авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Динамика гравитационно-капиллярных волн в океане в присутствии пленок поверхностно-активных веществ

-- [ Страница 2 ] --

Полученные в диссертации результаты использовались в следующих исследовательских проектах, выполненных и выполняющихся под руководством автора: в проектах Российского фонда фундаментальных исследований 93-05-08126-а (1993-1995 гг.), 96-05-65087-а (1996-1998 гг.), 99-05-64797-а (1999-2001гг.), 01-05-79035-к (2001г.), 02-05-65102-а (2002-2004 гг.), 03-05-79053-к (2003г.), 04-05-79015-к (2004г.), 05-05-64137-а (2005-2007гг.), 05-05-79045-к (2005г.), 06-05-79018-к (2006г.), 07-05-10030-к (2007г.); Международного научно-технического центра (МНТЦ Р1774, 2000-2001гг.); INTAS (№96-1665 “Organic slicks on the sea surface and their remote sensing”, 1997-1999гг.; №03-51-4987 “Slicks as Indicators of Marine Processes”, 2004-2007гг.; №8014 “Bound waves: dynamics and impact on remote sensing of the sea surface” 2006-2009гг.); INTAS-GMES (“OSCSAR”, “DeCOP”, 2004-2005гг.); INTAS-ESA (“MOPED”, “DEMOSSS”, 2006-2008гг.); а также при участии автора в проектах CRDF Grant Assistant Program RGO-655; ФЦНТП Миннауки РФ (Госконтракт N 40.020.1.1.1171); ФЦП Миннауки РФ “Мировой океан” (2003-2007 гг., госконтракт N 43.634.11.0014), ОФН РАН «Проблемы радиофизики» (2004-2006 гг.), научной школы акад. В.И Таланова (2005-2007гг.).

Апробация результатов работы и публикации.

Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях: Генеральной океанографической ассамблее (Акапулько, Мексика, 1988), Симпозиуме “Взаимодействие океана и атмосферы” (Марсель, Франция, 1993), II Европейской конференции по механике жидкости (Варшава, Польша, 1994), коллоквиуме Евромех №287 ”Поверхностные слики и мониторинг взаимодействия между океаном и атмосферой” (Ворвик, Великобритания, 1997), Международных симпозиумах по наукам о Земле и дистанционному зондированию – IGARSS (Сиэтл, США, 1998; Гамбург, Германия, 1999; Гонолулу, США, 2000; Сидней, Австралия, 2001;Торонто, Канада, 2002), симпозиуме Европейского космического агентства “Совместное использование MERIS/ASAR для наблюдения морских сликов и мелкомасштабных процессов” (Италия, 2003), Международном симпозиуме “Тематические проблемы физики нелинейных волн” (Нижний Новгород, Россия, 2003), Международном американско-балтийском симпозиуме (Клайпеда, Литва, 2004), Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (Ницца, Франция, 2004; Вена, Австрия, 2006), Международной конференции “Современные проблемы оптики естественных вод” (Нижний Новгород, Россия, 2007);

на российских конференциях:

Всероссийской Юбилейной конференции РФФИ (Москва, 2002), Юбилейной всероссийской научной конференции (10 лет РФФИ) “Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы” (Москва, 2002), Школах по нелинейным волнам (Нижний Новгород, 2004, 2006), Открытых Всероссийских конференциях “Дистанционное зондирование Земли из космоса” (Москва, 2003, 2004, 2006); межведомственных конференциях “Проявления глубинных процессов на морской поверхности” (Н. Новгород, 2003, 2005, 2007);

на приглашеных семинарах:

в Университете Гамбурга (Германия, август, 1990; февраль, 1991; апрель, 2004), в Университете Флоренции (Италия, апрель, 1993; ноябрь, 1998), в Университете Саутгемптона (Великобритания, июнь, 1995; декабрь, 2003), в Военно-морской исследовательской лаборатории (США, Вашингтон, июнь, 1998), в Технологическом центре Винфрича (Великобритания, июль, 1999), в Университете Лиссабона (Португалия, ноябрь, 2000; ноябрь, 2002), в Университете Порту (Португалия, ноябрь, 2000), в Университете Гейдельберга (Германия, январь, 2002), в Университете Осло (Норвегия, апрель, 2007), в ИКИ РАН (Москва, апрель, 2003), а также на семинарах в ИПФ РАН.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1*- 64*], из них 20 статей в рецензируемых российских журналах, 12 статей в зарубежных рецензируемых журналах и изданиях, 22 работы в трудах конференций, 8 статей в тематических сборниках и 2 препринта.

Личный вклад автора

Содержащиеся в диссертации материалы получены автором самостоятельно, либо под его руководством и при его непосредственном участии. Автору принадлежат постановка задач, организация и руководство всеми натурными и лабораторными экспериментами, а также развитие теоретических моделей (при равном вкладе в работах [1*, 2*, 5*, 8*, 9*]). Автор принимал участие во всех экспериментах, анализе и обработке данных.

Структура и объем работы.

Диссертации состоит из Введения, 5 глав и Заключения. Общий объем 335с., в том числе 144 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 232 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы, новизна полученных результатов и положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

Глава 1 посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию затухания ГКВ в присутствии упругой пленки, описанию предложенного для анализа характеристик пленок метода параметрически возбуждаемых волн, а также анализу упругих свойств пленок ряда ПАВ. В разделе 1.1 обсуждаются выводы классической линейной теория затухания ГКВ в присутствии упругой пленки, кратко описаны экспериментальные исследования затухания ГКВ. В разделе 1.2, являющимся в значительной мере методическим, рассмотрена линейная гидродинамическая теория затухания ГКВ на поверхности воды, покрытой упругой пленкой. В разделе 1.2.1 дано описание свойств двух известных типов волн на поверхности вязкой жидкости, покрытой упругой пленкой – ГКВ (имеющих потенциальную и вихревую компоненты) и продольных чисто вихревых волн (ПВ), или волн Марангони. Показано, что вихревую компоненту ГКВ можно формально описать уравнением для ПВ с внешней силой, определяемой потенциальной компонентой ГКВ. Для амплитуды вихревой компоненты ГКВ - "вынужденной ПВ" получено выражение вида

, (1)

где Ur и Up - комплексные амплитуды вихревой и потенциальной компонент орбитальной скорости ГКВ на поверхности, и - волновые числа ПВ и ГКВ, определяемые выражениями и , , , - плотность, коэффициент поверхностного натяжения (к.п.н.) и динамическая вязкость жидкости, g – ускорение силы тяжести, Е – упругость пленки, - частота волн. Выражение (1) имеет резонансный вид, однако, поскольку kM комплексно и условие точного резонанса между ГКВ и ПВ (равенство kM и kg) не выполняется, амплитуда возбуждаемой “вынужденной” ПВ остается конечной и имеет максимум |Urmax|=2|Up| при , при этом . В разделе 1.2.2 получено выражение для коэффициента затухания ГКВ вида

(2)

Здесь первое слагаемое описывает затухание ГКВ в жидкости с чистой поверхностью, второе - дополнительное затухание из-за пленки, которое определяется отношением интенсивностей “вынужденной ПВ” и потенциальной компоненты ГКВ. Величинаотвечает максимуму затухания ГКВ при “резонансе” (Е=Е0). Выражение (2) с точностью до малых членов порядка (2k2/)1/2 <<1 согласуется с результатами более формального анализа полного дисперсионного уравнения для волн в вязкой жидкости (см., например, [22, 23]).

В разделе 1.3. представлены лабораторные исследования коэффициента затухания ГКВ с использованием предложенного в работе метода параметрических волн. Рассчитан полный коэффициент затухания ГКВ в бассейне конечных размеров (раздел 1.3.1) с учетом влияния стенок. В разделе 1.3.2 описан метод измерения , основанный на измерении порога параметрического возбуждения ГКВ в бассейне, установленном на вибрирующем основании (при этом к.п.н. определяется из дисперсионного соотношения ГКВ по измерениям их длины волны при заданной частоте ГКВ), оценены ошибки измерения параметрическим методом. Важное преимущество метода – возможность избавиться от ошибок, связанных с неоднородностью пространственного распределения концентрации ПАВ, возникающего из-за средних течений при измерениях для бегущих ГКВ. В разделе 1.3.3 представлены результаты лабораторных измерений коэффициента затухания ГКВ для чистой воды, показано их хорошее согласие с теорией. Приведены результаты измерений коэффициента затухания как функции частоты ГКВ в присутствие мономолекулярной пленки и на основе сравнения их с теорией сделан вывод о возможности восстановления динамической упругости пленки по величине .

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.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.