WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

В разделе 1.4. приведены результаты лабораторного исследования характеристик мономолекулярных пленок методом параметрически возбуждаемых волн. В разделе 1.4.1 представлены зависимости к.п.н. от поверхностной концентрации для ряда ПАВ (олеиновой кислоты - OLE, олеилового спирта - OLA, додецилового спирта - DA, жирного полимера (поли)оксиэтиленгликоля - Emkarox). Получены изотермы пленок - зависимости давления пленки (разности к.п.н. чистой воды и воды с пленкой) от концентрации ПАВ, показано, что величина статической упругости, рассчитанная по изотермам, близка к нулю в области концентраций ПАВ, отвечающих насыщенным монослоям. Результаты измерений затухания ГКВ для указанных выше пленок ПАВ и восстановления на основе этих измерений величины динамической упругости описаны в разделе 1.4.2. Получено, что динамическая упругость для обычных (не полимерных) ПАВ монотонно растет с концентрацией, достигая предельных максимальных значений для насыщенного монослоя и не меняется при дальнейшем увеличении средней концентрации ПАВ. Это объясняется тем, что избыток ПАВ для насыщенного монослоя не растекается и концентрируется в микрокаплях, которые при быстрых деформациях пленки в поле ГКВ не успевают обмениваться веществом с пленкой, так что упругость определяется лишь упругостью монослоя. Для жирного полимера зависимость упругости от концентрации иная, что обусловлено сложным строением полимерных молекул, образующих при концентрациях, больших концентрации монослоя трехмерные структуры (клубки) с высокой сжимаемостью. Насыщенные мономолекулярные пленки, имеющие постоянную упругость использовались как эталонные в экспериментах с искусственными сликами (см.гл.3). В разделе 1.5. суммированы результаты первой главы, опубликованные в работах [29*, 52*, 54*, 59*, 61*, 63*].

Глава 2 посвящена исследованию упругих свойств пленок на морской поверхности. Описаны методики взятия проб пленок, приведены результаты исследований изотерм морских пленок, описаны обнаруженные в эксперименте эффекты релаксации и гистерезиса упругости пленок, представлены результаты измерений упругости морских пленок и к.п.н. в сликах. В разделе 2.1 кратко суммированы известные из литературы сведения о происхождении, составе и свойствах морских пленок, а также методах взятия проб пленок в натурных условиях. В разделе 2.2 описаны две развитые в работе методики взятия проб пленок с морской поверхности. В первой применен специальный пробоотборник - модифицированная ванна Ленгмюра (МВЛ), представляющая собой кювету с двойными стенками и позволяющая вырезать участок поверхности вместе с верхним слоем воды толщиной порядка 10 см. В кювету устанавливаются весы Ленгмюра и снимаются изотермы морских пленок. Во второй отбор проб производится капроновой сеткой, взятое ПАВ переносится в лабораторию и исследуется затем методом параметрически возбуждаемых волн. Важным преимуществом и новизной второй методики явился измеренный коэффициент переноса ПАВ, что позволяет воспроизводить в лабораторных условиях морские пленки при концентрациях, близких к ‘in situ’.

В разделе 2.3 на основе измерений МВЛ анализируются изотермы морских пленок и эффект упругого гистерезиса. Показано (раздел 2.3.1), что перемешивание верхнего слоя воды ветровыми волнами существенно влияет на состояние пленок, которые в сликах при слабом ветре обычно близки к конденсированным и имеют высокую упругость, а при скоростях ветра более 6-7 м/с находятся в состоянии, близком к газообразному и релаксируют к конденсированной фазе с уменьшением интенсивности ветровых волн. Характерные времена релаксации составили 0,5-1 час. В разделе 2.3.2 описан обнаруженный эффект упругого гистерезиса в пленках ПАВ: изотермы сжатия пленок лежат выше изотерм растяжения при возврате пленки в исход­ное состояние. После оконча­ния цикла деформации остаточное давление релаксирует к нулевому, характерные времена релаксации составляют величины порядка 10 мин. На основе лабораторных исследований искусственных пленок показано, что гистерезис связан с неоднородностью макроскопической структуры пленки.

Раздел 2.4 посвящен изучению упругости пленок и к.п.н. в сликах на морской поверхности. С использованием методики МВЛ исследована статическая упругость морских пленок и получено, что величины упругости в сликах имеют значения порядка 20 мН/м и существенно превышают упругости в соседних несликовых зонах (фоне). Получена качественная оценка минимальной упругости пленки (3,5 мН/м), необходимой для образования слика. На основе исследования образцов пленок методом параметрически возбуждаемых волн восстановлены значения динамической упругости в сликовых полосах, связанных с внутренними волнами, эти значения составили 20-40 мН/м, тогда как в фоне - единицы мН/м. Приведены данные измерений ‘in situ’ к.п.н. морской воды методом растекающихся капель, получено, что величины давления пленок в сликах составляют обычно значения 5-10 мН/м, а вне сликов 1 мН/м. Раздел 2.5 суммирует основные результаты главы 2, опубликованные в работах [11*, 12*, 14*, 18*, 25*, 34*, 39*, 45*].

Глава 3 посвящена исследованию спектров ветровых ГКВ в присутствии пленок ПАВ в условиях, когда можно не учитывать влияние переменных поверхностных течений на ГКВ. В разделе 3.1 кратко рассмотрены известные экспериментальные данные, а также общая формулировка задачи об изменчивости ветрового волнения в пленочных сликах как задача анализа кинетического уравнения для спектра ветровых ГКВ с учетом процессов их возбуждения, диссипации и нелинейных взаимодействий. В разделе 3.2 дано описание аппаратуры и методики, использованных при проведении натурных исследований спектров ГКВ в присутствии пленок ПАВ - экспериментов с искусственными сликами. Кратко представлены характеристики комплекса дистанционной аппаратуры, включавшего оптические анализаторы спектра волнения (ОСА) и радиоскаттерометры Х- и Ка-диапазонов и использовавшегося в экспериментах (в том числе подспутниковых, см. рис. 1) со свайных оснований и с судов на Черном море и в Атлантическом океане.

Рис. 1. Радиолокационное изображение искусственного слика (спутник ERS-2). Эксперимент с океанографической платформы на Черном море.

В разделе 3.3 рассмотрены результаты исследований гашения пленками ГКВ см-диапазона. В разделе 3.3.1 представлены данные экспериментов с искусственными сликами. Получено, что контраст, определяемый отношением спектров волнения вне слика (nsl) и в слике (sl) для ГКВ см-диапазона при слабом ветре (<2 м/с) имеет максимум на длинах волн порядка 5-8 см, а при умеренном ветре монотонно растет с ростом волнового числа (рис.2). В разделе 3.3.2 описана основанная на [9] модель спектра ГКВ, где предполагается локальный по спектру баланс источников и стоков энергии см-ГКВ. В предположении, что возбуждение волн ветром описывается инкрементом (u*,k) (u* - скорость трения ветра), диссипация - затуханием, а ограничение - эмпирическим квадратичным по спектру членом, получено следующее выражение для контраста

n=1 при >; n=-1 при< (3)

Выполнены расчеты контрастов (рис.2) для условий экспериментов, сделан вывод, что гашение ГКВ см-диапазона удовлетворительно описывается в рамках модели локального баланса, а основным физическим механизмом гашения см-волн является вязкая диссипация в присутствии пленки ПАВ.

Рис.2. Контрасты ГКВ см-диапазона при слабом ветре (V 1 м/с, пленка OLE, слева) и при умеренном ветре (V 6 м/с, пленки OLE, растительного масла –VO и нефтепродуктов - OIL, справа). Кривые – модельные расчеты.

Раздел 3.4 посвящен описанию результатов натурных экспериментов по изучению гашения пленками ГКВ мм-диапазона. Установлено, что контраст при умеренных скоростях ветра достигает максимума на длинах ГКВ порядка 5-7 мм, что интерпретировано как результат вклада паразитной капиллярной ряби (см. гл 5) в спектр ГКВ мм-диапазона.

В разделе 3.5 обсуждаются результаты исследований влияния пленок ПАВ на ветровые волнение дм-диапазона. В разделе 3.5.1 описан обнаруженный в ходе натурных наблюдений и изученный затем в специальных экспериментах эффект усиления ГКВ с длинами > 20-30 см в сликах достаточно большого размера. Хотя эффект усиления существенно слабее (контрасты порядка 0,7-0,8; см. рис. 3), чем гашение см-волн, данный результат меняет существовавшее ранее представление о пленочных сликах как областях только пониженной интенсивности волн. В разделе 3.5.2 предложен физический механизм усиления дм-волн в сликах и развита соответствующая теоретическая модель. Механизм основан на эффекте затухания длинных (дм-) волн из-за взаимодействия с короткими (см-) ГКВ. Физически эффект затухания связан с релаксацией спектра коротких ветровых волн, модулируемых длинной волной, к невозмущенному равновесному состоянию. Получено выражение для коэффициента затухания длинных волн вида

, (4)где - невозмущенный спектр волнения,, - скорость релаксации см-волн. Величина в слике уменьшается из-за подавления см-волн пленкой. Расчет контрастов на основе модели локального баланса для волн дм-диапазона с учетом затухания (4) показал удовлетворительное согласие с экспериментом (см. рис.3).

Рис. 3. Средние контрасты (слева) в экспериментах с пленками VO (измерения с помощью ОСА). Справа – результаты теоретических расчетов.

В разделе 3.6 обсуждаются возможностях диагностики пленочных сликов при радиолокационном зондировании морской поверхности. Приведены данные наблюдений изменчивости спектра см-дм-ветровых волн в зоне пониженной скорости ветра - штилевом пятне, которые показали, что контраст для него практически не зависит от волнового числа. Данное различие в спектральных контрастах для штилевых пятен и пленочных сликов предложено использовать в качестве спектрального признака последних при многочастотной радиолокационной диагностике. Раздел 3.6 суммирует результаты третьей главы, опубликованные в работах [8*, 10*, 14*-18*, 24*, 31*, 37*, 51*, 58*, 61*-63*].

В главе 4 выполнен анализ механизмов воздействия переменных течений на ГКВ см-диапазона в присутствии пленок ПАВ и образования сликов на морской поверхности. В разделе 4.1 дано краткое введение в проблему воздействия переменных течений (в т.ч. внутренних волн) на ветровые волн в присутствии пленок ПАВ. Приведена общая формулировка задачи об изменчивости спектра ветровых волн в присутствии пленок ПАВ и переменных течений на основе системы кинетического уравнения для спектральной плотности N волнового действия ветровых волн, уравнения баланса для концентрации Г ПАВ и уравнений состояния пленки.

В разделе 4.2 проведен теоретический анализ динамики пленок в поле переменных заданных течений U на основе уравнения баланса для концентрации ПАВ в релаксационном приближении. С использованием метода характеристик получено общее решение уравнения для концентрации в одномерном случае в виде

, (5)

где Г0 невозмущенное (при U0) значение концентрации, - время релаксации ПАВ, x=f(,t), =x(t=0) - характеристики, определяемые уравнением. В разделе 4.2.1 анализируются распределения концентрации для стационарных течений вида U=dU/dx(x-x*). Показано (см. также [31]), что в точках конвергенции стационарных течений (x=x*, dU/dx/x* <0) имеет место схождение характеристик и, соответственно, накопление ПАВ. Величина Г при t ограничена значением, если. В разделе 4.2.2 рассматривается распределение концентрации ПАВ в поле орбитальной скорости в стационарной внутренней волне (ВВ). Для синусоидальной ВВ малой амплитуды показано, что в пренебрежении релаксацией максимумы Г отвечают максимумам орбитальной скорости ВВ, т.е. впадинами смещения пикноклина в ВВ основной (первой) моды. При учете релаксации максимумы концентрации ПАВ смещаются на задние склоны смещения в ВВ первой моды. В пренебрежении релаксацией приведено решение для стационарной ВВ произвольной амплитуды. В разделе 4.2.2 анализируются решения для Г в поле нестационарных ВВ при наличии поверхностного течения. Показано, что если ско­рость V поверхностного течения превышает групповую скорость ВВ (V>Cg), то перед цугом появляется отличное от 0 возмущение концентрации ПАВ – “пленочный предвестник”, заполнение в котором имеет длину волны и бежит со скоростью V ( - длина, а С – фазовая скорость ВВ). Огибающая предвестника движется со скоростью Cg и имеет масштаб затухания. При V<Cg вместо предвестника имеем “след” (см. [32]). Для длинного цуга на расстояниях от его границ, больших (V-Cg), распределение концентрации аналогично рассмотренному в разделе 4.2.2 стационарному с тем отличием, что при V>C максимумы Г соответствуют гребням ВВ основной моды при и смещены на ее задний склон при конечных. Амплитуда вариаций Г1 растет с приближением V к C и максимальна при резонансе (V=C), ее величина ограничена релаксационными процессами, а максимумы Г1 при этом соответствуют точно задним склонам ВВ. С использованием метода характеристик для условий лабораторных экспериментов рассчитаны распределения концентрации ПАВ в поле нестационарной ВВ амплитуды U0 для нерезонансного (a<1) и резонансного (a>1, a=U0/(C-V)) случаев.

В разделе 4.3 качественно обсуждаются механизмы изменчивости спектров ветровых ГКВ в поле переменных течений в присутствии пленок ПАВ. Для волн см-диапазона, для которых пленочный механизм обычно является доминирующим, приведено выражение для вариаций спектра, полученное в рамках модели локального баланса (см. гл. 3) для пленок с переменной упругостью, определяемой вариациями концентрации ПАВ в поле течения. Для волн дм-диапазона влияние пленки становится сравнительно слабым, однако, поскольку масштабы релаксации дм-волн обычно порядка и более характерных масштабов неоднородности течений, становится эффективной гидродинамическая модуляция ГКВ течением (кинематический механизм). Третий механизм связан с модуляцией инкремента ветровых ГКВ переменным течением. Для монохроматической ВВ с орбитальной скоростью на поверхности, в частности, выражение для малых вариаций спектра N имеет вид

(6)

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»