О влиянии ветра и пленок поверхностно-активных веществ на формирование изображений поля температуры на поверхности водоема

Исследуется термическая конвекция, возникающая в приповерхностном слое водоема в присутствии ветра и пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ) при охлаждении поверхности воды из-за испарения и диффузии тепла в воздух. Для определения трансформаций поля поверхностной температуры по мере заглубления конвекции проведено численное моделирование трехмерного конвективного течения в тонких слоях воды различной толщины. Показано, что при толщине слоя 1 см, соответствующей минимальному масштабу приповерхностной конвекции в водоеме, возникают упорядоченные конвективные структуры. При не слишком большой упругости пленки ПАВ в отсутствие ветра показано, что наличие мелкомасштабных ячеек, заполняющих более крупные ячейки (с масштабом в несколько толщин слоя), обусловлено развитием термокапиллярной конвекции в холодном пограничном слое. При увеличении скорости ветра более крупные ячейки вытягиваются вдоль течения и переходят в продольные валы. С ростом упругости пленки сохраняется переход от ячеек к валам, однако сначала происходит укрупнение мелких ячеек, а затем (при достаточно большой упругости) термокапиллярный узор полностью подавляется и переход от ячеек к валам выглядит так же, как при чисто гравитационной конвекции. Расчеты показали, что средняя кинетическая энергия конвективных движений не изменяется при переходе к эквивалентной чисто гравитационной конвекции, если число Релея для нее задать приблизительно в 2 раза меньше исходного.
Поведение поля температуры на поверхности слоя толщиной 2-3 см изучалось в случае пленок ПАВ с большой упругостью, подавляющих термокапиллярный эффект. При этом обнаружено существенное изменение паттернов температуры, вызванное образованием термиков – опускающихся столбов холодной жидкости (в англоязычной литературе используется термин "plumes"). На поверхности слоя возникают завихрения, вызванные образованием термиков, которые искажают упорядоченную картину ячеек, характерную для тонкого слоя воды. При увеличении скорости дрейфового течения формируются конвективные структуры в виде продольных валов, вдоль которых расположены цепочки завихрений. Наличие термиков приводит к существенному (в 6-7 раз) росту средней кинетической энергии конвекции. Оценки показывают, что картина валов с завихрениями является наиболее вероятной для температурного поля на поверхности водоема при слабом ветре.