Лабораторное исследование особенностей радиолокационного рассеяния Ка-диапазона гравитационно-капиллярными волнами на поверхности воды, покрытой полиэтиленовой пленкой

Загрязнение океана пластиковым мусором (ПМ) и дистанционная диагностика последнего является сегодня одной из актуальных экологических проблем. Важную роль в развитии методов дистанционной диагностики играют спутниковые радиолокаторы микроволнового диапазона. Макропластик, т.е. плавающие на поверхности или в приповерхностном слое воды пластиковые предметы с размерами порядка единиц – десятков см и более может оказывать существенное влияние на распространение мелкомасштабных ветровых волн см-дм-диапазона длин, в том числе, на их затухание, что может служить физической основой для развития методов радиолокационной (РЛ) диагностики ПМ. Лабораторные и теоретические исследования влияния плавающих объектов на волны проводились, например, в контексте задач затухания волн на макроводорослях [1], фрагментированном льду [2-4], плоских упругих плавающих пластинах [5], в последнем случае в приложении в проблеме разработки плавающих на поверхности моря волногасителей. В недавней публикации [6] отмечено, что важным фактором, определяющим возможности РЛ диагностики ПМ, является обусловленная плавающим пластиком изменчивость характеристик капиллярных волн, хотя количественный анализ такой изменчивости представлен не был.
Настоящая работа посвящена лабораторному моделированию влияния ПМ, а именно полиэтиленовой (ПЭ) пленки, на затухание гравитационно-капиллярных волн (ГКВ) на поверхности воды, а также особенностям обратного РЛ рассеяния микроволн Ка-диапазона гравитационно-капиллярными волнами, распространяющимися в области пленки.
Исследования проводились в ветро-волновом бассейне ИПФ РАН в котором с помощью механического волнопродуктора возбуждались ГКВ с различной крутизной и с частотами 3-4 Гц. ГКВ распространялись через область поверхности воды, покрытую ПЭ пленками различной толщины и структуры, а именно, тонкой стрейч-пленкой (толщина 20 мкм), толстой пленкой (толщина 150 мкм) и “пузырчатой” пленкой с толщиной 4 мм. Измерения амплитуд волн выполнялись струнными волнографами. РЛ зондирование ГКВ проводилось с использованием скаттерометра Ка-диапазона, работающего на вертикальной и горизонтальной поляризациях, угол падения микроволн составлял 55 град.
В ходе экспериментов показано, что ГКВ затухают при прохождении области, занятой ПЭ-пленкой, коэффициент затухания растет с ростом толщины пленки. Интересно отметить, что скорость ГКВ в присутствии пленки увеличивается по сравнению с чистой поверхностью воды, оценка скорости с учетом упругости и толщины пленки согласуется с экспериментом. Получено, что паразитная капиллярная рябь и bulge-структуры, которые возникают на профиле ГКВ большой крутизны и которые являются основной причиной рассеяния излучения Ка-диапазоне (см. [7]), существенно подавляются ПЭ-пленками, при этом соответственно уменьшается и интенсивность РЛ сигнала. РЛ рассеяние в присутствии пленки становится более неполяризованным по сравнению с рассеянием от ГКВ на чистой воде. Воздушные пузырьки под пленкой и капли воды на пленке приводят к увеличению интенсивности РЛ рассеяния.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-17-00167).