2.1 海洋大气环境

在海面上，由于风吹和海浪间的撞击产生许多泡沫。当这些泡沫破碎后，形成海水雾滴和气溶胶扩散到大气中，这样在海面上直接形成了一层充满盐分的边界层，如图2-1所示。这个边界层的高度和盐分浓度与其所在海域的海情有关。在高海情下，气溶胶中的颗粒较大，所占百分比大，盐分浓度也大。从图2-1看出，在同一高度上，空气中含盐量随海情的升高成对数函数增长。在同一海情下，含盐量随距离水面高度的降低也成对数函数增长。

泡沫破裂产生雾滴的过程如图2-2所示。

即使在平静的海面上，也会不断地产生雾滴。喷出的雾滴大部分直径为1～30μm，也有小于1μm的，但因其所占的比例较小，可略去不计。喷出的雾滴一般又返回水中，当风速低时，其沉降率高。若空气相对湿度超出边界值而小于80%时，雾滴很快蒸发成微小的晶粒或成为盐的过饱和液滴。直径1～30μm的液滴中将含有（0.01～5）×10-10g的盐。直径小于50μm的雾滴的沉降速度决定于斯托克斯定律，即当d>1.0μm和Re<1.0时，则雾滴沉降速度v_TS可用式（2-1）表示：

式中 g——重力加速度（m/s2）；

d——雾滴直径（m）；

ρ_P——雾滴的密度（kg/m3）；

ρ——空气的密度（kg/m3）；

η——空气的黏度[kg/（m·s）或Pa·s]。

从式（2-1）中看出，雾滴沉降速度随雾滴直径d的增加而迅速增加，同d2成正比，与空气的黏度η成反比，而与空气的密度无关，因为雾滴密度约为空气密度的800倍，故可略去，其造成的误差仅有0.1%。

若ρ_P为1000kg/m3的球形雾滴，在20℃条件下，空气的黏度η=1.81×10-5Pa·s，且11μm<d<100μm，则式（2-1）可简化为

式中，v_TS的单位是m/s；d的单位是μm。

雷诺数Re这个无量纲量是理解气溶胶颗粒空气动力性质的一个关键。在这里它描述绕过气溶胶颗粒障碍物体的流体的流动。其可表示为

式中 ρ——空气密度（kg/m3）；

v——速度（m/s）；

d——特征长度（m）；

η——空气的黏度[kg/（m·s）或Pa·s]。

当温度为20℃时，把ρ=1.20kg/m3和η=1.81×10-5Pa·s代入式（2-3）得

式中，v的单位是m/s；d的单位是m。

在此要特别指出的是，ρ是空气的密度，而不是气溶胶颗粒的密度。

此时v=v_TS，将式（2-2）代入式（2-4），得

式中，d的单位是m。

在低风速情况下产生的雾滴直径通常不大于30μm，其沉降速度不大于0.027m/s，若风速的垂直分量大于此时的沉降速度，雾滴就可以从海平面向上移动并保持悬浮状态。

在风速的水平分量达到6.705m/s或更大时，开始形成白帽浪，此时将产生大雾滴，并有更多的雾滴做垂直方向的移动。雾滴的大小和分布与风速有关，一般认为可由风速来确定雾滴浓度和大小的分布。

国外从燃气轮机舰用化开始就逐渐以实验手段为主开展了海洋气溶胶以及进气过滤技术的研究。海水中的含盐量高，海面上方的空气中也相应地含有一定的盐分，舰船发动机直接吸入这些含有大量盐雾颗粒的空气将会造成发动机叶片的腐蚀。因此，国外在20世纪70年代就开始了对船用发动机进气口空气以及海面不同高度空气中含盐量的研究，这些研究多是通过设计特殊的实验装置进行现场测量，通过大量实验和优化，设计出各种等动力采样系统。如美国海军实验室（naval research laboratory）在20世纪80年代初研发了一套实船发动机进气等动力采样系统，并将其应用在斯普鲁恩斯型驱逐舰上（USS Spruance DD-963）。另外，英国近海国家实验室在20世纪70年代末研发了一系列机载等动力采样系统，对北海海平面不同高度大气中的含盐量展开了大量的实验研究。美国宾夕法尼亚大学以及美国宇航局（NASA）分别设计了一套可在高空采集亚微米颗粒的等动力采样系统。这些系统用于舰载或者机载或者高空高速采样，其采样头和样品收集容器高度集成。

海洋环境下的盐雾气溶胶粒径分布和浓度因海域和海况的不同而不同，美国、英国和苏联对此都进行过专门的测试。表2-1所列是英国国家燃气轮机研究院制订的通用标准。它是根据大量的海盐气溶胶取样的平均值得出的。

若考虑到船舶高速航行时与海浪相互作用激起的大量浪花、悬浮在空气中的海水小液滴以及雾化的盐雾气溶胶，进气系统进气口盐雾浓度可能更高。各型舰船面临的进气口盐雾浓度随舰船构造、航行速度、进气口高度和布置以及面临的海况息息相关。英国等欧洲海军发达国家把舰船进气口标准海况下含盐浓度定义为3.6ppm，我国目前则参照GJB要求，把进气口标准海况下的含盐浓度定义为4.2ppm[1]。

气溶胶一般定义为固相或液相颗粒在气体中的悬浮体系。气体通常是空气，颗粒尺寸范围在0.001μm到100μm之间，通常指颗粒直径。

在盐雾气溶胶中的盐以结晶还是以饱和状态存在，取决于最初的相对湿度。开始时若盐是饱和雾滴，则在水-气边界上有较高的相对湿度。当相对湿度降低到45%或以下时，雾滴逐渐消失，形成结晶，有出现可溶性氯化镁和氯化钙的可能。相反，若盐形成结晶后，直到相对湿度增加到73%，结晶也不会溶化。只有在相对湿度达73%以上时，结晶才会潮解，逐渐变为饱和状态，如图2-3所示。外界或大气层相对湿度对海面盐雾气溶胶液滴的实际直径有影响。空气湿度的增加或降低，会使气溶胶液滴的直径随着凝结或蒸发水分的含量而变化。

从图2-3看出，当相对湿度从90%增加到100%时，盐雾液滴的直径增加得最快；当相对湿度下降到80%，部分液滴开始蒸发时，残余的气溶胶呈黏性；而下降到40%时，含盐液滴则变成干盐晶粒。在状态转变过程中，始终存在一个过渡区，也称为状态共存区。

在大洋上，自然力产生的气溶胶一般呈悬浮状态，经过相当长时间后，与相对湿度达到平衡。但这种平衡是暂时的，气候变化万千，所以海上气溶胶状态始终处于动态平衡状态。

以上所说的均未考虑舰船在航行中自身造成的行波和飞溅对海面上气溶胶的影响。因为船体和水波相互作用而产生的水雾会影响舰船舱面上的气溶胶的状态。

海洋上，相对湿度随距海面的高度升高而明显降低。通常在海面处的相对湿度约为98%；在距海面8m处的平均相对湿度为80%左右；在距海面30～45m处的相对湿度则为75%左右，这是干盐晶粒转变为饱和盐雾液滴的湿度值。一般来说，海面上的空气相对湿度很少低于45%。因此，海面上的空气中很少含干盐晶粒，实际调查数据表明盐雾倾向于“湿”。中东海湾地区是例外，其气温高、相对湿度低、陆地多沙漠。

由舰船航行导致的气溶胶和波浪作用产生的气溶胶不会同时达到平衡状态。舰船艏部效应所激起的海浪，其喷溅程度随舰船航速、吨位、航向、风浪走向和舰体型线而变，其所造成的气溶胶和雾滴在尺寸、重量和湿度上都超过稳态的自然气溶胶，它们发生在自然气溶胶边界层的下部，对发动机吸气有直接影响。因此，实际盐雾气溶胶相当复杂多变，以至于研究人员在海洋上取样时所测得的数据相差甚远。