Результаты 2019 года

1. Проведены лабораторные исследования физических характеристик плёнок смесей поверхностно-активных веществ (ПАВ). Показано, что зависимости коэффициентов затухания поверхностных волн, поверхностного натяжения (КПН) и упругости от концентрации смеси ПАВ для плёнок со схожими характеристиками слабо отличаются от зависимостей для плёнки смеси при одинаковых суммарных концентрациях ПАВ. Для плёнок с сильно различающимися характеристиками свойства плёнки смеси заметно отличаются от каждой из компонент, принимая в целом промежуточные значения соответствующих характеристик. На примере плёнок додецилового спирта (DA) и жирного полимера Emkarox получено, что при малых концентрациях ПАВ, где упругость полимера превышает упругость DA, коэффициент затухания и упругость плёнки смеси оказываются более близкими к плёнке Emkarox. С ростом концентрации ПАВ, когда плёнка Emkarox становится «мягкой», характеристики плёнки смеси ПАВ становятся более близкими к плёнке DA. С понижением температуры воды упругость плёнок ПАВ возрастает.

2. На основе данных лабораторных экспериментов и численного моделирования в рамках модели двухслойной вязкой жидкости развита феноменологическая модель затухания гравитационно-капиллярных волн (ГКВ) в присутствии биогенных и антропогенных загрязняющих плёнок конечной толщины на водной поверхности. В модели использованы эффективная поверхностная и межфазная упругости, введённые феноменологически по аналогии с упругостью мономолекулярных плёнок чистых поверхностно-активных веществ. Определена эффективная упругость плёнок сложного состава и структуры, в том числе плёнок нефтепродуктов – сырой нефти, нефтяной эмульсии, керосина, дизельного топлива в практически интересном диапазоне толщин плёнок (от единиц мкм до нескольких мм), типичных для разливов нефтепродуктов при их добыче и транспортировке, для длин ГКВ, соответствующих рабочим длинам волн микроволновых радиолокаторов, используемых для дистанционного, в том числе, спутникового зондирования океана.

3. Выполнен большой объём натурных исследований вариаций характеристик ветровых волн в присутствии поверхностных плёнок с использованием радиофизических методов. Получено, что характеристики радиолокационного (РЛ) сигнала Х-диапазона на вертикальной (ВВ) поляризации – интенсивность, доплеровский сдвиг и модуляционная передаточная функция (МПФ) для случая чистой поверхности воды и зондировании навстречу ветру удовлетворительно описывается в рамках модели квазилинейных мелкомасштабных ветровых волн с брэгговской длиной с учётом их гидродинамического и геометрического механизмов модуляции. Вариации интенсивности РЛ сигнала на горизонтальной (ГГ) поляризации, а также неполяризованной компоненты носят принципиально иной характер: наряду с малым «фоновым» уровнем РЛ сигнала, который аналогично брэгговской компоненте слабо модулируется длинной волной, имеется компонента в виде коротких всплесков интенсивности (spikes). Периоды всплесков в несколько раз превышают периоды длинных волн, но в них заключена значительная часть мощности рассеянного сигнала. В присутствии плёнки ПАВ интенсивность РЛ сигнала уменьшается, при этом модуль МПФ для обеих поляризаций возрастает в силу модуляции характеристик плёнок длинной волной, а также, что более существенно, из-за возрастания относительного вклада механизма сильной («каскадной») модуляции нелинейных (вынужденных) компонент поверхностных волн. В ходе лабораторных экспериментов в овальном ветроволновом бассейне ИПФ РАН (ОВВБ) подтвержден эффект усиления модуляции РЛ сигнала Ка-диапазона в поле длинных волн в присутствии плёнки ПАВ и его связь с действием механизма каскадной модуляции паразитной капиллярной ряби мм-диапазона, возбуждаемой нелинейными ГКВ см-дм-диапазона длин.

4. В условиях контролируемого лабораторного эксперимента в ОВВБ обнаружен и исследован эффект изменчивости характеристик РЛ сигнала Ка-диапазона и характеристик ГКВ, связанный с сильными обрушениями волн метрового диапазона длин. Показано, что РЛ сигнал в момент прохождении зон обрушений волн характеризуется широким частотным спектром, низкочастотная часть которого, присутствующая и до обрушения, отвечает рассеянию на ветровых ГКВ см-дм-диапазона, а возникающие при обрушении интенсивные высокочастотные компоненты – РЛ рассеивателям, генерируемым в области обрушения и движущимся с большой скоростью длинной волны. После обрушения высокочастотные компоненты в спектре РЛ сигнала отсутствуют, а интенсивность низкочастотной части спектра спадает со временем и на некоторое время становится меньше фонового уровня. Эффект обусловлен затуханием ГКВ на турбулентности, генерируемой обрушивающейся волной. По данным измерений снижения интенсивности РЛ сигнала после обрушения получена оценка коэффициентов затухания ветровых ГКВ см-диапазона и турбулентной вязкости, которая на два порядка превысила кинематическую молекулярной вязкости воды. В ходе измерений исследованы характеристики турбулентности в зоне обрушения, получены оценки пульсационных турбулентных скоростей и на основе полуэмпирической теории турбулентности дана независимая оценка турбулентной вязкости. Продемонстрировано удовлетворительное согласие обеих оценок турбулентной вязкости.

5. В ходе экспериментов в волновых бассейнах ИПФ РАН и ВГУВТ исследованы особенности формы границы плёнки в поле ГКВ большой крутизны, показано, что граница «поджимаемой» поверхностными волнами плёнки имеет изрезанную форму. Это связано с модуляцией амплитуды сильно нелинейных ГКВ вдоль их фронтов и, соответственно, с локальными вариациями скоростей индуцируемых волновых течений. В натурных экспериментах установлены новые особенности растекания плёнок – существенная зависимость скорости изменения продольной оси слика и слабая зависимость поперечной к направлению ветра оси от скорости ветра. Разработана полуэмпирическая модель эволюции плёночных сликов на морской поверхности, основанная на уравнении баланса сил, действующих на плёнку вблизи ее границы, включая силы поверхностного натяжения, трение в вязком пограничном слое и поверхностные напряжения, индуцированные ветровыми волнами, эмпирические коэффициенты в выражениях для сил определены из экспериментов. Модель учитывает эффекты растекания плёнки под действием сил поверхностного натяжения, изменение КПН плёнки из-за перемешивания ПАВ при обрушении волн, замедления растекания или компрессию плёнки в поперечном к ветру направлении за счет действия поперечных по отношению к ветру компонент индуцированных волновых напряжений, вытягивание сликов вдоль ветра за счёт предложенного нового механизма «перетекания» плёнки с боковых частей слика под действием продольных компонент индуцированных напряжений на его подветренную часть, где эти напряжения малы, а также влияние продольных компонент волновых напряжений на дрейф сликов. Описаны наблюдаемые в эксперименте особенности динамики сликов: асимметрия формы сликов по отношению к направлению ветра, зависимости продольной и поперечной по отношению к направлению ветра длин осей слика от времени и от скорости ветра, предсказано, что плёночные слики под действием ветра и волн дрейфуют со скоростью большей, чем скорость приповерхностного микрослоя на поверхности чистой воды. Данные особенности, ранее не рассматривавшиеся в литературе, крайне важны для описания распространения биогенных и антропогенных плёнок, в том числе, нефтяных загрязнений по поверхности океана.

6. В ходе лабораторных экспериментов в ОВВБ ИПФ РАН исследованы особенности РЛ рассеяния Ка-диапазона на цуге сильно обрушающихся волн дм-м-диапазона длин при умеренных углах падения электромагнитного излучения. Показано, что поверхностные возмущения, возникающие в окрестности гребня волны на обрушении типа “spilling” (с образованием «соскальзывающего буруна», пузырьков и пены), приводят к интенсивным всплескам сигнала обратного рассеяния при прохождении обрушения. Отношение интенсивностей РЛ сигнала на соосных, ВВ и ГГ поляризациях близко к единице, что свидетельствует о небрэгговском характере отражения, вклад Брэгговского механизма в рассеяние мал. Плёнки ПАВ с концентрациями, отвечающими мономолекулярным плёнкам, слабо влияют на характеристики РЛ сигнала, что обусловлено разрывом плёнки в области обрушения.

7. В ходе натурных экспериментов получен большой массив данных по микроволновому РЛ зондированию ветровых волн в плёночных сликах. С использованием трёхчастотного двухполяризационного радиолокатора ИПФ РАН впервые установлено, что в широком диапазоне скоростей ветра (5–12 м/с) контраст для брэгговской компоненты РЛ сигнала растет с ростом волнового числа микроволнового излучения при наблюдениях вдоль ветра и спадает с волновым числом для случая зондирования «поперек ветра». Контраст для неполяризованной компоненты растёт с увеличением волнового числа для всех азимутальных углов при зондировании и параллельно, и перпендикулярно скорости ветра. Данные особенности контраста могут быть использованы при разработке алгоритмов дистанционной диагностики плёнок на морской поверхности.