Влияние поверхностного волнения на оседание и дрейф частиц микропластика: лабораторный эксперимент

Исследованы траектории и средние скорости оседания и дрейфа частиц микропластика под воздействием поверхностных гравитационных волн и течения в жидкости конечной глубины. Эксперименты проводились в линейном ветроволновом канале, в котором создавались различные условия волнопродуктором и воздействием воздушного потока на поверхность воды. Использовались частицы различной формы (изометрические, плоские, сферические). В работе приводится краткое описание основанных на анализе размерностей подходов, применяемых при исследовании переноса микропластика в условиях поверхностного волнения. На основе этого дается характеристика режимов волнения и наборов экспериментальных частиц. Частицы имеют конечные скорости оседания в неподвижной жидкости в диапазоне 1,0–3,8 см/с. Значения конечных скоростей оседания в неподвижной жидкости получены экспериментально и могут представлять самостоятельный интерес. Получены и проанализированы траектории оседания 13-ти типов частиц в четырех режимах волнения. Средняя скорость оседания частиц в присутствии волн слабо отличается (по t-критерию Уэлча с условием p < 0,05) от конечной скорости оседания в неподвижной жидкости, что согласуется с другими работами. Результаты указывают на то, что средняя горизонтальная скорость (дрейфа) следует средней скорости течения. Присутствие ветра усиливает горизонтальный перенос из-за усиления дрейфового течения и резко увеличивает дисперсию частиц.

1. Kukulka T.,Proskurowski G.,Morét-Ferguson S.,Meyer D.W.,Law K.L. Theeffectofwindmixingontheverticaldistribution of buoyant plastic debris // Geophysical Research Letters. 2012. Vol. 39, N 7. P. L0760. doi:10.1029/2012GL051116

2. Isobe A., Kubo K., Tamura Y. et al. Selective transport of microplastics and mesoplastics by drifting in coastal waters // Marine Pollution Bulletin. 2014. Vol. 89, N 1–2. P. 324–330. doi:10.1016/j.marpolbul.2014.09.041

3. Fujimura A.G., Reniers A.J., Paris C.B. et al. Numerical simulations of larval transport into a rip-channeled surf zone // Limnology and Oceanography. 2014. Vol. 59, N 4. P. 1434–1447. doi:10.4319/lo.2014.59.4.1434

4. Fuchs H.L., Hunter E.J., Schmitt E.L., Guazzo R.A. Active downward propulsion by oyster larvae in turbulence // Journal of Experimental Biology. 2013. Vol. 216, N 8. P. 1458–1469. doi:10.1242jeb.079855

5. Clark L.K., DiBenedetto M.H., Ouellette N.T., Koseff J.R. Settling of inertial nonspherical particles in wavy flow // Physical Review Fluids. 2020. Vol. 5, N 12. P. 124301. doi:10.1103/PhysRevFluids.5.124301

6. De Leo A., Cutroneo L., Sous D. et al. Settling velocity of microplastics exposed to wave action // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. Vol. 9, N 2. P. 142. doi:10.3390/jmse9020142

7. Clark L.K., DiBenedetto M.H., Ouellette N.T., Koseff J.R. Dispersion of finite-size, non-spherical particles by waves and currents // Journal of Fluid Mechanics. 2023. Vol. 954. P. A3. doi:10.1017/jfm.2022.968

8. Forsberg P.L., Sous D., Stocchino A., Chemin R. Behaviour of plastic litter in nearshore waters: First insights from wind and wave laboratory experiments // Marine Pollution Bulletin. 2020. Vol. 153. P. 111023. doi:10.1016/j.marpolbul.2020.111023

9. Alsina J.M., Jongedijk C.E., van Sebille E. Laboratory measurements of the wave-induced motion of plastic particles: Influence of wave period, plastic size and plastic density // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, N 12. P. e2020JC016294. doi:10.1029/2020JC016294

10. Dietrich W.E. Settling velocity of natural particles // Water Resources Research. 1982. Vol. 18, N 6. P. 1615–1626. doi:10.1029/WR018i006p01615

11. Zhiyao S., Tingting W., Fumin X., Ruijie L. A simple formula for predicting settling velocity of sediment particles // Water Science and Engineering. 2008. Vol. 1, N 1. P. 37–43. doi:10.1016/S1674-2370(15)30017-X

12. Khatmullina L., Isachenko I. Settling velocity of microplastic particles of regular shapes // Marine Pollution Bulletin. 2017. Vol. 114, N 2. P. 871–880. doi:10.1016/j.marpolbul.2016.11.024

13. Hazzab A., Terfous A., Ghenaim A. Measurement and modeling of the settling velocity of isometric particles // Powder Technology. 2008. Vol. 184, N 1. P. 105–113. doi:10.1016/j.powtec.2007.08.009

14. DiBenedetto M.H., Koseff J.R., Ouellette N.T. Orientation dynamics of nonspherical particles under surface gravity waves // Physical Review Fluids. 2019. Vol. 4, N 3. P. 034301. doi:10.1103/PhysRevFluids.4.034301

15. Guler H.G., Larsen B.E., Quintana O. et al. Experimental study of non-buoyant microplastic transport beneath breaking irregular waves on a live sediment bed // Marine Pollution Bulletin. 2022. Vol. 181. P. 113902. doi:10.1016/j.marpolbul.2022.113902

16. Jackson D.W.T., Cooper J.A.G., Del Rio L. Geological control of beach morphodynamic state // Marine Geology. 2005. Vol. 216, N4. P. 297–314. doi:10.1016/j.margeo.2005.02.021

17. Stocchino A., De Leo F., Besio G. Sea waves transport of inertial micro-plastics: Mathematical model and applications // Journal of Marine Science and Engineering. 2019. Vol. 7, N 12. P. 467. doi:10.3390/jmse7120467

18. Troitskaya Yu.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A. et al. Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions // Journal of Geophysical Research. 2012. 117. C00J21 doi:10.1029/2011JC007778

19. OpenCV. URL: https://opencv.org (дата обращения: 05.03.2023).

20. ALGLIB User Guide — Penalized regression spline. URL: https://www.alglib.net/interpolation/leastsquares.php (дата обращения: 05.03.2023).

21. Longuet-Higgins M.S. Eulerian and Lagrangian aspects of surface waves // Journal of Fluid Mechanics. 1986. Vol. 173. P. 683–707. doi:10.1017/S0022112086001325

22. Grue J., Kolaas J. Experimental particle paths and drift velocity in steep waves at finite water depth // Journal of Fluid Mechanics. 2017. Vol. 810. P. R1. doi:10.1017/jfm.2016.726

23. Судольский А.С. Динамические явления в водоемах. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 263 с.

24. Santamaria F., Boffetta G., Afonso M.M. et al. Stokes drift for inertial particles transported by water waves // Europhysics Letters. 2013. Vol. 102, N 1. P. 14003. doi:10.1209/0295–5075/102/14003