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水波の表面粗さに及ぼすマイクロプラスチックと界面活性剤の影響
Jul 04, 2023Scientific Reports volume 13、記事番号: 1978 (2023) この記事を引用
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101 オルトメトリック
メトリクスの詳細
私たちは、海洋表面上のマイクロプラスチックの存在によって引き起こされる測定可能な表面粗さの減少に基づいて、最近開発された海洋マイクロプラスチックを検出するリモートセンシング機能の基礎となる流れ物理学を研究します。 特に、この粗さの減少が浮遊粒子としてのマイクロプラスチックによって引き起こされるのか、それともマイクロプラスチックと同様の輸送経路をたどる界面活性剤によって引き起こされるのかに興味があります。 この目的のために、機械式造波機または風によって発生する波を使用して、浮遊粒子と界面活性剤が表面粗さに及ぼす影響を実験的にテストします。これは平均二乗勾配 (MSS) によって定量化されます。 マイクロプラスチックの場合、MSS に対するマイクロプラスチックの影響は、被覆される表面積の割合に大きく依存することがわかりました。 粒子による減衰は O (5 ～ 10%) を超える部分でのみ観察され、現実的な海洋条件よりもはるかに高くなります。 界面活性剤の場合、機械的に発生する波と風波の両方に対するその減衰効果が定量化されており、マイクロプラスチックによる減衰効果よりもはるかに重要であることが示されています。 界面活性剤による粗さの減衰に関するいくつかの新しいメカニズム/関係も確認されています。 これらの実験結果がリモートセンシングに与える影響について議論します。
海洋プラスチック汚染は緊急かつ世界的な問題です。 毎年推定800万トンのプラスチックゴミが海に流れ込み、そのほとんどが太陽や波にさらされてマイクロプラスチックとなっている。 海洋環境からプラスチック汚染を除去するためには、マイクロプラスチックの分布と量に関する情報が不可欠です。 最近、マイクロプラスチックの地球規模の観測システムの開発について、学際的なコミュニティ間で活発な議論が行われています1、2、3。 この方向に沿って、マイクロプラスチックの存在による検出可能な表面粗さの抑制を通じて、リモートセンシング技術を適用して海洋中のマイクロプラスチック濃度を追跡できる可能性があることが示唆されています4,5。 このリモートセンシングのアイデアは、6,7 年に世界の海洋に初めて導入され、肯定的な結果が確認されました。 この実装の原理は、マイクロプラスチックによって引き起こされる海洋表面の粗さの異常（つまり、予想よりも低い粗さ）を通じてマイクロプラスチックの濃度を推測することです。これは、宇宙搭載レーダーからのリアルタイム測定と、宇宙搭載レーダーからのリアルタイム測定との差異によって説明できます。面粗さの標準モデルです。
この新しい技術は、NASA CYGNSS (Cyclone Global Navigation Satellite System) からのデータに適用されています8,9。 具体的には、CYGNSS は、GPS L1 信号を通じて正規化バイスタティック レーダー断面積 (NBRCS) を測定します。その逆数は、次のように定義される海面の平均二乗勾配 (MSS) を提供します。
ここで、k は波数、S(k) は全方向スペクトル、\(k_c\) はリモート センシングにおける入射角と搬送波周波数に応じたカットオフ波数です。 CYGNSS の場合、\(k_c\) の平均値は 7.5 rad m\(^{-1}\)10 になります。 (1) で定義されているように、 \(k_c\rightarrow \infty\) の \(\text {MSS}\rightarrow \overline{\nabla \eta \cdot \nabla \eta }\) (地表標高勾配の分散)、それ以外の場合、MSS は表面粗さを有限スケール \(k_c\) まで定量化します。 CYGNSS 測定に加えて、MSS の別の情報源は、NOAA 再解析モデル 12 からの風速を入力として受け取る標準的な Katzberg モデル 11 によって取得できます。 MSS 異常は、CYGNSS 測定値とカッツバーグ モデルの結果 (後者によって正規化された) の間の相対的な差として定義され、他の要因 (CYGNSS 測定値とカッツバーグ モデルの誤差など) の中でも表面粗さに対するマイクロプラスチックの影響を説明すると期待されています。他の物理プロセスの影響)。 図 1 に示すように、MSS 異常は、地球規模の輸送モデルから計算された海洋マイクロプラスチックの濃度と良好な相関を示すことがわかりました7。
Another hypothetical mechanism7 that can lead to the observed correlation is the wave damping effect by surfactants which share similar transport paths as microplastics15. Compared to a scarce number of studies on the effect of floating particles, there is a much larger body of literature on the effect of surfactants to surface waves. It has been observed in several field studies16,17,18,19,20,2.0.CO;2 (1989)." href="#ref-CR21" id="ref-link-section-d7348188e799_5"21,22 that the presence of surfactants on the ocean surface results in some damping effect of surface waves. Physically, the damping effect is believed to be caused by the Marangoni stresses (due to the inhomogeneous adsorption of surfactants at the interface) that can act in opposite directions of the wave motion23. In controlled experiments24 and numerical simulations25,26 where quantitative studies are possible, it is found that an optimal surfactant level associated with maximum damping exists for a given wave frequency. While these studies are conducted for different wave frequencies (in the range of 4 to 200 Hz) and identify different optimal surfactant levels, it is suggested23 that the optimal level may correspond to the situation of the surfactant-induced Marangoni wave having the same wavelength as the surface wave, leading to some resonance-like effect. For irregular waves as in the ocean, however, the effect of varying levels of surfactants is not sufficiently studied, and it is not clear whether an optimal level for wave damping exists for a wave spectrum. This question is also relevant to the correlation problem as such an optimal level implies a non-monotonic relation between concentration and MSS anomaly that somewhat contradicts the observed correlation./p> 2.0.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1175%2F1520-0450%281970%29009%3C0396%3AEOAASS%3E2.0.CO%3B2" aria-label="Article reference 17" data-doi="10.1175/1520-0450(1970)0092.0.CO;2"Article ADS Google Scholar /p> Lombardini, P. P., Fiscella, B., Trivero, P., Cappa, C. & Garrett, W. D. Modulation of the spectra of short gravity waves by sea surface films: Slick detection and characterization with a microwave probe. J. Atmos. Oceanic Tech. 6, 882–890. 2.0.CO;2" data-track="click" data-track-action="external reference" data-track-label="10.1175/1520-0426(1989)0062.0.CO;2"https://doi.org/10.1175/1520-0426(1989)006<0882:MOTSOS>2.0.CO;2 (1989)./p> 2.0.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1175%2F1520-0426%281989%29006%3C0882%3AMOTSOS%3E2.0.CO%3B2" aria-label="Article reference 21" data-doi="10.1175/1520-0426(1989)0062.0.CO;2"Article ADS Google Scholar /p>