, что в механизме всплывания тяжёлых частиц на поверхность могут участвовать пузырьки газа. Ведь даже дистиллированная вода всегда содержит определённое количество растворённых газов, а поверхностная вода природных бассейнов близка к насыщению газами за счёт обмена с атмосферой. Источниками газа в морской воде выступают биологические, химические, геологические процессы на дне океана, а если говорить об арктических водах, то и метановые выходы, и таяние вечной мерзлоты. Поскольку растворимость газов в воде уменьшается с повышением солёности, температуры и понижением давления, изменение внешних условий может приводить к перенасыщению водного объёма газами и образованию пузырей. Энергетически пузырькам выгоднее зарождаться на твёрдых поверхностях (а не в самой воде), и гидрофобные частицы пластика представляют собой идеальные места зарождения.
В экспериментах наблюдали в перенасыщенном газами водном объёме образование и рост пузырьков, отслеживали, как распределяются частицы микропластика по вертикали, измеряли солёность формирующегося льда и концентрацию газовых пузырьков. В ледяных кернах фиксировали послойное вертикальное распределение количества частиц, их размеры и форму. Льдом в экспериментах оказывались захваченными 50—60% тяжёлых частиц.
Полученные результаты говорят о том, что в подъёме частиц высокой плотности со дна при замерзании воды участвуют два механизма: образование пузырьков газа на поверхности частиц и конвективное перемешивание. Влияние конвективного перемешивания на захват микропластика льдом оказалось весьма ограниченным, а формирование пузырьков — основной движущей силой подъёма пластика в воде и захвата его во льду. В дополнительных экспериментах с теми же частицами в воде удалось выяснить, что около крупных пластиковых фрагментов одновременно растут несколько пузырьков, благодаря чему их подъём на поверхность протекает легко и там они стабильны. Около мелкой частицы формируется лишь один пузырёк, и она постоянно совершает движения вверх-вниз в толще воды, так как при столкновении с поверхностью единственный пузырёк схлопывается и частица тонет.
В океане взаимодействие микропластика с пузырьками газа может возникать благодаря агрегации и с существующими в воде пузырьками, и вследствие их образования непосредственно на пластиковой поверхности. Первый вариант связан с появлением пузырьков в ходе дыхания, фотосинтеза, разложения органических веществ, выбросов метана, обрушения волн. Второй — с перенасыщением газами воды, характерным для морей высоких широт.
Исследователи предполагают, что формирование пузырьков на пластиковых частицах (или агрегация с существующими) — основной процесс, который заставляет подниматься тяжёлые крупные фрагменты на поверхность морской воды. А конвекция подо льдом хотя и способна транспортировать микропластик по вертикали, похоже, играет второстепенную роль. Значение турбулентности и течений ещё предстоит выяснить.
Результаты опубликованы в журнале «Science of The Total Environment».
