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미세플라스틱과 계면활성제가 물결 표면 거칠기에 미치는 영향
Jul 04, 2023Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1978(2023) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
우리는 해양 표면의 미세 플라스틱의 존재로 인해 유발되는 측정 가능한 표면 거칠기 감소를 기반으로 최근 개발된 해양 미세 플라스틱을 탐지하는 원격 감지 기능의 기초가 되는 흐름 물리학을 연구합니다. 특히 우리는 이러한 거칠기 감소가 부유 입자인 미세 플라스틱에 의해 발생하는지, 아니면 미세 플라스틱과 유사한 이동 경로를 따르는 계면활성제에 의해 발생하는지에 관심이 있습니다. 이를 위해 우리는 기계식 조파기 또는 바람에 의해 생성된 파도를 사용하여 평균 제곱 기울기(MSS)로 정량화된 표면 거칠기에 대한 부유 입자 및 계면활성제의 영향을 실험적으로 테스트합니다. 미세플라스틱의 경우 MSS에 미치는 영향이 적용 범위의 표면적 비율에 따라 크게 좌우된다는 사실을 발견했습니다. 입자에 의한 감쇠는 실제 해양 조건보다 훨씬 높은 O(5~10%) 이상의 부분에서만 관찰됩니다. 계면활성제의 경우 기계적으로 생성된 파도와 바람 파도 모두에 대한 감쇠 효과가 정량화되어 있으며 이는 미세 플라스틱에 의한 감쇠 효과보다 훨씬 더 중요한 것으로 나타났습니다. 계면활성제에 의한 거칠기 감쇠에 대한 몇 가지 새로운 메커니즘/관계도 확인되었습니다. 이러한 실험 결과가 원격 탐사에 미치는 영향이 논의됩니다.
해양 플라스틱 오염은 긴급하고 세계적인 문제입니다. 매년 약 800만 톤의 플라스틱 쓰레기가 바다로 유입되며, 대부분은 태양과 파도에 의해 미세플라스틱으로 변합니다. 해양 환경에서 플라스틱 오염을 제거하려면 미세플라스틱의 분포와 양에 대한 정보가 매우 중요합니다. 최근 미세플라스틱에 대한 글로벌 관찰 시스템 개발이 학제간 커뮤니티에서 활발하게 논의되고 있습니다1,2,3. 이러한 방향을 따라 원격 감지 기술을 적용하여 미세 플라스틱이 존재할 때 표면 거칠기를 감지할 수 있는 억제를 통해 해양의 미세 플라스틱 농도를 추적할 수 있다고 제안되었습니다4,5. 이러한 원격 감지 아이디어는6,7 전 세계 해양에 대해 처음으로 구현되었으며 긍정적인 결과가 확인되었습니다. 이 구현의 원리는 미세플라스틱에 의해 유발된 해양 표면 거칠기 이상(즉, 예상보다 낮은 거칠기)을 통해 미세플라스틱 농도를 추론하는 것입니다. 이는 우주 레이더의 실시간 측정값과 우주 레이더의 실시간 측정값의 차이로 설명할 수 있습니다. 표면 거칠기의 표준 모델.
새로운 기술은 NASA CYGNSS(Cyclone Global Navigation Satellite System)8,9의 데이터에 적용되었습니다. 특히 CYGNSS는 GPS L1 신호를 통해 정규화된 양방향 레이더 단면적(NBRCS)을 측정합니다. NBRCS의 역수는 다음과 같이 정의되는 해수면의 평균 제곱 경사(MSS)를 제공합니다.
여기서 k는 파수, S(k)는 전방향 스펙트럼, \(k_c\)는 원격탐사에서 입사각과 반송파 주파수에 따른 차단 파수이다. CYGNSS의 경우 \(k_c\)는 7.5 rad m\(^{-1}\)10의 평균 값을 사용합니다. (1)에 의해 정의된 바와 같이, \(k_c\rightarrow \infty\)에 대한 \(\text {MSS}\rightarrow \overline{\nabla \eta \cdot \nabla \eta }\) (표면 고도 변화의 변화), 그렇지 않으면 MSS는 표면 거칠기를 유한 규모 \(k_c\)까지 정량화합니다. CYGNSS 측정 외에도 MSS의 또 다른 소스는 NOAA 재분석 모델12의 풍속을 입력으로 사용하는 표준 Katzberg 모델11을 통해 얻을 수 있습니다. CYGNSS 측정값과 Katzberg 모델 결과(후자에 의해 정규화됨) 간의 상대적 차이로 정의되는 MSS 이상 현상은 다른 요인(예: CYGNSS 측정값의 오류 및 다른 물리적 프로세스의 영향). 그림 1에서 볼 수 있듯이 MSS 이상 현상은 전지구 수송 모델에서 계산된 해양 미세플라스틱 농도와 좋은 상관관계를 보이는 것으로 나타났습니다7.
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>