Влияние микропластика и ПАВ на шероховатость поверхности водных волн

Jul 04, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1978 (2023) Цитировать эту статью

2899 Доступов

2 цитаты

101 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы изучаем физику потоков, лежащую в основе недавно разработанной возможности дистанционного зондирования для обнаружения океанического микропластика, которая основана на измеримом уменьшении шероховатости поверхности, вызванном присутствием микропластика на поверхности океана. В частности, нас интересует, вызвано ли это снижение шероховатости микропластиком в виде плавающих частиц или поверхностно-активными веществами, которые перемещаются по тем же путям, что и микропластик. С этой целью мы экспериментально проверяем влияние плавающих частиц и поверхностно-активных веществ на шероховатость поверхности, количественно определяемую среднеквадратичным уклоном (MSS), с помощью волн, генерируемых механическим волнообразователем или ветром. Что касается микропластика, мы обнаружили, что его влияние на MSS критически зависит от доли площади покрытия. Затухание частицами наблюдается только для фракций выше O (5–10%), что значительно превышает реалистичное состояние океана. Для поверхностно-активных веществ количественно оценено их демпфирующее воздействие как на механически генерируемые волны, так и на ветровые волны, которые, как показано, гораздо более значительны, чем эффект микропластика. Также идентифицировано несколько новых механизмов/зависимостей для гашения шероховатости поверхностно-активными веществами. Обсуждаются последствия этих экспериментальных результатов для дистанционного зондирования.

Загрязнение океана пластиком является актуальной и глобальной проблемой. Ежегодно в океан попадает около восьми миллионов тонн пластикового мусора, и большая его часть под воздействием солнца и волн превращается в микропластик. Информация о распространении и объеме микропластика имеет жизненно важное значение для решения проблемы удаления пластикового загрязнения из океанской среды. В последнее время разработка глобальных систем наблюдения за микропластиком активно обсуждается междисциплинарными сообществами1,2,3. В этом направлении было предложено4,5, что методы дистанционного зондирования могут применяться для отслеживания концентрации микропластика в океане путем подавления обнаруживаемой шероховатости поверхности при наличии микропластика. Эта идея дистанционного зондирования была впервые реализована для мирового океана в6,7 с положительными результатами. Принцип этой реализации заключается в том, чтобы сделать вывод о концентрации микропластика на основе аномалии шероховатости поверхности океана (т. е. шероховатости ниже ожидаемой), вызванной микропластиком, что можно объяснить разницей между измерениями в реальном времени с помощью космического радара и стандартная модель шероховатости поверхности.

Новая методика была применена к данным НАСА CYGNSS (Глобальная навигационная спутниковая система «Циклон»)8,9. В частности, CYGNSS измеряет с помощью сигнала GPS L1 нормализованное бистатическое поперечное сечение радара (NBRCS), обратное значение которого дает среднеквадратичный наклон (MSS) поверхности океана, определяемый как

где k — волновое число, S(k) — всенаправленный спектр, а \(k_c\) — граничное волновое число, зависящее от угла падения и частоты несущей волны при дистанционном зондировании. Для CYGNSS \(k_c\) принимает среднее значение 7,5 рад·м\(^{-1}\)10. Согласно (1), \(\text {MSS}\rightarrow \overline{\nabla \eta \cdot \nabla \eta }\) (дисперсия градиента высоты поверхности) для \(k_c\rightarrow \infty\), в противном случае MSS количественно определяет шероховатость поверхности до конечного масштаба \(k_c\). В дополнение к измерениям CYGNSS, еще один источник MSS можно получить с помощью стандартной модели Кацберга11, которая в качестве входных данных принимает скорость ветра из модели реанализа NOAA12. Ожидается, что аномалия MSS, определяемая как относительная разница между измерениями CYGNSS и результатами модели Кацберга (нормализованными по последней), будет учитывать влияние микропластика на шероховатость поверхности, среди других факторов (таких как ошибка измерений CYGNSS и влияние других физических процессов). Установлено7, что аномалия MSS демонстрирует благоприятную корреляцию с концентрацией океанического микропластика, рассчитанной на основе глобальной транспортной модели, как показано на рис. 1.