Effetti di microplastiche e tensioattivi sulla rugosità superficiale delle onde dell'acqua

Jul 04, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1978 (2023) Citare questo articolo

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Studiamo la fisica del flusso alla base della capacità di telerilevamento recentemente sviluppata di rilevare microplastiche oceaniche, che si basa sulla riduzione misurabile della rugosità superficiale indotta dalla presenza di microplastiche sulla superficie dell'oceano. In particolare, siamo interessati a sapere se questa riduzione della rugosità è causata dalle microplastiche come particelle galleggianti, o da tensioattivi che seguono percorsi di trasporto simili alle microplastiche. A questo scopo, testiamo sperimentalmente gli effetti di particelle galleggianti e tensioattivi sulla rugosità superficiale, quantificata dalla pendenza quadratica media (MSS), con onde generate da un generatore di onde meccaniche o dal vento. Per le microplastiche, scopriamo che il loro effetto sugli MSS dipende in modo critico dalla frazione di superficie di copertura. Lo smorzamento da parte delle particelle si osserva solo per frazioni superiori a O (5–10%), molto più elevate rispetto alle condizioni realistiche dell'oceano. Per i tensioattivi vengono quantificati i loro effetti di smorzamento sia sulle onde generate meccanicamente che sulle onde del vento, che si dimostrano molto più significativi di quelli delle microplastiche. Vengono inoltre identificati diversi nuovi meccanismi/relazioni per lo smorzamento della rugosità da parte dei tensioattivi. Vengono discusse le implicazioni di questi risultati sperimentali per il telerilevamento.

L’inquinamento da plastica negli oceani è un problema urgente e globale. Si stima che ogni anno circa otto milioni di tonnellate di rifiuti di plastica finiscano nell’oceano e la maggior parte di essi viene trasformata in microplastiche dal sole e dalle onde. Le informazioni sulla distribuzione e sul volume delle microplastiche sono fondamentali per affrontare la rimozione dell’inquinamento plastico dall’ambiente oceanico. Recentemente lo sviluppo di sistemi di osservazione globale per le microplastiche è stato oggetto di discussioni attive tra le comunità interdisciplinari1,2,3. In questa direzione, è stato suggerito4,5 che le tecniche di telerilevamento possano essere applicate per tracciare le concentrazioni di microplastiche nell’oceano, attraverso la soppressione della rugosità superficiale rilevabile con la presenza di microplastiche. Questa idea di telerilevamento è stata implementata per la prima volta per l'oceano globale nel 6,7 con risultati positivi identificati. Il principio di questa implementazione è quello di dedurre la concentrazione di microplastiche attraverso l'anomalia della rugosità della superficie oceanica (ovvero, rugosità inferiore al previsto) indotta dalle microplastiche, che può essere spiegata dalla differenza tra la misurazione in tempo reale da un radar spaziale e un modello standard di rugosità superficiale.

La nuova tecnica è stata applicata ai dati del CYGNSS (Cyclone Global Navigation Satellite System) della NASA8,9. Nello specifico, CYGNSS misura attraverso il segnale GPS L1 la sezione trasversale radar bistatica normalizzata (NBRCS), il cui inverso fornisce la pendenza quadratica media (MSS) della superficie oceanica, definita come

dove k è il numero d'onda, S(k) è lo spettro omnidirezionale e \(k_c\) è il numero d'onda di taglio che dipende dall'angolo incidente e dalla frequenza dell'onda portante nel telerilevamento. Per CYGNSS, \(k_c\) assume un valore medio di 7,5 rad m\(^{-1}\)10. Come definito da (1), \(\text {MSS}\rightarrow \overline{\nabla \eta \cdot \nabla \eta }\) (varianza del gradiente di elevazione della superficie) per \(k_c\rightarrow \infty\), altrimenti MSS quantifica la rugosità superficiale fino ad una scala finita \(k_c\). Oltre alle misurazioni CYGNSS, un'altra fonte di MSS può essere ottenuta dal modello standard di Katzberg11 che prende come input le velocità del vento da un modello di rianalisi NOAA12. Si prevede che l'anomalia MSS, definita come la differenza relativa tra le misurazioni CYGNSS e i risultati del modello di Katzberg (normalizzati da quest'ultimo), tenga conto dell'effetto delle microplastiche sulla rugosità superficiale, tra altri fattori (come l'errore delle misurazioni CYGNSS e la influenza di altri processi fisici). Si è scoperto7 che l’anomalia MSS mostra una correlazione favorevole con la concentrazione di microplastiche oceaniche calcolata da un modello di trasporto globale, come mostrato in Fig. 1.