Тонкие пленки могут усиливать завихренность в океане

Российские ученые исследовали, как вихревые течения проникают вглубь жидкости. Авторы статьи показали, что тонкие жидкие и нерастворимые пленки на поверхности воды усиливают вихревые течения. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Fluids.

С античных времен известно, что пленки на поверхности жидкости влияют на ее движение. Древние греки выливали за борт кораблей масло, чтобы успокоить бурное море. Образовавшаяся масляная пленка усиливала вихревые течения в вертикальной плоскости в тонком слое вблизи поверхности, что в результате подавляло амплитуду поверхностных волн.

В новом исследовании авторы показали, что тонкие жидкие и нерастворимые пленки на поверхности воды усиливают и горизонтальные вихревые течения. Они образуются, если направленные под углом друг к другу поверхностные волны встречаются. В работе исследователи учитывают два нелинейных механизма, которые генерируют горизонтальные вихри — стоксов дрейф и эйлерову завихренность. Последний вклад до недавнего времени никто не принимал во внимание, однако если поверхность жидкости покрыта пленкой, то именно он становится определяющим.

«При волновом движении вязкость жидкости приводит к формированию вертикальных вихревых течений, сосредоточенных в тонком слое вблизи поверхности, — объясняет один из авторов исследования, Владимир Парфеньев из ВШЭ. — Если возбудить две ортогональные волны, то вертикальные вихри, сопутствующие первой волне, будут немного поворачиваться за счет наклона поверхности, который создает вторая волна, и наоборот. В результате появляется проекция вихревого движения на горизонтальную плоскость. Пленка на поверхности жидкости усиливает вертикальные вихри вблизи поверхности, что приводит к усилению горизонтальных вихревых течений».

Исследователи установили, что вклады в горизонтальное вихревое течение, обусловленные стоксовым дрейфом и эйлеровой завихренностью, зависят от глубины. Оба слагаемых затухают экспоненциально на масштабе порядка длины волны, но стоксов дрейф затухает быстрее. То есть если отойти от поверхности (в глубину) на расстояние, равное длине волны, вихрей не будет видно. При этом стоксов дрейф пропадет раньше — это означает, что эйлерова завихренность всегда будет доминировать на глубине, даже если поверхность жидкости не покрыта пленкой.

Результаты исследования могут использоваться в самых разных областях: от материаловедения до геофизики. Например, можно поместить на поверхность жидкости частицы с заданными свойствами (электрическими, магнитными и так далее) и, управляя их движением, контролировать характеристики границы раздела. В геофизике полученные результаты могут применяться в анализе транспорта загрязняющих веществ или планктона вблизи поверхности океана. Кроме того, авторы отмечают, что на основе их вычислений можно разработать метод определения параметров поверхностной пленки, если они неизвестны изначально. Теперь авторы намерены экспериментально проверить теоретические предсказания. Они надеются, что удастся объяснить аномально большую интенсивность вихревых течений, наблюдаемую в лабораторных экспериментах.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.