Результаты 2018 года

1. Исследованы зависимости коэффициента затухания гравитационно-капиллярных волн (ГКВ) от толщины плёнок нефтяной эмульсии на поверхности воды. Эти пленки характеризуются существенной неоднородностью, наиболее сильно проявляющейся в области толщин порядка 1 мкм – 0.1 мм, масштабы неоднородностей меняются от единиц мм до единиц см. Коэффициент затухания ГКВ в данной области толщин, однако, оказывается практически независящим от характеристик неоднородностей. Теоретические расчеты коэффициента затухания ГКВ показали его слабую зависимость от толщины для тонких плёнок, что может объяснять слабое влияние неоднородностей на затухание ГКВ. Для более толстых нефтяных плёнок коэффициент затухания ГКВ растет с толщиной и при величинах последней порядка 1–2 мм достигает максимума. На основе сравнения численных расчётов и эксперимента получены оценки вязкоупругих характеристик нефтяных плёнок.
Выполнено лабораторное моделирование влияния неоднородности толщины плёнок на затухание ГКВ. В качестве модельной пленки использовался насыщенный монослой ПАВ – олеиновой кислоты, соседствующий с каплями (линзами) ПАВ макроскопической толщины и варьируемой площади. Показано, что затухание ГКВ возрастает с ростом относительной площади «линзовой фазы», начиная с величин 0,4–0,5. Дано физическое объяснение эффекта, основанное на действии линз как эффективных стенок для ГКВ, уменьшающих относительную площадь монослоя и увеличивающих вклад стенок в общее затухание. Предложена эмпирическая зависимость эффективной упругости неоднородной плёнки от относительной площади «линзовой фазы».

2. В лабораторных экспериментах в овальном ветроволновом бассейне (ОВВБ) ИПФ РАН исследован процесс перемешивания плёнок ПАВ в поле ветрового дрейфового течения. Измерены характеристики турбулентности дрейфового течения, получены зависимости характеристик плёнок ПАВ (олеиновая кислота) от скорости ветра. Показан рост коэффициента поверхностного натяжения (КПН) и падение упругости плёнки с ростом скорости ветра, что доказывает усиление процессов перемешивания ПАВ в поле ветрового дрейфового течения. В лабораторных экспериментах по изучению перемешивания плёнок ПАВ обрушающимися волнами установлено, что начиная с момента обрушения волн и до времен порядка 15–20 мин. КПН заметно возрастает, а упругость падает, что указывает на разрушение плёнки и перенос ПАВ вглубь воды. С ростом амплитуды обрушающихся волн усиливается процесс разрушения плёнки, её перемешивания и «очищения» поверхности воды. На временах более 20–30 мин. после прохождения обрушающихся волн начинается процесс восстановления плёнки.

3. Выполнены натурные эксперименты по растеканию плёнок при малых и умеренных скоростях ветра в отсутствии сильных обрушений ветровых волн. Получено, что скорости растекания плёнок определяются, прежде всего, скоростью ветра и слабо меняются при изменениях КПН, упругости плёнок, температуры воды в практически важных диапазонах изменения этих параметров. Установлено, что растекание пятна ПАВ и рост во времени его продольной и поперечной к ветру осей отвечает начальной стадии эволюции сликов, далее оси достигают некоторых постоянных величин, а последующая стадия характеризуется процессом сжатия слика – уменьшением площади и тенденцией к аксиальной симметрии формы пятна. Развита модифицированная физическая модель эволюции слика, учитывающая зависимость КПН и упругости плёнки от концентрации ПАВ и изменения этих характеристик плёнки в процессе растекания. Модель показала удовлетворительное количественное согласие с данными экспериментов. Определённые в натурных экспериментах скорости движения «центра тяжести» сликов в целом превысили традиционную оценку скорости ветрового дрейфа для чистой поверхности воды. Это позволяет полагать, что слики движутся быстрее окружающего поверхностного слоя воды.

4. Сделана подборка спутниковых данных о морских сликах различной природы и с различной структурой границы (каталог), в первую очередь с «гребенчатой структурой» (ГС). На основе анализа спутниковых изображений сликов, а также данных натурных экспериментов с искусственными сликами на Чёрном море установлено, что ГС формируются на наветренной границе сликов, параллельны ветру и характерны как для плёнок нефтепродуктов, так и биогенных плёнок. Характерные поперечные масштабы ГС близки к масштабам ветровых полос – ленгмюровских циркуляций (ЛЦ). Предложено физическое объяснение механизма формирования ГС, основанное на перераспределении вещества плёнки в поле течений, связанных с ЛЦ.
На основе подбора и анализа последовательных спутниковых изображений одних и тех же сликов оценены скорости дрейфа сликов. В частности, оценка скорости движения слика в поле ветрового дрейфа превысила известную из литературы оценку дрейфа поверхностного слоя воды. Это, возможно, связано с тем, что слики движутся под действием ветра быстрее окружающей воды.

5. В ходе контролируемых лабораторных экспериментов по радиолокационному (РЛ) зондированию ГКВ см-диапазона в присутствии плёнок ПАВ установлено, что в доплеровском спектре РЛ сигнала в области частот 50–120 Гц могут наблюдаться пики, величина которых сильно зависит от упругости пленки. Эти пики достаточно хорошо выражены для плёнок с малой упругостью (менее 3–4 мН/м), при этом, как показали измерения, вблизи гребней и на переднем склоне ГКВ достаточно отчётливо выражены и нелинейные структуры волнового профиля (НСВП) – паразитная рябь и toe/bulge структуры. С ростом упругости плёнок увеличивается затухание волн и уменьшаются наклоны НСВП, при этом же уменьшается и уровень пиков в доплеровском спектре. Показано, что на воде, покрытой плёнкой с малой упругостью, интенсивности сигнала на вертикальной (ВВ) поляризации сравнимы с интенсивностью сигнала на горизонтальной (ГГ) поляризации, соответственно, поляризационное отношение имеет величину, близкую к единице, при этом на профиле ГКВ, как правило, наблюдаются toe/bulge структуры с большими величинами наклонов. Это позволяет заключить, что такие структуры и дают основной вклад в рассеяние, которое оказывается почти неполяризованным. Для плёнок с большей упругостью (более 5–10 мН/м), toe/bulge структуры, как показали эксперименты, сильно сглаживаются, поляризационное отношение увеличивается, соответственно, вклад неполяризованной компоненты в рассеяние микроволн уменьшается и возрастает относительный вклад Брэгговского рассеяния.

6. Получены новые данные натурных экспериментов по РЛ зондированию искусственных плёночных сликов. Получено, что контрасты для Брэгговской и неполяризованной компонент РЛ сигналов X-, C-, S-диапазонов сравнимы по порядку величины и демонстрируют схожую зависимость от волнового числа, а именно монотонный рост для случаев «по ветру» и «навстречу ветру» и слабое спадание для случая «поперек ветра». Подавление Брэгговской компоненты рассеяния обусловлено вязким затуханием резонансной Брэгговской ряби, уменьшение неполяризованной компоненты связывается с воздействием плёнки на нелинейные ГКВ см-дм-диапазонов, в том числе на паразитную рябь и bulge и toe структуры на профиле ГКВ. С ростом скорости ветра контрасты сликов как для Брэгговской, так и для неполяризованной компонент, уменьшаются. Показано, что интенсивности Брэгговской и неполяризованной компонент рассеяния варьируются вдоль профиля длинных ветровых волн. Брэгговская компонента слабо модулируется длинной волной и доминирует близи впадин длинных волн. Неполяризованная компонента характеризуется появлением сильных пиков (spikes) вблизи гребней длинных волн, очевидно благодаря усилению микрообрушения ветровых ГКВ см-дм диапазона.