Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)

Семнадцатая Всероссийская Открытая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)»

XVII.E.350

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

Мольков А.А. (1), Капустин И.А. (1), Ермаков С.А. (1), Лазарева Т.Н. (1), Лещев Г.В. (1), Сергиевская И.А. (1)
(1) Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
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)).

Ключевые слова: Оптоакустика, пленки ПАВ, экологический мониторинг
Литература:
  1. Fingas M., Brown C.E. A Review of Oil Spill Remote Sensing // Sensors. 2018. V.18. P.91.
  2. Мазуров И.В., Фадеев В.В., Чубаров В.В. Лазерная диагностика нефтепродуктов и растворенных органических веществ в воде // Материалы УI Пленума РГ по оптике океане. 1983. С. 28-32
  3. Brown CE. Laser fluorosensors. In: Oil spill science and technology. 2011. P. 171-184
  4. Hoge FE, Swift RN. Oil film thickness measurement using airborne laser-induced water Raman backscatter // Applied Optics. 1980. V.19. P.3269-3281.
  5. Babichenko S. Laser remote sensing of the european marine environment: LIF technology and applications. In: Remote Sensing of the European Seas. Barale, V., and Gade, M., eds., Springer, Netherlands. 2008. P.189-204.
  6. Wang L., Zhang C., Wang L.V. Grueneisen Relaxation Photoacoustic Microscopy // Phys. Rev. Lett. 2014. V.113. P.1-5.
  7. Субочев П.В., Постникова А.С., Ковальчук А.В., Турчин И.В. Биомедицинский оптико-акустический томограф на основе цилиндрической фокусирующей антенны из поливинилиденфлюорида // Изв. вузов. Радиофизика. 2017. Т. 60. № 3. С. 260-267
  8. Brown C.E., Fingas M.F., Goodman R.H. Choquet M., Blouin A., Drolet D., Monchalin J.-P., Hardwick C.D. The LURSOT sensor: providing absolute measurement of oil slick thickness. In: Proceedings of the Fourth Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, vol. 1. Environmental Research Institute of Michigan, Ann Arbor, MI, USA. 1997. P.I-393–I-397.

Презентация доклада

Дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов

307