Проект РНФ № 23-17-00167

Исследование влияния плавающих пластиковых объектов и биогенных плёнок на распространение поверхностных волн в приложении к проблеме радиолокационного зондирования пластикового мусора в океане

Руководитель проекта: Ермаков Станислав Александрович

Лабораторные исследования затухания линейных гравитационно-капиллярных волн (ГКВ) на воде с имитаторами пластикового мусора (ПМ) выполнялись в овальном ветроволновом бассейне ИПФ РАН. Изучались особенности распространения и затухания ГКВ см-дм диапазона на воде, покрытой полиэтиленовыми (ПЭ) пленками разного размера. Получены экспериментальные зависимости коэффициента затухания регулярных ГКВ как функции частоты волны для трех толщин плёнок (20 мкм, 200 мкм, 2 мм). Показано, что коэффициент затухания ГКВ растёт с ростом толщины плёнки и слабо зависит от размера плёнки, если её длина порядка или больше длины ГКВ. На основе сравнения теории и данных лабораторных измерений затухания ГКВ на плёнках нерастворимых поверхностно-активных веществ (ПАВ) показано, что затухание ГКВ в присутствии ПЭ плёнок с толщинами несколько десятков мкм можно описывать как затухание для плёнок с высокими значениями упругости (в пределе – абсолютно нерастяжимыми) с нулевыми изгибными напряжениями. Для плёнок толщиной более 100 мкм наблюдается отличие величины коэффициента затухания от модели нерастяжимой плёнки в 1,5–2 раза, что свидетельствует о необходимости учёта поправок на изгибные напряжения в плёнке.

Проведены лабораторные исследования влияния ПЭ плёнок на профиль сильнонелинейных ГКВ см-дм-диапазона с использованием фотосъёмки со специальной подсветкой плоским лазерным пучком. Получены экспериментальные зависимости крутизны паразитной капиллярной ряби и bulge/toe-структур от амплитуды несущих сильнонелинейных ГКВ см-дм-диапазона при разных относительных размерах имитаторов ПМ (ПЭ плёнок), их разной форме и положении в воде. Показано, что ПЭ плёнка сильнее подавляет паразитную капиллярную рябь на профилях крутых ГКВ, тогда как bulge/toe структуры подавляются слабее. Подавление волн и нелинейных структур на профиле ГКВ тем сильнее, чем толще плёнка. В случае заглубления плёнки на поверхности воды над плёнкой наблюдаются в основном волны с длинами 2–3 см, связанные с колебаниями ПЭ плёнки под действием ГКВ, профили самих дециметровых ГКВ сильно искажаются, характерные нелинейные структуры на профиле ГКВ не выделяются.

Натурные исследования затухания ГКВ в присутствии ПМ проводились на Горьковском водохранилище. В качестве имитаторов ПМ использовались ПЭ плёнки толщиной 200 мкм и 2 мм. Было зарегистрировано ослабление ветровых волн при прохождении области, занятой ПЭ плёнкой, получены зависимости коэффициента затухания ветровых волн от частоты. Сравнение измеренных в эксперименте коэффициентов затухания и рассчитанных в рамках теории для случая нерастяжимой упругой плёнки продемонстрировало их хорошее согласие на частотах ветровых волн порядка 1–2 Гц, которые доминируют в спектре ветрового волнения при скоростях ветра 3–4 м/с. Коэффициент затухания слабо зависит от размеров ПМ. Полученные в натурных экспериментах результаты находятся в хорошем соответствии с данными лабораторных экспериментов.

Исследования, связанные с микроводорослями-обрастателями ПМ и продуцируемыми ими ПАВ проводились на озёрах Нижегородской области (Пустынские озера), в реке Миасс и озере Тургояк (Южный Урал). Сформирован массив данных о составе фитопланктона Пустынских озёр, видах-обрастателях погруженного ПМ и показателях их количественного развития (концентрация клеток и биомасса). Общий список включал представителей из восьми таксономических групп. В фитопланктоне отмечен 61 таксон с преобладанием зелёных (31–37%) и синезелёных (25–31%). Обнаружено, что список видов обрастателей богаче, чем состав фитопланктона – 152 таксона, с преобладанием на всех видах пластика диатомей (34–59%), синезелёных (15–35%) и зелёных (7–25%). Максимальное число видов водорослей отмечено на плёнках LDPE, минимальное – на полистироле (PS). Наиболее чёткое разделение состава планктона и обрастателей отмечалось с десятого дня экспозиции, причём состав водорослей одинаковых пластиков в разных водоёмах различался, а численность с увеличением экспозиции возрастала.

Показано, что в реке Миасс на LDPE‐плёнках преобладали сидячие панцирные амёбы, развивались прикреплённые диатомеи, встречались корковые зелёные; в оз. Тургояк – доминировали корковые зелёные, массово обитали диатомеи трихомные и коккоидные формы цианопрокариот. Обнаружено, что колонизация плёнок отдельными видами различалась для разных местообитаний, зависела от микрорельефа поверхности.

Получено, что давление и упругость биогенных поверхностных плёнок, связанных с водорослями-обрастателями (Пустынские озера) увеличивались со временем и после 10-дневной экспозиции достигали насыщения. Наиболее значительный рост параметров плёнок обнаружен для PET, наименее выражен – для PS. Показано, что давление и упругость биоплёнок являются растущими функциями концентрации и биомассы обрастателей и не сильно зависят от глубины расположения образцов.

Показано, что «фоновые» биогенные плёнки в эвтрофном водоёме в областях сильного цветения фитопланктона являются достаточно толстыми, имеют вид «корки» и проявляются на спутниковых изображениях в ближнем и коротковолновом ИК-диапазонах (NIR и SWIR) как яркие области за счёт пиков обратных контрастов в этих диапазонах. Такая особенность контраста толстой пленки по сравнению с тонкими биогенными и мономолекулярными плёнками ПАВ может быть использована в качестве дополнительной информации для дистанционной диагностики биогенных плёнок.

Натурные эксперименты по исследованию динамики ПМ в поле ветроволновых течений проводились на Горьковском водохранилище. Для имитации ПМ использовались гирлянды из ПЭ пакетов. Установлено, что ПМ, как при слабых, так и при умеренных ветрах, вытягивается вдоль направления скорости ветра. При скоростях ветра 5–7 м/с и формировании на водной поверхности пенных полос, ассоциирующихся с циркуляциями Ленгмюра, обнаружен эффект втягивания (локализации) гирлянд ПМ в ветровые пенные полосы.

Лабораторные эксперименты по исследованию влияния ПМ на водной поверхности и в приповерхностном слое на отраженный радиолокационный (РЛ) сигнал Ка-диапазона проводились в овальном ветроволновом бассейне ИПФ РАН. Эксперименты с механически возбуждаемыми ГКВ показали, что интенсивность радиолокационного (РЛ) сигнала Ка-диапазона при умеренных углах падения при отражении от поверхности, покрытой ПМ на примере ПЭ плёнки, уменьшается в разы по сравнению с отражением от чистой поверхности воды, рассеяние становится неполяризованным. Это объясняется более сильным подавлением плёнкой паразитной капиллярной ряби (основным источником брэгговского рассеяния) по сравнению с bulge/toe структурами на профиле крутых ГКВ. Лабораторные эксперименты с ветровыми волнами и притопленной ПЭ плёнкой показали, что интенсивность РЛ рассеяния в присутствии плёнки также уменьшается, а сам эффект становится слабее с ростом скорости ветра. Гашение волн притопленной плёнкой связано с частичным затуханием крутых ГКВ и, как результат, подавлением вынужденной паразитной ряби, при этом свободная ветровая рябь брэгговского диапазона длин гасится сравнительно слабо. С ростом скорости ветра наблюдается заглубление ПЭ плёнки, поэтому её влияние на волны снижается, а интенсивность рассеяния приближается к рассеянию на воде без плёнки.

Натурные эксперименты по исследованию РЛ сигналов рассеянных ПМ проводились на Горьковском водохранилище с использованием скаттерометра Ка-диапазона и двухполяризационного (VV/НН) радара S/C/X диапазонов. В натурных условиях РЛ рассеяние в присутствии ПЭ плёнки с пузырями воздуха («объёмный ПМ») существенно выше, чем на ветровом волнении. Обнаружено значительное (в единицы – десятки раз) ослабление интенсивности РЛ сигнала в подветренной по отношению к плавающей на воде плёнке области ветрового волнения – эффект «следа» ПМ, величина эффекта зависит от азимутального угла зондирования. При заглублении ПЭ плёнки в приповерхностном слое воды интенсивность РЛ рассеяния из области над плёнкой уменьшается, эффект ослабевает с ростом скорости ветра. Полученные в натурных экспериментах результаты находятся в хорошем соответствии с данными лабораторных экспериментов.