Effects of Natural and Artificial Surfactants on Diffusive Boundary Dynamics and Oxygen Exchanges across the Air-Water Interface  

天然和人工表面活性劑對(duì)空氣-水界面擴(kuò)散邊界動(dòng)力學(xué)和氧氣交換的影響  

來(lái)源：Oceans 2021, Volume 2, Article 752-771,

《海洋》，2021年第2卷，文章752-771頁(yè)

 

摘要內(nèi)容

通過(guò)比較天然海面微層（SML）與人工表面活性劑（Triton-X-100和油醇）對(duì)氣體通量的影響，揭示了二者如何通過(guò)增厚擴(kuò)散邊界層（DBL）抑制氧氣擴(kuò)散。研究發(fā)現(xiàn)：天然SML使海水氧氣擴(kuò)散減少78%，人工表面活性劑使去離子水氧氣擴(kuò)散減少81%；DBL厚度在添加SML后增至500μm（過(guò)濾海水）和350μm（未過(guò)濾海水）；Triton-X-100和油醇（2000μg L?1）分別使去離子水表面張力降至48和38 mN m?1，其中Triton-X-100的臨界膠束濃度為459μg L?1，其張力部分恢復(fù)的特性與天然海面相似。  

 

研究目的

量化天然SML和人工表面活性劑對(duì)空氣-水界面氧氣擴(kuò)散速率、DBL厚度及表面張力的影響，闡明其抑制氣體交換的機(jī)制。  

 

研究思路：  

1. 樣品采集：在德國(guó)Jade灣采集天然海水和SML（玻璃板法），制備人工海水和去離子水對(duì)照。  

2. 氧氣擴(kuò)散測(cè)量：使用丹麥Unisense微電極（OX-50和TP-200）原位測(cè)量氧氣濃度梯度（圖1），計(jì)算擴(kuò)散速率和DBL厚度（表3-6）。  

 

 

 

 

 

3. 表面張力分析：通過(guò)Wilhelmy板法（Krüss張力儀）測(cè)定溫度、鹽度和表面活性劑對(duì)表面張力的影響（圖4-5）。  

 

 

 

4. 人工表面活性劑實(shí)驗(yàn)：添加Triton-X-100和油醇（濃度13–2000μg L?1），評(píng)估其對(duì)DBL和表面張力的動(dòng)態(tài)影響（圖3,5）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 氧氣濃度與擴(kuò)散速率（表3-4，圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：天然海水和去離子水的氧氣濃度隨時(shí)間變化（例如未過(guò)濾海水在120分鐘內(nèi)損失10%氧氣）。  

   ? 研究意義：驗(yàn)證SML和人工表面活性劑顯著抑制氧氣擴(kuò)散（天然SML抑制78%，人工表面活性劑抑制81%），為海氣通量模型提供關(guān)鍵參數(shù)。  

 

 

2. 擴(kuò)散邊界層（DBL）厚度（表5-6，圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：DBL厚度在添加SML后增至499μm（過(guò)濾海水）和283μm（未過(guò)濾海水）；人工表面活性劑使DBL增厚30%（Triton-X-100）和26%（油醇）。  

 

   ? 研究意義：揭示表面活性劑通過(guò)增厚DBL阻礙氣體擴(kuò)散的物理機(jī)制，解釋天然海面為何能減少60%的CO?通量。  

 

3. 表面張力變化（圖4-5）  

   ? 數(shù)據(jù)：溫度升高（24°C→55°C）使去離子水表面張力從72降至64 mN m?1；人工表面活性劑（2000μg L?1）使張力降至48 mN m?1（Triton-X-100）和38 mN m?1（油醇）。  

 

   ? 研究意義：證實(shí)表面張力受溫度、鹽度和活性劑濃度調(diào)控，Triton-X-100的張力部分恢復(fù)特性（5分鐘內(nèi)恢復(fù)47%）模擬了天然海面的動(dòng)態(tài)行為。  

 

結(jié)論：  

1. 氣體擴(kuò)散抑制：天然SML和人工表面活性劑通過(guò)增厚DBL顯著抑制氧氣擴(kuò)散，最大抑制率達(dá)81%。  

2. DBL動(dòng)態(tài)機(jī)制：DBL厚度受表面活性劑濃度驅(qū)動(dòng)，高濃度（>400μg L?1）導(dǎo)致DBL穩(wěn)定性增強(qiáng)，但天然SML的DBL因生物活動(dòng)而不穩(wěn)定（過(guò)濾海水DBL在120分鐘內(nèi)減少98μm）。  

3. 表面活性劑差異：Triton-X-100更接近天然SML行為（張力部分恢復(fù)），油醇形成持久單層膜，代表海面油膜特性。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

丹麥Unisense微電極（OX-50和TP-200）通過(guò)以下方式提供高分辨率原位數(shù)據(jù)：  

1. 高時(shí)空精度：響應(yīng)時(shí)間<5秒，空間分辨率100μm（圖1），直接捕捉氧氣濃度梯度（圖2a-f）和DBL厚度變化（圖3a-c）。例如，原位測(cè)量顯示天然SML使DBL增至500μm（表6），解釋為何氧氣擴(kuò)散速率降低78%。  

2. 環(huán)境模擬創(chuàng)新：電極倒置設(shè)計(jì)（圖1）結(jié)合氮?dú)忭斂眨ㄈ斯ぬ荻龋┠M開(kāi)放海域條件，首次量化停滯水體中SML對(duì)氣體通量的抑制效應(yīng)（表3）。  

3. 機(jī)制可視化：通過(guò)動(dòng)態(tài)剖面（如油醇使DBL穩(wěn)定在442μm，表5）揭示表面活性劑通過(guò)增厚DBL而非生化作用抑制擴(kuò)散，為海氣通量模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。  

4. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：避免采樣擾動(dòng)，克服傳統(tǒng)方法（如氡示蹤）在實(shí)驗(yàn)室與實(shí)地測(cè)量間的差異，證實(shí)天然SML的DBL可達(dá)1100μm（文獻(xiàn)支持），遠(yuǎn)高于開(kāi)放海域（36μm）。