ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 1, с. 117-127
УДК 551.466
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДРЕЙФА ИСКУССТВЕННЫХ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2007 г. В. В. Малиновский1, В. А. Дулов1' 2, А. Е. Кориненко2, А. Н. Большаков1, В. Е. Смолов1
1Морской гидрофизический институт НАН Украины, 99011 Севастополь, ул. Капитанская, 4, к. 111
E-mail: dvs@dvs.net.ua
2Черноморский филиал Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова 99011 Севастополь, ул. Героев Севастополя, 7 Поступила в редакцию 13.04.2006 г., после доработки 11.07.2006 г.
Приводятся результаты натурных исследований дрейфа поверхностных пленок. Эксперименты выполнялись на Южном берегу Крыма в районе океанографической платформы. Показано, что дрейф тонкой пленки хорошо описывается линейной комбинацией векторов прибрежного течения и ветра, причем коэффициент для скорости течения близок к единице. Суммарная скорость ветрового и волнового дрейфа составляет 0.013 от модуля скорости ветра или 0.38 от динамической скорости в воздухе. Анализ экспериментальных данных демонстрирует увеличение скорости растекания пленки с ростом скорости ветра.
Исследование движения пленок на морской поверхности имеет как прикладной характер, так и представляет самостоятельный научный интерес. Необходимость правильного описания кинематических характеристик поверхностных пленок (ПП) очевидна при решении практических задач, в первую очередь, для региональных систем контроля и прогноза распространения загрязнений [1]. С другой стороны, использование тонкой пленки как "трассера" позволяет получить дополнительную информацию для развития моделей верхнего приповерхностного слоя моря.
Анализ ряда экспериментальных работ, посвященных общим закономерностям движения пленок на морской поверхности, приводится в [2]. Как известно, основные факторы, которые вызывают перемещение ПП, это течения цс, ветровой и волновой (стоксов) ц дрейфы, а скорость поверхностного течения ц,, с которой переносится пленка, представляется в виде линейной комбинации этих векторов. Для правильного описания дрейфа ПП необходимо знать величины коэффициентов линейной комбинации.
Вклад волнового дрейфа в ц, различными авторами оценивается по-разному. Обоснование необходимости учета ц в формировании скорости поверхностного течения можно найти в [3, 4]. Хорошее соответствие теоретических и экспериментальных значений стоксова переноса массы для условий лотка было показано в [5]. По данным лабораторных измерений [6, 7], вклад ц в суммарное поверхностное течение составляет от 5 до 13%. В то же время зависимость ц, от ц может носить слож-
ный характер и отличаться для различных скоростей ветра и, что не дает возможности рассматривать ц, как простую сумму ветровой и волновой компонент поверхностного течения [5]. Вклад ц в ц, для различных разгонов ветровых волн анализируется в [6], где отмечается рост волнового дрейфа с увеличением разгона. С другой стороны, при анализе экспериментальных данных, полученных в условиях открытого моря, а также при моделировании движения пленки волновым дрейфом зачастую пренебрегают [1, 2, 8].
Скорость ветрового дрейфа традиционно оценивается как а и. Учитывая значительные интервалы времени, задаваемые при выполнении прогнозов распространения загрязнений, правильный выбор величины а в моделях движения ПП является принципиальным. Однако существуют расхождения в оценках а, наблюдаемые, в первую очередь, между лабораторными и натурными измерениями. В лабораторном эксперименте [6] среднее значение а менялось от 2.5 до 4%. В ходе измерений, выполненных на озере Гурон [9], величина и„ составляла в среднем 7% от и. Связь дрейфового течения с ветром в условиях открытого моря изучалась в эксперименте [8], где величина а была близка к 1%, а по данным [5] она меняется от 2.6 до 5.5%. Обзор результатов многочисленных лабораторных и натурных исследований, приводимый в [10], показывает широкий разброс значений а от 1 до 7%. Как правило, для практических расчетов ветровой дрейф принимается равным 3% от скорости ветра [2] и эту величину можно качественно объяснить, приравнивая
Северная широта
44.40
44.39
33.98
33.99 34.00
Восточная долгота
Рис. 1. Схема проведения эксперимента. Символами обозначены: П - платформа; Ф - место расположения фотокамеры на г. Кошка; К - катер.
воде и воздухе
коэффициенты сопротивления [11].
Вклад течений в суммарную скорость дрейфа ПП традиционно описывается как вис. В ряде работ [1, 2] значение в принимается равным 0.56. Коэффициент в позволяет согласовать скорости наблюдаемых движений нефтяных пленок с представлением об и, как линейной комбинации векторов скоростей ветрового дрейфа и течений. Однако трудно найти физическое объяснение отличию величины коэффициента в от единицы. Кроме того, дополнительное увеличение транспорта массы возникает за счет потери волнового импульса поверхности, покрытой пленкой [12]. Этот эффект наблюдался при исследованиях движения нефтяных сликов [13], при этом измеренная скорость поверхности превышала волновой дрейф на 35-150%. Если принимать во внимание увеличение транспорта массы, вклад ветрового дрейфа в суммарную скорость поверхности окажется существенно меньше 3%, что будет противоречить многочисленным наблюдениям.
Даже из вышеприведенного короткого обзора видна существующая проблема с описанием транспорта ПП. Ситуацию может прояснить выполнение одновременных измерений движения пленок, ветра, волн и течений. Результаты двух таких исследований приводятся в [5], где иллюстрируется влияние ветрового дрейфа на перемещение слика при сильном ис и значительном вкла
зыби. Здесь необходимо отметить, что данные о векторе скорости ветра в эксперименте [5] были получены с часовым осреднением на расстоянии 28 км от места проведения работ, а информация о поле течений заимствована из атласа. Отметим, что нестабильность метеорологических условий может оказаться существенной для формирования траектории движения ПП. Например, при изменении и появляется компонента скорости поверхностного течения в направлении изаллобари-ческого градиента [14].
В настоящей статье представлены результаты натурных экспериментов, в ходе которых в районе исследований собраны синхронные данные о движении искусственного слика, скоростях ветра, параметров волн и скоростях течений. Полученная эмпирическая информация может быть использована для развития представлений о верхнем приповерхностном слое и для тестирования моделей распространения загрязнений.
СХЕМА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ И ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Исследования дрейфа поверхностных пленок проводились в августе-сентябре 2004 г. и августе 2005 г. в районе океанографической платформы на южном берегу Крыма (п. Кацивели). Схема проведения эксперимента представлена на рис. 1, где символами обозначены: П - океанографическая платформа; Ф - место расположения фотокамеры на г. Кошка; К - катер (положение условно).
Для создания поверхностно-активных веществ использовалось растительное масло со статической упругостью Е ~ 20 дин/см. Разлив масла объемом 170 см3 в 2004 г. и 340 см3 в 2005 г. осуществлялся с катера на расстоянии 200-400 м от платформы. При этом место вылива выбиралось с учетом направления течения и ветра таким образом, чтобы обеспечить надежную регистрацию слика. Для измерения течений одновременно с разливом пленки производился запуск дрифтеров. Фотографирование поверхностных пленок выполнялось с г. Кошка на высоте 151 м над уровнем моря и наклонной дальности до платформы 1286 м.
На платформе располагался измерительный комплекс для регистрации модуля скорости ветра и и его направления фи, температуры воды Тм,, воздуха Та, а также лазерный дальномер ЛД-3 с угломерной головкой для определения дальности до дрифтеров и их азимута по отношению к направлению на север с погрешностями соответственно 5 м и 0.06°. Общая информация о гидрометеорологических условиях при проведении работ содержится в таблице, в которой приведены дата, номер серии, время начала и окончания из-
де волнового дрейфа в и, при наличии крупной мерений, средние значения и, фи, Та, Т»; част°ты
Гидрометеорологические условия при проведении эксперимента
Средний модуль скорости ветра, и, м/с Среднее на-правление ветра Фи, град. Параметры волнения
Дата № серии Время Температура воздуха, Т °С а ^ Температура воды, Т °С Частота пика ветровых волн, ГР , Гц Частота пика зыби, /;, Гц Направление ветровых волн, ф^ град. Направление зыби, Ф^ град. Высота волн 33% обеспеченно-сти, И5, м
23.08.2004 1 15:22 - 15:43 10.7 248 24.3 25.0 0.35 - 30 - 0.32
26.09.2004 1 10:14 - 11:09 6.7 245 20.8 23.0 0.52 0.22, 0.37 60 300, 100 0.36
2 13:04 - 13:58 5.4 240 20.6 22.9 0.52 0.19, 0.37 60 300, 100 0.32
3 14:04 - 15:32 6.0 235 20.7 22.7 0.52 0.19, 0.37 60 300, 100 0.31
08.082005 1 11:22 - 11:59 11.7 246 25.0 24.8 0.26 0.17 30 40 1.03
2 12:05 - 12:56 11.6 248 25.1 24.9 0.18 - 30 40 1.00
09.09.2005 1 10:42 - 11:27 7.9 246 26.3 24.6 0.17 - 45 - 0.69
2 11:30 - 12:12 10.2 244 26.4 24.6 0.17 - 45 - 0.76
3 12:17 - 12:46 11.6 244 25.4 24.7 0.17 - 45 - 0.75
16.08.2005 1 12:39 - 13:23 7.6 99 26.9 26.1 0.43 0.22 150 120 0.63
2 13:28 - 14:34 9.0 96 27.1 26.0 0.43 0.22 150 120 0.63
20.08.2005 1 10:32 - 10:48 5.9 74 25.8 26.6 0.50 0.23 195 30 0.51
26.08.2005 1 14:07 - 14:30 8.1 258 25.3 25.4 0.40 0.24 15 30 0.25
2 15:13 - 15:35 10.6 258 25.4 25.5 0.45 0.26 15 30 0.36
пиков /™р и направления фк ветровых волн и зыби
/*р , ф^; высота волн 33% обеспеченности И,,. Как следует из таблицы, измерения проводились в широком диапазоне скоростей ветра при нейтральной стратификации атмосферы. Течения при проведении эксперимента имели преимущественно западное или восточное направления со скоростями 0.05-0.2 м/с.
АППАРАТУРА, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ, И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Скорость течения иг определялась по пространственному смещению лагранжевых дрифтеров, каждый из которых представлял собой по-
плавок с закрепленным на определенной глубине г парусом с размерами 38 см х 46 см и высотой 32 см. Глубина погружения паруса оп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.