Измерение капиллярных волн лазерным волнографом

Цели. Капиллярные волны на морской поверхности играют важную роль в задачах дистанционного зондирования как в оптическом, так и в микроволновом диапазонах длин волн. Однако исследовать процессы рассеяния электромагнитного излучения на взволнованной морской поверхности можно только при надежном контроле параметров этих капиллярных волн в натурных условиях. До настоящего времени не существовало методов измерения капиллярных волн в натурных условиях. Целью настоящей работы являлось создание таких методов и их проверка в лабораторных и натурных условиях.

Методы. В лаборатории были отработаны новые лазерные методы регистрации капиллярных волн на частотах до 1ОО Гц. Предложенные методы являются дистанционными, не искажающими поверхность. Они основаны на регистрации рассеянного лазерного излучения с помощью видеокамеры.

Результаты. В лабораторных условиях получены пространственные профили, временные зависимости высот для всех точек траектории лазерной развертки, частотные спектры мощности. Показано, что уклоны в капиллярных волнах могут достигать 30°, а амплитуда капиллярных волн на частотах выше 25 Гц не превышает 0.5 мм. В натурных условиях на морской платформе апробирована новая версия сканирующего лазерного волнографа. Измерения подтвердили возможность измерения параметров морского волнения на пространственных масштабах, охватывающих 3 порядка: от единиц миллиметров до единиц метров.

Выводы. Созданный волнограф позволяет проводить прямые измерения «мгновенных» профилей морской поверхности с временной синхронизацией в 10^-4 с и пространственной точностью лучше 0.5 мм. Метод позволяет получать большие ряды (21 000) «мгновенных» профилей волнения с частотой обновления 60 Гц, что открывает возможности для исследования физики эволюции волнения, влияния параметров волнения на рассеяние электромагнитных волн. Достоинством метода является прямой характер измерения аппликат и всех характеристик волнения не только во времени, но и в пространстве. Метод полностью дистанционен, не искажает свойства поверхности, не подвержен влиянию ветра, волн и морского течения. Экспериментально в натурных условиях доказана возможность применения предложенного метода в любое время суток и в широком диапазоне погодных условий.

1. Holthuijsen L.H. Waves in oceanic and coastal waters. Cambridge University Press; 2010. 404 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511618536

2. Hashimoto N. Analysis of the directional wave spectrum from field data. In: Advances in Coastal and Ocean Engineering. Liu P.L.-F. (Ed.). Singapore: World Scientific. 1997;3:103-143. https://doi.org/10.1142/9789812797568_0004

3. Grare L., Lenain L., Melville W.K. Vertical profiles of the wave-induced airflow above ocean surface waves. J. Phys. Oceanogr. 2018;48(12):2901-2922. https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0121.1

4. Hwang P.A., Wang D.W., Walsh E.J., Krabill W.B., Swift R.N. Airborne measurements of the wave number spectra of ocean surface waves. Part I: Spectral slope and dimensionless spectral coefficient. J. Phys. Oceanogr. 2000;30(11):2753-2767. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2001)031<2753:AMOTWS>2.0.CO;2

5. Allender J., Audunson T., Barstow S.F., Bjerken S., Krogstad H.E., Steinbakke P., Vartdal L., Borgman L.E., Graham C. The WADIC project; a comprehensive field evaluation of directional wave instrumentation. Ocean Eng. 1989;16(5-6):505-536. https://doi.org/10.1016/0029-8018(89)90050-4

6. Banner M.L., Jones I.S., Trinder J. Wavenumber spectra of short gravity waves. J. Fluid Mech. 1989;198:321-344. https://doi.org/10.1017/S0022112089000157

7. Falcon E., Mordant N. Experiments in surface gravity-capillary wave turbulence. Annual Rev. Fluid Mech. 2022;54:1-25. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-021021-102043

8. Brazhnikov M.Yu., Levchenko A.A., Mezhov-Deglin L.P. Excitation and detection of nonlinear waves on a charged surface of liquid hydrogen. Instruments and Experimental Techniques. 2002;45(6):758-763. https://doi.org/10.1023/A:1021418819539

9. Захаров В.Е. Слабая турбулентность в средах с распадным спектром. Прикладная механика и техническая физика. 1965;4:35-39. URL: https://www.sibran.ru/upload/iblock/2f5/2f55daccf31e1bdff4c6c44e436b4166.pdf

10. Захаров В. Е., Филоненко Н. Н. Спектр энергии для стохастических колебаний поверхности жидкости. Докл. АН СССР. 1966;170(6):1292-1295. URL: http://www.mathnet.ru/links/ec2b951f99ebc10ab5bb4c2bf4fe5948/dan32646.pdf

11. Захаров В.Е., Филоненко H.H. Слабая турбулентность капиллярных волн. Прикладная механика и техническая физика. 1967;5:62-67. URL: https://www.sibran.ru/upload/iblock/24e/24ea0a63fb235c70765e3dd7eceadeea.pdf

12. Бадулин С.И., Захаров В.Е. Спектр Филлипса и модель диссипации ветрового волнения. Теоретическая и математическая физика. 2020;202(3):353-363. https://doi.org/10.4213/tmf9801

13. Lukaschuk S., Nazarenko S., McLelland S., Denissenko P. Gravity wave turbulence in wave tanks: Space and time statistics. Phys. Rev. Lett. 2009;103(4):044501. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.044501

14. Sterlyadkin V.V., Kulikovskii K.V., Kuzmin A.V., Sharkov E.A., Likhacheva M.V. Scanning laser wave recorder with registration of «instantaneous» sea surface profiles. J. Atmos. Oceanic Technol. 2021;38(8): 1415-1424. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-21-0036.1

15. Стерлядкин В.В. Сканирующий лазерный волнограф с регистрацией «мгновенной» формы поверхности: Пат. RU № 2749727. Заявка № RU2020134068A; заявл. 16.102020; опубл.16.06.2021.

16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит.; 1986. 736 с.