Океан насыщен микропластиком. Хотя мы знаем о местоположении больших мусорных пятен, до сих пор оставалось неизвестным, где микропластиковые частицы могут накапливаться под поверхностью океана. Из-за огромных размеров океана данные о пробах частиц редки, но моделирование того, как частицы агрегируются в трёхмерных потоках жидкости, может помочь определить, где искать.
В журнале Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science исследователи из Океанографического института Вудс-Хоул разработали теорию о том, как микропластиковые частицы могут накапливаться в идеализированном вихре, или круговом течении.
Ларри Пратт и Ирина Рыпина начали с моделирования движения жидкости во вращающемся цилиндре — лабораторной установке, обычно используемой для исследования крупномасштабных океанических и атмосферных потоков. В ней корпус цилиндра вращается с постоянной скоростью, в то время как его крышка вращается с другой скоростью.
В результате получается циркуляция, в которой вода закручивается в середине цилиндра и спиралевидно опускается по внешнему краю, что наблюдается в океанских вихрях в масштабе сотен километров.
Когда крышка цилиндра наклонена, траектории жидкости изменяются. Пути частиц разбиваются на запутанный поток хаотических орбит и новые кольцеобразные циркуляции, которые могут порождать «аттракторы» слегка плавучих мелких частиц — стабильные состояния, в которые система переходит.
«Если бы вы просто бросили маленькую частицу в воду с произвольной скоростью, вязкое сопротивление быстро привело бы её движение в соответствие с движением жидкости», — сказал Пратт. «Таким образом, в первом приближении микропластиковые частицы просто следуют траекториям жидкости».
Сложность заключается в том, что микропластики имеют инерцию и нарушают поток жидкости вокруг себя, заставляя их медленно отклоняться от обычного пути жидкости. Пратт и Рыпина использовали математику, стоящую за этим, для разработки теории о том, как и где частицы накапливаются. Применение теории к океаническим потокам может помочь определить подповерхностные области с высокими концентрациями микропластика.
Они обнаружили, что накопление частиц происходит в центре трубчатых структур, которые обвивают круговые течения. Может существовать множество таких структур, что приводит к множеству «аттракторов» мелких частиц. Каждый аттрактор напоминает скрученную замкнутую петлю, по которой частицы движутся, закручиваясь вверх и вниз в трёхмерном потоке.
Теория Пратта и Рыпиной объясняет, как, где и почему возникают эти течения. Хотя их выводы отражают экспериментально и численно наблюдаемые течения, у них есть планы добавить более реалистичные усложнения.
«Основное, что нам нужно учитывать, — это влияние мелкомасштабной турбулентности. Теория справедлива для сферических частиц, но большинство микропластиков в океане имеют очень неправильную форму», — сказал Пратт.
«Ещё одна задача на будущее — попытаться отследить их. А в ближайшем будущем мы надеемся, что теория ляжет в основу стратегий отбора проб и приведёт к лучшему пониманию того, где может накапливаться пластик», — добавил он.
Предоставлено American Institute of Physics.