Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Исследованы зависимости коэффициента затухания гравитационно-капиллярных волн (ГКВ) от толщины пленок нефтяной эмульсии на поверхности воды. Эти пленки характеризуются существенной неоднородностью, наиболее сильно проявляющейся в области толщин порядка 1 мкм - 0.1 мм, масштабы неоднородностей меняются от единиц мм до единиц см. Коэффициент затухания ГКВ в данной области толщин, однако, оказывается практически независящим от характеристик неоднородностей. Теоретические расчеты коэффициента затухания ГКВ показали его слабую зависимость от толщины для тонких пленок, что может объяснять слабое влияние неоднородностей на затухание ГКВ. Для более толстых нефтяных пленок коэффициент затухания ГКВ растет с толщиной и при величинах последней порядка 1-2 мм достигает максимума. На основе сравнения численных расчетов и эксперимента получены оценки вязкоупругих характеристик нефтяных пленок. Выполнено лабораторное моделирование влияния неоднородности толщины пленок на затухание ГКВ. В качестве модельной пленки использовался насыщенный монослой ПАВ - олеиновой кислоты, соседствующий с каплями (линзами) ПАВ макроскопической толщины и варьируемой площади. Показано, что затухание ГКВ возрастает с ростом относительной площади «линзовой фазы», начиная с величин 0,4-0,5 . Дано физическое объяснение эффекта, основанное на действии линз как эффективных стенок для ГКВ, уменьшающих относительную площадь монослоя и увеличивающих вклад стенок в общее затухание. Предложена эмпирическая зависимость эффективной упругости неоднородной пленки от относительной площади “линзовой фазы”. 2. В лабораторных экспериментах в овальном ветроволновом бассейне (ОВВБ) ИПФ РАН исследован процесс перемешивания пленок ПАВ в поле ветрового дрейфового течения. Измерены характеристики турбулентности дрейфового течения, получены зависимости характеристик пленок ПАВ (олеиновая кислота) от скорости ветра. Показан рост коэффициента поверхностного натяжения (КПН) и падение упругости пленки с ростом скорости ветра, что доказывает усиление процессов перемешивания ПАВ в поле ветрового дрейфового течения. В лабораторных экспериментах по изучению перемешивания пленок ПАВ обрушающимися волнами установлено, что начиная с момента обрушения волн и до времен порядка 15-20 мин КПН заметно возрастает, а упругость падает, что указывает на разрушение пленки и перенос ПАВ вглубь воды. С ростом амплитуды обрушающихся волн усиливается процесс разрушения пленки, ее перемешивания и “очищения” поверхности воды. На временах более 20-30 мин после прохождения обрушающихся волн начинается процесс восстановления пленки. 3. Выполнены натурные эксперименты по растеканию пленок при малых и умеренных скоростях ветра в отсутствии сильных обрушений ветровых волн. Получено, что скорости растекания пленок определяются, прежде всего, скоростью ветра и слабо меняются при изменениях КПН, упругости пленок, температуры воды в практически важных диапазонах изменения этих параметров. Установлено, что растекание пятна ПАВ и рост во времени его продольной и поперечной к ветру осей отвечает начальной стадии эволюции сликов, далее оси достигают некоторых постоянных величин, а последующая стадия характеризуется процессом сжатия слика - уменьшением площади и тенденцией к аксиальной симметрии формы пятна. Развита модифицированная физическая модель эволюции слика, учитывающая зависимость КПН и упругости пленки от концентрации ПАВ и изменения этих характеристик пленки в процессе растекания. Модель показала удовлетворительное количественное согласие с данными экспериментов. Определенные в натурных экспериментах скорости движения “центра тяжести” сликов в целом превысили традиционную оценку скорости ветрового дрейфа для чистой поверхности воды. Это позволяет полагать, что слики движутся быстрее окружающего поверхностного слоя воды. 4. Сделана подборка спутниковых данных о морских сликах различной природы и с различной структурой границы (каталог http://www.iapras.ru/structure/dep_220/info.html), в первую очередь с “гребенчатой структурой” (ГС). На основе анализа спутниковых изображений сликов, а также данных натурных экспериментов с искусственными сликами на Черном море установлено, что ГС формируются на наветренной границе сликов, параллельны ветру и характерны как для пленок нефтепродуктов, так и биогенных пленок. Характерные поперечные масштабы ГС близки к масштабам ветровых полос - ленгмюровских циркуляций (ЛЦ). Предложено физическое объяснение механизма формирования ГС, основанное на перераспределении вещества пленки в поле течений, связанных с ЛЦ. На основе подбора и анализа последовательных спутниковых изображений одних и тех же сликов оценены скорости дрейфа сликов. В частности, оценка скорости движения слика в поле ветрового дрейфа превысила известную из литературы оценку дрейфа поверхностного слоя воды. Это, возможно, связано с тем, что слики движутся под действием ветра быстрее окружающей воды. 5. В ходе контролируемых лабораторных экспериментов по радиолокационному (РЛ) зондированию ГКВ см-диапазона в присутствии пленок ПАВ установлено, что в доплеровском спектре РЛ сигнала в области частот 50-120 Гц могут наблюдаться пики, величина которых сильно зависит от упругости пленки. Эти пики достаточно хорошо выражены для пленок с малой упругостью (менее 3-4 мН/м), при этом, как показали измерения, вблизи гребней и на переднем склоне ГКВ достаточно отчетливо выражены и нелинейные структуры волнового профиля (НСВП) - паразитная рябь и toe/bulge структуры. С ростом упругости пленок увеличивается затухание волн и уменьшаются наклоны НСВП, при этом же уменьшается и уровень пиков в доплеровском спектре. Показано, что на воде, покрытой пленкой с малой упругостью, интенсивности сигнала на вертикальной (ВВ) поляризации сравнимы с интенсивностью сигнала на горизонтальной (ГГ) поляризации, соответственно, поляризационное отношение имеет величину, близкую к 1, при этом на профиле ГКВ, как правило, наблюдаются toe/bulge структуры с большими величинами наклонов. Это позволяет заключить, что такие структуры и дают основной вклад в рассеяние, которое оказывается почти неполяризованным. Для пленок с большей упругостью (более 5-10 мН/м), toe/bulge структуры, как показали эксперименты, сильно сглаживаются, поляризационное отношение увеличивается, соответственно, вклад неполяризованной компоненты в рассеяние микроволн уменьшается и возрастает относительный вклад Брэгговского рассеяния. 6. Получены новые данные натурных экспериментов по РЛ зондированию искусственных пленочных сликов. Получено, что контрасты для Брэгговской и неполяризованной компонент РЛ сигналов X-, C-, S-диапазонов сравнимы по порядку величины и демонстрируют схожую зависимость от волнового числа, а именно монотонный рост для случаев «по ветру» и «навстречу ветру» и слабое спадание для случая «поперек ветра». Подавление Брэгговской компоненты рассеяния обусловлено вязким затуханием резонансной Брэгговской ряби, уменьшение неполяризованной компоненты связывается с воздействием пленки на нелинейные ГКВ см-дм-диапазонов, в том числе на паразитную рябь и bulge и toe структуры на профиле ГКВ. С ростом скорости ветра контрасты сликов как для Брэгговской, так и для неполяризованной компонент, уменьшаются. Показано, что интенсивности Брэгговской и неполяризованной компонент рассеяния варьируются вдоль профиля длинных ветровых волн. Брэгговская компонента слабо модулируется длинной волной и доминирует близи впадин длинных волн. Неполяризованная компонента характеризуется появлением сильных пиков (spikes) вблизи гребней длинных волн, очевидно благодаря усилению микрообрушения ветровых ГКВ см-дм диапазона. Информационный ресурс в сети Интернет, посвященный проекту: http://www.iapras.ru/structure/dep_220/info.html

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Проведены лабораторные исследования физических характеристик пленок смесей поверхностно-активных веществ (ПАВ). Показано, что зависимости коэффициентов затухания поверхностных волн, поверхностного натяжения (КПН) и упругости от концентрации смеси ПАВ для пленок со схожими характеристиками слабо отличаются от зависимостей для пленки смеси при одинаковых суммарных концентрациях ПАВ. Для пленок с сильно различающимися характеристиками свойства пленки смеси заметно отличаются от каждой из компонент, принимая в целом промежуточные значения соответствующих характеристик. На примере пленок додецилового спирта (DA) и жирного полимера Emkarox получено, что при малых концентрациях ПАВ, где упругость полимера превышает упругость DA, коэффициент затухания и упругость пленки смеси оказываются более близкими к пленке Emkarox. С ростом концентрации ПАВ, когда пленка Emkarox становится “мягкой”, характеристики пленки смеси ПАВ становятся более близкими к пленке DA. С понижением температуры воды упругость пленок 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 пленок конечной толщины на водной поверхности. В модели использованы эффективная поверхностная и межфазная упругости, введенные феноменологически по аналогии с упругостью мономолекулярных пленок чистых поверхностно-активных веществ. Определена эффективная упругость пленок сложного состава и структуры, в том числе пленок нефтепродуктов - сырой нефти, нефтяной эмульсии, керосина, дизельного топлива в практически интересном диапазоне толщин пленок (от единиц мкм до нескольких мм), типичных для разливав 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 объем натурных исследований вариаций характеристик ветровых волн в присутствии поверхностных пленок 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 учетом 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 пленки ПАВ интенсивность РЛ сигнала уменьшается, при этом модуль МПФ для обеих поляризаций возрастает в силу модуляции характеристик пленок 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 пленки 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 пленки в поле ГКВ большой крутизны, показано, что граница “поджимаемой” поверхностными волнами пленки 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 пленок - существенная зависимость скорости изменения продольной оси слика и слабая зависимость поперечной к направлению ветра оси от скорости ветра. Разработана полуэмпирическая модель эволюции пленочных сликов на морской поверхности, основанная на уравнении баланса сил, действующих на пленку 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 пленки под действием сил поверхностного натяжения, изменение КПН пленки из-за перемешивания ПАВ при обрушении волн, замедления растекания или компрессию пленки в поперечном к ветру направлении за счет действия поперечных о отношению к ветру компонент индуцированных волновых напряжений, вытягивание сликов вдоль ветра за счет предложенного нового механизма “перетекания” пленки 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 пленочные слики под действием ветра и волн дрейфуют со скоростью, большей, чем скорость приповерхностного микрослоя на поверхности чистой воде. Данные особенности, ранее не рассматривавшиеся в литературе, крайне важны для описания распространения биогенных и антропогенных пленок, 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. Пленки ПАВ с концентрациями, отвечающими мономолекулярным пленкам, слабо влияют на характеристики РЛ сигнала, что обусловлено разрывом пленки в области обрушения. 7. В ходе натурных экспериментов получен большой массив данных по микроволновому РЛ зондированию ветровых волн в пленочных сликах. С использованием трехчастотного 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 растет 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 пленок на морской поверхности. Ссылка на результаты проекта https://ipfran.ru/institute/structure/421794/rscf

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. По итогам третьего года получены новые данные натурных экспериментов по РЛ зондированию искусственных сликов различных веществ (OLE, VO). Новые измерения дополняют значительный массив данных, собранный на предыдущих этапах работ по проекту, увеличивая статистическую достоверность и уточняя сделанные ранее выводы о поведении контрастов Брэгговской и неполяризованной компонент от волнового числа в различных условиях зондирования. 2. На основе анализа уникальных данных многолетних экспериментов по РЛ зондированию искусственных сликов развита полуэмпирическая модель проявления пленочных сликов в Брэгговской и неполяризованной компонентах РЛ рассеяния. Модель основана на анализе уравнения спектрального баланса источников и стоков энергии ветровых волн в кинетическом уравнении для спектра ветровых волн с волновыми числами, отвечающими X-/C-/S- диапазонам. Предложено модифицированное эмпирическое выражение для ветрового инкремента: в известном выражении [Plant, 1982] добавлена зависимость инкремента от наличия пленки на морской поверхности, описывающая его уменьшение с ростом упругости пленки. Предложенные модификации позволяют получить удовлетворительное соответствие между рассчитанными и измеренными в натурных экспериментах контрастами при больших скоростях ветра и в дм-диапазоне длин волн. Полуэмпирическая модель проявления пленочных сликов в неполяризованной компоненте микроволнового обратного рассеяния под умеренными углами включает в себя следующие положения: - источником обратного небрэгговского рассеяния являются при малых ветрах поверхностные волны длиной 20-30 см, при бо́льших скоростях ветра появляется дополнительный источник, связанный с волнами длиной порядка 1 м; - ветровые волны с длинами 20-30 см характеризуются наличием гребней с нелинейными структурами типа bulge/toe на волновом профиле, для обрушивающихся м-волн характерно наличие “вала” (bulge) на гребне волны и/или сильного обрушения волны типа “падающего” или “скользящего” буруна (соответственно, plunging и spilling). Эти структуры могут приводить к появлению неполяризованной компоненты рассеяния; - нелинейные структуры вблизи гребней дм-волн характеризуются сильно нелинейной зависимостью от спектральных компонент ветровых волн дм-диапазона, предполагается, что интенсивность небрэгговской компоненты достаточно сильно (по степенному закону) зависит от спектральных компонент ветровых волн дм-диапазона; - Показатель степени в феноменологическом выражении, описывающем нелинейное ограничение роста волн в кинетическом уравнении для спектра волнения принят порядка 4-5. Такая степень нелинейности обеспечивает слабую зависимость PR от скорости ветра, наблюдаемую в эксперименте. 3. Анализ экспериментальных данных и теоретических расчетов показал, что оптимальными условиями обнаружения и диагностики пленок являются: - использование многочастотных двухполяризационных локаторов, работающих в S-, С-, X- диапазонах, что позволяет анализировать контрасты Брэгговской и неполяризованной компонент; - наблюдение под умеренными углами падения излучения (40-70 град.); - скорости ветра 4-10 м/c; - наиболее оптимальным способом зондирования для оценки упругости пленки является зондирование сликов ПАВ поперек ветра. При зондировании поперек ветра контраст Брэгговской компоненты определяется в основном коэффициентом затухания брэгговских волн. Измерения Брэгговских контрастов в S-, С-, X- диапазонах позволяет определить разности контрастов в (S-C) каналах и в (C – X) каналах, по значениям которых оценить упругость пленки. 4. Алгоритмы обнаружения загрязнений и определения их характеристик методами многочастотной поляризационной радиолокации включают в себя: - измерение интенсивностей РЛ сигнала на 2 поляризациях и трех длинах волн в C-, S- и X- диапазонах под умеренными углами падения излучения поперек ветра; - определение Брэгговской компоненты; - обнаружение областей с пониженной интенсивностью Брэгговской компоненты; - определение Брэгговского контраста и разности Брэгговских контрастов в соседних каналах; - сравнение разности контрастов (S-C) каналах и в (C-X) в соответствие с разработанным критерием. Если обе разности в (S-C) каналах и в (C-X) каналах меньше нуля, упругость пленки меньше 7 мН/м, если разность контрастов в (S-C) каналах больше нуля, а в (C-X) каналах меньше нуля, упругость пленки 7-12 мН/м, если обе разности больше нуля, упругость пленки больше 12 мН/м. Ресурс, посвященный результатам проекта https://ipfran.ru/institute/structure/421794/rscf-18-17-00224.