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漂浮在海面上的塑料经常卷绕在充满碎片的旋涡流中，它们通常被称为“垃圾带”。这些在海洋中传播的塑料碎片对野生生物构成了威胁，并正在缓慢进入食物链中。美国国家海洋和大气管理局的“海洋碎片清理项目”（NOAA Marine Debris Program）正在借助浮动围栏技术清除这些碎片，该技术常用于遏制石油泄漏。
7 K; U! X! D2 m. N 海洋环流：收集碎片并形成垃圾带0 C8 d% c0 D( `- b4 B
海洋环流是一个大型环流系统，它由风和地球自转引起并受陆地影响。由于科里奥利效应（Coriolis effect)，水沿着风吹的方向流动，行星自转改变水流的方向。地球上有 5 个主要的环流区，它们位于： 北大西洋南大西洋北太平洋南太平洋印度洋巨型太平洋垃圾带位于北太平洋环流区，它通过聚集碎片使塑料颗粒被截留在环流旋涡中心。该垃圾带从北美洲西海岸一直延伸到日本，聚集了大量的海洋垃圾。 , Z- W) w' @9 ]0 t6 @( Y+ F8 C$ z
位于北太平洋亚热带聚集区的巨型太平洋垃圾带地图。图片由NOAA提供，并通过Wikimedia Commons，在美国公共领域公布。垃圾带的危害6 ]- E: O& _" ~
尽管漂浮在北太平洋上的垃圾带面积很大，然而要预测它在某一天的准确位置并不总是那么容易。根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的说法，这是因为垃圾的类型和碎片聚集物周围的边界会随着洋流和风的变化而不断变化。更复杂的是，塑料在海洋中停留的时间越长，它们分解和降解成微塑料的可能性就越大。
$ w2 n+ Y. X% Y% E, X3 Q 实际上，“巨型垃圾带”的命名可能会误导人，因为塑料最集中的区域通常由微粒组成，这些微粒太小以至于无法在航空照片中看到。此外，在海面以下发现的小颗粒（尺寸可能小于 1mm）要比海面以上多，而且有许多颗粒正沉入海底。船只通常可以沿着海面恰好穿过一片小片垃圾带航行，但船员们从来没有意识到海面下才是真正的碎片冰山。 " s k5 Z- t H2 \& d: ^$ h, u
出现在太平洋巨型垃圾带中的微塑料。图片来自NOAA Marine Debris Program，在CC BY 2.0下获得许可，通过Flickr Creative Commons公布。尽管我们可能无法动态监测到塑料，但被困在漩涡流内部和之间的颗粒确实会对海洋生物产生危害，并对环境造成伤害。例如，当夜晚转至黎明时，生活在涡流中层带的各种各样的鱼类，会在海洋表面和更深的水域之间迁移。科学家发现，当他们收集这一层的鱼时，发现许多鱼吃进了塑料。根据他们的估计，旋涡流中的鱼每年消耗 12,000~24,000 吨塑料，这充分表明塑料已经进入食物链。 $ ?! K C/ z" Y! g
蓬勃发展的技术使海洋清理工作更加轻松
/ X% Z6 j7 ]( l8 h0 C; [ 尽管潜水员们通过人工方式在清除塑料、渔网和其他杂物方面取得了长足的进步，但工程师们正在寻求开发出可大规模处理大量垃圾的清理技术。一种灵感来源是围栏设计。围（或浮动）栏是一种通常用于收集浮油的栅栏。在有大量垃圾和杂物的情况下，可以用网或裙板收集水面上方和下方的垃圾碎片。 4 E8 p% q( Z- ^1 W
NOAA 的潜水员在夏威夷西北各岛清除垃圾碎片。图片来自 NOAA Marine Debris Program，并通过Flickr Creative Commons在公共领域公布。一个名为“海洋清理计划”（The Ocean Cleanup）的非营利性组织正在设计和部署一个围栏，以容纳形成太平洋垃圾带（它的面积是德克萨斯州的两倍！）的约 1.8 万亿片塑料和碎片。该浮动系统的围栏臂长近 2000 英尺（约 61 米）。
w8 R5 O( o, f1 ]8 x 为了开展如此大规模的研究，研究人员进行了几次探险，以从海洋中回收塑料、测量海洋中塑料的垂直分布，以及测量样品和颗粒的尺寸。为了进行这些工作，海洋清洁公司设计了一个拖网，这个拖网可以拖到船只旁边并能测量微塑料的浓度。之后，他们进行了一项后续研究，发现传统的测量方法通常低估微塑料容量达 97％。原因是大多数采样设备没有考虑到海洋混合过程，而这些过程会使很多塑料沉入大多数设备的下方。 % Y( F3 n* l, A s, j4 a
在分析塑料颗粒样本并绘制了太平洋垃圾带的浓度和面积图之后，工程师使用仿真技术创建了围栏的等比例模型，并施加了各种类型的波浪和载荷条件。它们还建造了一个小型原型机，以便在北海的开阔水域进行测试。该测试帮助工程师优化了围栏臂设计所使用的材料。另外，他们还决定将设计从停泊系统更改为自由浮动系统。 - Q/ R0 f( @: W
围栏拖曳浮动围栏的示例。图片来自美国海军，通过Wikimedia Commons在美国公共领域公布。2018 年 9 月，巨大的浮动围栏系统被从旧金山湾拖离海岸 300 英里。当工程师从监视系统了解了其在海洋中的航行情况后，同意将该系统再拖到靠近巨型太平洋垃圾带 1000 英里处，浮动围栏系统于 2018 年 10 月到达目的地。理想情况下，如果系统能够充分收集碎屑，则船舶可以每隔几个月来一次，以将垃圾从围栏系统中取出并运回陆地进行回收。 " `! y f1 q. ? d
尽管人们对该项目可能会影响海洋生物以及浮动围栏清除水面以下塑料的能力表示担忧，但此类设计为解决垃圾碎片被困在海洋漩涡流中的问题提供了可能的解决方案。
E9 N" F$ ~- Z* W 建议阅读阅读有关从废水中去除微塑料的博客文章：了解有关使用 KdV 方程建模水波的信息：* V& t5 B; l% W# m7 M; a
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经授权转载自 COMSOL 博客，作者 Thomas Forrister - \4 V5 K F0 ~- d( \
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