Эффект генерации звука мощным излучением ИК-диапазона при облучении воды, покрытой пленкой поверхностно-активного вещества

Проблема постоянно нарастающего загрязнения Мирового океана требует разработки новых подходов для оперативного выявления очагов загрязнения и их экспресс-анализа. Важным индикатором загрязнений являются слики, в подавляющем большинстве связанные с пленками поверхностно-активных веществ (ПАВ) на водной поверхности. Информацию о толщине пленки, площади покрытия и динамике ее распространения в основе получают из анализа авиа- и спутниковых изображений оптического и радиодиапазонов [1]. В лабораторных условиях активно используются флуоресцентные методы, заключающиеся в идентификации пленки за счет уникальности ее спектра [2-5] и использовании линии комбинационного рассеяния воды для оценки толщин тонких пленок (менее 10 мкм). Однако в любом случае необходимо учитывать, что при отборе и анализе проб пленок в лаборатории их характеристики могут существенно меняться в силу несовершенства методик отбора проб. Использование лабораторных методов в натурных условиях встречает и другие трудности, способные привести к значительным ошибкам, вплоть до невозможности получения результата из-за “отсутствия” отраженного водной поверхностью сигнала в условиях развитого ветрового волнения. В связи с этим, возникает потребность в развитии новых комбинированных методов диагностики пленок, например, оптико-акустических. Последние активно используются в дефектоскопии и медицине при диагностике мягких тканей [6, 7], однако в океанологии их практическая реализация встречается только в нескольких работах, основанных на использовании системы LURSOT (Laser Ultrasonic Remote Sensing of Oil Thickness) [8]. Поиску новых возможностей оптоакустики применительно к задаче дистанционной диагностики пленок разной природы на морской поверхности посвящена настоящая работа.
В работе представлены результаты серии лабораторных экспериментов по наблюдению нового опто-акустического эффекта, возникающего в присутствии пленки на поверхности воды при ее облучении интенсивным лазерным излучением. Экспериментальная установка включала источник ИК-излучения (10.5 мкм, 2Вт), систему зеркал, кюветы с водой и расположенным рядом с ней микрофоном. В отсутствие пленки, микрофон регистрировал слабый фоновый акустический сигнал. При нанесении на поверхность воды пленок различных ПАВ (сырая нефть, дизель, олеиновая кислота) регистрировали звуковой сигнал – короткие звуковые импульсы (щелчки) в периодами повторения порядка единиц-десятков Гц. Предположительно эффект объясняется тем, что при интенсивном нагреве воды под пленкой возникают приповерхностные течения, приводящие при соответствующих условиях к разрыву пленки и в ряде случаев даже вскипанию жидкости. При разрыве пленки вода из-за интенсивного испарения охлаждается, пленка восстанавливается и процесс повторяется. Для получения конкретных соотношений между статистическими характеристиками щелчков и свойствами пленок были проведены измерения в условиях контролируемой толщины пленки (либо концентрации ПАВ). В качестве вещества пленки была выбрана олеиновая кислота (OLE). Пленка наносилась калиброванной пипеткой на поверхность воды, налитой в предварительно протертую спиртом кювету. В качестве источника излучения применялся 10.5 мкм CO2 лазер марки CloudRay мощностью до 40Вт. Излучение через зеркало “заводилось” в кювету под прямым углом к поверхности. Аналоговый микрофон размещался в воздухе вблизи кюветы. Сигнал с него оцифровывался посредством АЦП, после чего проходил спектральную обработку.
В ходе проведения экспериментов и анализа данных были получены следующие результаты: 1) оптоакустический эффект имеет пороговое происхождение: треск возникал при концентрациях пленки 2-3 мг/м^2; 2) регулярная связь между интенсивностью треска и толщиной (концентрацией) пленки не установлена; 3) частота следования щелчков оказалась неоднозначной функцией концентрации поверхностной пленки в диапазоне концентраций от 2 до 15 мг/м^2; 4) с увеличением температуры воды частота щелчков растет.
Полученные результаты полезны в практической реализации нового оптико-акустического метода дистанционной диагностики пленок разной природы в реальных морских условиях, способствуя развитию новых систем оперативного экологического мониторинга океана и внутренних водоемов.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №18-35-20054, а также в рамках госзадания (тема Разработка радиофизических методов исследования океана (0035-2019-0006)).