2.1 海洋大氣環(huán)境

在海面上，由于風(fēng)吹和海浪間的撞擊產(chǎn)生許多泡沫。當(dāng)這些泡沫破碎后，形成海水霧滴和氣溶膠擴(kuò)散到大氣中，這樣在海面上直接形成了一層充滿鹽分的邊界層，如圖2-1所示。這個邊界層的高度和鹽分濃度與其所在海域的海情有關(guān)。在高海情下，氣溶膠中的顆粒較大，所占百分比大，鹽分濃度也大。從圖2-1看出，在同一高度上，空氣中含鹽量隨海情的升高成對數(shù)函數(shù)增長。在同一海情下，含鹽量隨距離水面高度的降低也成對數(shù)函數(shù)增長。

泡沫破裂產(chǎn)生霧滴的過程如圖2-2所示。

即使在平靜的海面上，也會不斷地產(chǎn)生霧滴。噴出的霧滴大部分直徑為1～30μm，也有小于1μm的，但因其所占的比例較小，可略去不計(jì)。噴出的霧滴一般又返回水中，當(dāng)風(fēng)速低時(shí)，其沉降率高。若空氣相對濕度超出邊界值而小于80%時(shí)，霧滴很快蒸發(fā)成微小的晶粒或成為鹽的過飽和液滴。直徑1～30μm的液滴中將含有（0.01～5）×10-10g的鹽。直徑小于50μm的霧滴的沉降速度決定于斯托克斯定律，即當(dāng)d>1.0μm和Re<1.0時(shí)，則霧滴沉降速度v_TS可用式（2-1）表示：

式中 g——重力加速度（m/s2）；

d——霧滴直徑（m）；

ρ_P——霧滴的密度（kg/m3）；

ρ——空氣的密度（kg/m3）；

η——空氣的黏度[kg/（m·s）或Pa·s]。

從式（2-1）中看出，霧滴沉降速度隨霧滴直徑d的增加而迅速增加，同d2成正比，與空氣的黏度η成反比，而與空氣的密度無關(guān)，因?yàn)殪F滴密度約為空氣密度的800倍，故可略去，其造成的誤差僅有0.1%。

若ρ_P為1000kg/m3的球形霧滴，在20℃條件下，空氣的黏度η=1.81×10-5Pa·s，且11μm<d<100μm，則式（2-1）可簡化為

式中，v_TS的單位是m/s；d的單位是μm。

雷諾數(shù)Re這個無量綱量是理解氣溶膠顆粒空氣動力性質(zhì)的一個關(guān)鍵。在這里它描述繞過氣溶膠顆粒障礙物體的流體的流動。其可表示為

式中 ρ——空氣密度（kg/m3）；

v——速度（m/s）；

d——特征長度（m）；

η——空氣的黏度[kg/（m·s）或Pa·s]。

當(dāng)溫度為20℃時(shí)，把ρ=1.20kg/m3和η=1.81×10-5Pa·s代入式（2-3）得

式中，v的單位是m/s；d的單位是m。

在此要特別指出的是，ρ是空氣的密度，而不是氣溶膠顆粒的密度。

此時(shí)v=v_TS，將式（2-2）代入式（2-4），得

式中，d的單位是m。

在低風(fēng)速情況下產(chǎn)生的霧滴直徑通常不大于30μm，其沉降速度不大于0.027m/s，若風(fēng)速的垂直分量大于此時(shí)的沉降速度，霧滴就可以從海平面向上移動并保持懸浮狀態(tài)。

在風(fēng)速的水平分量達(dá)到6.705m/s或更大時(shí)，開始形成白帽浪，此時(shí)將產(chǎn)生大霧滴，并有更多的霧滴做垂直方向的移動。霧滴的大小和分布與風(fēng)速有關(guān)，一般認(rèn)為可由風(fēng)速來確定霧滴濃度和大小的分布。

國外從燃?xì)廨啓C(jī)艦用化開始就逐漸以實(shí)驗(yàn)手段為主開展了海洋氣溶膠以及進(jìn)氣過濾技術(shù)的研究。海水中的含鹽量高，海面上方的空氣中也相應(yīng)地含有一定的鹽分，艦船發(fā)動機(jī)直接吸入這些含有大量鹽霧顆粒的空氣將會造成發(fā)動機(jī)葉片的腐蝕。因此，國外在20世紀(jì)70年代就開始了對船用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口空氣以及海面不同高度空氣中含鹽量的研究，這些研究多是通過設(shè)計(jì)特殊的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場測量，通過大量實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出各種等動力采樣系統(tǒng)。如美國海軍實(shí)驗(yàn)室（naval research laboratory）在20世紀(jì)80年代初研發(fā)了一套實(shí)船發(fā)動機(jī)進(jìn)氣等動力采樣系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在斯普魯恩斯型驅(qū)逐艦上（USS Spruance DD-963）。另外，英國近海國家實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)70年代末研發(fā)了一系列機(jī)載等動力采樣系統(tǒng)，對北海海平面不同高度大氣中的含鹽量展開了大量的實(shí)驗(yàn)研究。美國賓夕法尼亞大學(xué)以及美國宇航局（NASA）分別設(shè)計(jì)了一套可在高空采集亞微米顆粒的等動力采樣系統(tǒng)。這些系統(tǒng)用于艦載或者機(jī)載或者高空高速采樣，其采樣頭和樣品收集容器高度集成。

海洋環(huán)境下的鹽霧氣溶膠粒徑分布和濃度因海域和海況的不同而不同，美國、英國和蘇聯(lián)對此都進(jìn)行過專門的測試。表2-1所列是英國國家燃?xì)廨啓C(jī)研究院制訂的通用標(biāo)準(zhǔn)。它是根據(jù)大量的海鹽氣溶膠取樣的平均值得出的。

若考慮到船舶高速航行時(shí)與海浪相互作用激起的大量浪花、懸浮在空氣中的海水小液滴以及霧化的鹽霧氣溶膠，進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口鹽霧濃度可能更高。各型艦船面臨的進(jìn)氣口鹽霧濃度隨艦船構(gòu)造、航行速度、進(jìn)氣口高度和布置以及面臨的海況息息相關(guān)。英國等歐洲海軍發(fā)達(dá)國家把艦船進(jìn)氣口標(biāo)準(zhǔn)海況下含鹽濃度定義為3.6ppm，我國目前則參照GJB要求，把進(jìn)氣口標(biāo)準(zhǔn)海況下的含鹽濃度定義為4.2ppm[1]。

氣溶膠一般定義為固相或液相顆粒在氣體中的懸浮體系。氣體通常是空氣，顆粒尺寸范圍在0.001μm到100μm之間，通常指顆粒直徑。

在鹽霧氣溶膠中的鹽以結(jié)晶還是以飽和狀態(tài)存在，取決于最初的相對濕度。開始時(shí)若鹽是飽和霧滴，則在水-氣邊界上有較高的相對濕度。當(dāng)相對濕度降低到45%或以下時(shí)，霧滴逐漸消失，形成結(jié)晶，有出現(xiàn)可溶性氯化鎂和氯化鈣的可能。相反，若鹽形成結(jié)晶后，直到相對濕度增加到73%，結(jié)晶也不會溶化。只有在相對濕度達(dá)73%以上時(shí)，結(jié)晶才會潮解，逐漸變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，如圖2-3所示。外界或大氣層相對濕度對海面鹽霧氣溶膠液滴的實(shí)際直徑有影響。空氣濕度的增加或降低，會使氣溶膠液滴的直徑隨著凝結(jié)或蒸發(fā)水分的含量而變化。

從圖2-3看出，當(dāng)相對濕度從90%增加到100%時(shí)，鹽霧液滴的直徑增加得最快；當(dāng)相對濕度下降到80%，部分液滴開始蒸發(fā)時(shí)，殘余的氣溶膠呈黏性；而下降到40%時(shí)，含鹽液滴則變成干鹽晶粒。在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，始終存在一個過渡區(qū)，也稱為狀態(tài)共存區(qū)。

在大洋上，自然力產(chǎn)生的氣溶膠一般呈懸浮狀態(tài)，經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間后，與相對濕度達(dá)到平衡。但這種平衡是暫時(shí)的，氣候變化萬千，所以海上氣溶膠狀態(tài)始終處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

以上所說的均未考慮艦船在航行中自身造成的行波和飛濺對海面上氣溶膠的影響。因?yàn)榇w和水波相互作用而產(chǎn)生的水霧會影響艦船艙面上的氣溶膠的狀態(tài)。

海洋上，相對濕度隨距海面的高度升高而明顯降低。通常在海面處的相對濕度約為98%；在距海面8m處的平均相對濕度為80%左右；在距海面30～45m處的相對濕度則為75%左右，這是干鹽晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡望}霧液滴的濕度值。一般來說，海面上的空氣相對濕度很少低于45%。因此，海面上的空氣中很少含干鹽晶粒，實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)表明鹽霧傾向于“濕”。中東海灣地區(qū)是例外，其氣溫高、相對濕度低、陸地多沙漠。

由艦船航行導(dǎo)致的氣溶膠和波浪作用產(chǎn)生的氣溶膠不會同時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。艦船艏部效應(yīng)所激起的海浪，其噴濺程度隨艦船航速、噸位、航向、風(fēng)浪走向和艦體型線而變，其所造成的氣溶膠和霧滴在尺寸、重量和濕度上都超過穩(wěn)態(tài)的自然氣溶膠，它們發(fā)生在自然氣溶膠邊界層的下部，對發(fā)動機(jī)吸氣有直接影響。因此，實(shí)際鹽霧氣溶膠相當(dāng)復(fù)雜多變，以至于研究人員在海洋上取樣時(shí)所測得的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。