Исследование: хаотические течения в океане формируют «ловушки» для микропластика

Океан насыщен микропластиком. Хотя мы знаем о существовании больших мусорных пятен, места скопления пластиковых частиц под поверхностью океана остаются неизвестными. Огромные масштабы океана означают, что данные отбора проб частиц скудны, но моделирование того, как частицы скапливаются в трёхмерных потоках жидкости, может помочь определить, где их искать.

Слева: Арт-визуализация, вдохновлённая исследованием, показывающая циркуляцию жидкости во вращающемся цилиндре. Справа: Траектории движения частиц жидкости в резервуаре при наклоне крышки цилиндра, что нарушает поток. Автор: Ларри Пратт, 2013 (слева); Пратт и Рыпина (справа).

В журнале «Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science» исследователи из Океанографического института Вудс-Хоул представили теорию о том, как частицы микропластика могут накапливаться в идеализированном водовороте или круговом течении.

Ларри Пратт и Ирина Рыпина начали с моделирования движения жидкости во вращающемся цилиндре — стандартной лабораторной установки для изучения крупномасштабных океанических и атмосферных течений. В ней корпус цилиндра вращается с постоянной скоростью, а его крышка — с другой.

Возникающая циркуляция, при которой вода закручивается в центре цилиндра и спирально опускается по внешнему краю, наблюдается в океанических водоворотах масштабом в сотни километров.

Когда крышку цилиндра наклоняют, траектории движения жидкости меняются. Пути частиц разбиваются на запутанный поток хаотических орбит и новых циркуляций в форме бублика, которые могут порождать «аттракторы» для слегка плавучих мелких частиц — стабильные режимы, в которые входит система.

«Если просто бросить маленькую частицу в воду с произвольной скоростью, вязкое сопротивление быстро приблизит её движение к движению жидкости, — сказал Пратт. — Так что, в первом приближении, частицы микропластика просто следуют по траекториям жидкости».

Сложность в том, что микропластик обладает инерцией и нарушает течение жидкости вокруг себя, из-за чего частицы медленно отклоняются от обычного пути жидкости. Пратт и Рыпина использовали математику, стоящую за этим, чтобы разработать теорию о том, как и где частицы накапливаются. Применение этой теории к океаническим течениям может помочь определить подповерхностные области с высокой концентрацией микропластика.

Они обнаружили, что накопление частиц происходит в центре трубчатых структур, которые обвивают круговые течения. Таких структур может быть много, что приводит к появлению множества «аттракторов» для мелких частиц. Каждый аттрактор напоминает скрученную замкнутую петлю, вдоль которой движутся частицы, спирально поднимаясь и опускаясь в трёхмерном потоке.

Теория Пратта и Рыпиной объясняет, как, где и почему возникают эти течения. Хотя их выводы отражают потоки, наблюдаемые экспериментально и численно, они планируют добавить более реалистичные усложнения.

«Главное, что нам нужно учесть, — это влияние мелкомасштабной турбулентности. Теория верна для сферических частиц, но большинство микропластиков в океане имеют очень неправильную форму, — сказал Пратт. — Другая задача на будущее — попытаться отследить их. В ближайшем будущем мы надеемся, что теория поможет разработать стратегии отбора проб и приведёт к лучшему пониманию того, где пластик может накапливаться».

Больше информации: Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science (2025). DOI: 10.1063/5.0288722

Источник: American Institute of Physics