Измерение капиллярных колебаний морской поверхности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Капиллярные волны на морской поверхности оказывают существенное влияние на рассеяние как оптического, так и микроволнового излучения. Хотя амплитуда капиллярных волн составляет доли миллиметра, уклоны, сформированные на капиллярных волнах, нередко превышают 30°, что приводит к сильному изменению эффективного коэффициента отражения, поглощения, сечения обратного рассеяния. Капиллярные волны подробно изучаются в бассейнах, однако в натурных морских условиях их измерять не удавалось. В настоящей работе предложен дистанционный метод измерения уклонов, амплитуды, направления волнового вектора, структуры капиллярных волн в натурных условиях. Метод основан на регистрации видеокамерой искажения лазерных лучей, падающих сверху вниз на морскую поверхность. Авторам удалось решить обратную задачу вычисления всех параметров капиллярной волны по форме капиллярной гребенки на видеокадрах. Чувствительность метода по измерению амплитуды волн составляет 30 мкм при расстоянии до поверхности свыше 4 м.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Стерлядкин

МИРЭА – Российский технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sterlyadkin@mail.ru
Россия, Москва

К. В. Куликовский

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: sterlyadkin@mail.ru
Россия, Москва

А. А. Задерновский

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: sterlyadkin@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Басс Ф.Г., Брауде С.Я., Калмыков А.И. и др. Методы радиолокационных исследований морского волнения (радиоокеанография) // Успехи физических наук. 1975. Т. 116. С. 741–743. https://doi.org/10.3367/UFNr.0116.197508j.0741
  2. Ермаков С.А., Рувинский К.Д., Салашин С.Г., Фрейдман Г.И. Экспериментальное исследование генерации капиллярно-гравитационной ряби сильнонелинейными волнами на поверхности глубокой жидкости // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986. Т. 22. № 10. С. 1072–1080.
  3. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Щегольков Ю.Б. Лабораторные исследования кривизны гравитационно-капиллярных волн конечной амплитуды // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1997. Т. 33. № 3. С. 394–401.
  4. Садовский И.Н., Сазонов Д.С. Экспериментальные исследования эффективной излучательной способности взволнованной морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 6. С. 234–246. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2023-20-6-234-246
  5. Стерлядкин В.В. Сканирующий лазерный волнограф с регистрацией “мгновенной” формы поверхности. Патент РФ № 2749727. 16.10.2020.
  6. Стерлядкин В.В., Куликовский К.В. Измерение капиллярных волн лазерным волнографом // Российский технолог. журн. 2022. Т. 10. № 5. C. 100–110. https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/571/415
  7. Стерлядкин В.В., Сазонов Д.С., Кузьмин А.В., Шарков Е.А. Наземные радиометрические измерения эффективной излучательной способности морской поверхности без абсолютной калибровки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 2. С. 29–41. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2018-15-2-29-41
  8. Donelan M.A., Pierson W.J. Jr. Radar scattering and equilibrium ranges in wind-generated waves with application to scatterometry // J. Geophysical Research. 1987. V. 92. Iss. C5. P. 4971–5029. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p04971
  9. Ebuchi N., Kawamura H., Toba Y. Fine structure of laboratory wind-wave surfaces studied using an optical method // Boundary-Layer Meteorology. 1987. V. 39. P. 133–151.
  10. Ermakov S.A., Makarov E.V., Sergievskaya I.A. Radar scattering on gravity-capillary waves: Laboratory investigation // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2007. V. 43. P. 243–249. https://doi.org/10.1134/S0001433807020119
  11. Ermakov S.A., Sergievskaya I.A., Dobrokhotov V.A., Lazareva T.N. Wave tank study of steep gravity-capillary waves and their role in Ka-band radar backscatter // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2022. V. 60. P. 1–12. Article 4202812. https://doi.org/10.1109/TGRS.2021.3086627
  12. Fedorov A.V., Melville W. Rozenberg K.A. An experimental and numerical study of parasitic capillary waves // Physics of Fluids. 1998. V. 10. P. 1315–1323. https://doi.org/10.1063/1.869657
  13. Perlin M., Lin H., Ting C.-L. On parasitic capillary waves generated by steep gravity waves: Аn experimental investigation with spatial and temporal measurements // J. Fluid Mechanics. 1993. V. 2. P. 417–445. https://doi.org/10.1017/S0022112093002605
  14. Sterlyadkin V.V. Some aspects of the scattering of light and microwaves on non-spherical raindrops // Atmosphere. 2020. V. 11. Iss. 5. Article 531. https://doi.org/10.3390/atmos11050531
  15. Sterlyadkin V.V. The problem of reconstructing the profile of the sea surface from the video image of laser beams // Oceanology. 2024. V. 64. № 3. P. 342–352.
  16. Sterlyadkin V.V., Kuzmin A.V., Sharkov E.A., Likhacheva M.V. Scanning laser wave recorder with registration of “Instantaneous” sea surface profiles // Atmospheric and Oceanic Technology. 2021. V. 38. № 8. P. 1415–1424. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-21–0036.1
  17. Yurovsky Y.Y., Kudryavtsev V.N., Grodsky S.A., Chapron B. Ka-band dual copolarized empirical model for the sea surface radar cross section // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. № 3. P. 1629–1647. https://doi.org/10.1109/TGRS.2016.2628640

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема измерений лазерным волнографом (а): 1 – сканатор освещает отдельные точки морской поверхности и разворачивает лазерный луч на ортогональных участках в центре; 2 – видеокамера регистрирует рассеянное изображение; б – отдельный видеокадр. Верхний край изображения соответствует границе раздела “вода – воздух”.

Скачать (317KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Искажение лазерных лучей капиллярными волнами: a – ночные измерения. Отрезки имеют масштаб 50 мм. Почти вертикальная ось X задает неискаженную линию лазерного луча, капиллярная волна формирует короткопериодные отклонения от плавной линии ab, которая обусловлена гравитационной волной; б – дневные измерения капиллярных волн.

Скачать (535KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изображение прямой белой нити, прошедшее через капиллярную волну на поверхности, зависит от угла между волновым вектором k и осью видеокамеры X: а – θ = 20°; б – θ = 40°; в – θ = 55°. Внизу видно изображение светлой нижней грани аквариума.

Скачать (276KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Ход лучей через взволнованную морскую поверхность: а – вид сбоку, проекции лучей на плоскость xz; б – вид сверху, разрез xy. Вектор n1, перпендикулярен плоскости падения, проходящей через три точки А, В, С; единичный вектор n2 – нормаль к морской поверхности в точке А.

Скачать (183KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость уклонов ξy от отклонения y луча от невозмущенной линии при координате x, указанной в легенде. Угол θ между волновым вектором k и осью X составляет 45°.

Скачать (127KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схема измерения максимальных уклонов по отклонению луча на дне аквариума (а); видеокадр измерений, на дне расположена линейка и черная ткань (б).

Скачать (74KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Оцифрованный видеокадр (оси координат X, Y – в пикселях, px), показанный на рис. 2а, на котором учтена калибровка изображения. Волновой вектор k капиллярной волны повернут относительно оси X на угол θ = –140°.

Скачать (835KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость уклона ξy нормали к поверхности от смещения луча по оси y при координате x = 170 мм и различной ориентации волнового вектора относительно оси X. Пунктиром показано, что одинаковые по величине, но противоположные по знаку уклоны поверхности приводят к различному смещению по оси y, т.е. к асимметрии капиллярной решетки.

Скачать (147KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость максимального уклона капиллярной волны ξmax от суммарной амплитуды капиллярной гребенки при координате x = 170 мм. Угол θ отклонения волнового вектора от оси X представлен в легенде. Пунктир соответствует рассмотренному примеру.

Скачать (200KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025