Деформация и дрейф пленочных сликов на поверхности водоемов. Эксперименты и модель.

Исследование эволюции разливов поверхностно-активных веществ или нефтепродуктов на поверхности океана и внутренних водоемов крайней важно для задач дистанционного, в том числе спутникового, мониторинга загрязнений и прогнозирования их распространения. Кроме того, форма сликов и ее пространственно-временная изменчивость может дать ценную информацию, как о характеристиках вещества пленки, так и о геофизических процессах, влияющих на динамику поверхностных пленок. Недостаточное понимание процессов, определяющих динамику пленочных сликов, связано, в числе прочих причин, с недостатком данных контролируемых экспериментов и наблюдений. Важную роль здесь играют эксперименты с искусственными сликами – разливами поверхностно-активных веществ, формирующих пленки с заранее известными характеристиками, в условиях, когда измеряется, по возможности, значительное число гидрометеорологических параметров. Ранее нами был выполнен ряд подобных экспериментов и предложен физический механизм, определяющий эффект асимметричного растекания пленок. Механизм связан с действием на пленку средних поверхностных напряжений, индуцированных набегающими в область слика поверхностными волнами. Данные напряжения, действуя в комбинации с вязкими напряжениями и силами поверхностного натяжения, замедляют расширение пятен пленки в поперечном направлении или даже могут привести к сжатию пятен. Нами ранее была предложена полуэмпирическая модель, описывающая наблюдавшиеся эффекты. Однако остался слабо изученным вопрос о поведении продольной оси сликового пятна. Целью данной работы являлось получение новых данных, нацеленных в основном на описание растяжения сликов в направлении, параллельном скорости ветра, а также развитие предложенной ранее модели. Было экспериментально установлено, что продольная ось слика увеличивается со временем, причем скорость роста этой оси существенно превышает скорость роста поперечной оси, и продольная ось растет с увеличением скорости ветра. Поперечная же ось слика, растущая вначале со временем, достаточно быстро выходит на практически постоянный уровень, который слабо зависит и от скорости ветра. Для объяснения особенностей изменения продольной оси слика предложена гипотеза о “перетекании” вещества пленки с боковых сторон слика на его подветренную часть. Данный эффект обусловлен продольными компонентами индуцированных напряжений на боковых сторонах слика, приводящих к большему, по сравнению с центральной частью разлива (где эти напряжения отсутствуют), дрейфу вещества и обтеканию слика. Этот дополнительный дрейф должен приводить и к увеличению скорости движения слика как целого, что согласуется с высказываемым в литературе положением о том, что пятна пленки могут дрейфовать быстрее окружающей воды. Развита предложенная ранее модель с учетом предложенного механизма перетекания пленки, которая удовлетворительно описывает данные наблюдений.
Работа выполнена при поддержке РНФ (проект № 18-17-00224).