Этап 2021–2022 (продление)

1. В ходе серии натурных экспериментов, проведённых на Чёрном море, получены новые данные наблюдений трансформации сликов различной природы в поле приповерхностных течений в широком диапазоне метеорологических условий. Собран обширный экспериментальный материал по наблюдениям трансформации естественных сликовых структур при слабых и умеренных скоростях ветра, а также данные по радиолокационному зондированию сликовых структур и поверхностного волнения. Впервые выполнен натурный эксперимент по двухпозиционному зондированию в СВЧ диапазоне по определения вектора поверхностного морского течения на заданном участке акватории. В результате обработки данных подтверждено существование эффекта памяти искусственной сликовой полосы, связанного с кратковременным воздействием на неё локальной неоднородности поверхностного течения или порыва ветра. Показано, что данный эффект может сохраняться в течение продолжительного времени. С использованием плавучих маркеров течения с уголковыми отражателями определено различие в скоростях движения сликов и тонкого приповерхностного слоя. Проанализирована возможность определения скорости течения в приповерхностном слое воды по данным доплеровского радиолокатора X-/C-/S-диапазонов, работающего на двух взаимно перпендикулярных поляризациях. Показано, что скорость течения можно оценить в каждом диапазоне с достаточной точностью по среднему доплеровскому сдвигу поляризационной разницы (БР компоненты), определяемой как разность интенсивностей рассеяния на VV и HH поляризациях. Скорость течения равна скорости, соответствующей измеренному доплеровскому сдвигу БР компоненты, минус собственная скорость брэгговских рассеивателей, которая равна скорости свободных брэгговских волн. В присутствии длинных волн на поверхности моря средний доплеровский сдвиг определяется при усреднении «мгновенных» доплеровских сдвигов, рассчитываемых на масштабах много меньше периода и длины длинных волн. Собственная скорость небрэгговских рассеивателей, определяемая как разность скорости измеренной по доплеровскому сдвигу небрэгговской компоненты и скорости приповерхностного течения, значительно превышает скорость брэгговских волн и резко увеличивается при появлении на поверхности сильных обрушений. Это связано с тем, что небрэгговское рассеяние при малых скоростях ветра определяется рассеянием на коротких дм волнах (скорость которых больше скорости брэгговских волн), а при больших скоростях ветра значительный вклад дают также сильные обрушения, скорость которых соответствует скоростям метровых волн. Таким образом, определение скорости течения в приповерхностном слое по доплеровским сдвигам небрэгговской компоненты затруднительно, поскольку пока недостаточно точно исследованы границы спектра дм-м-волн, которые определяют скорость небрэгговских рассеивателей.
Часть результатов данного раздела опубликована в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (статья принята в печать).

2. Проведён поиск и анализ спутниковых радиолокационных и оптических изображений спиральных структур биогенного происхождения на поверхности моря. Особое внимание было уделено поиску последовательных оптических мультиспектральных изображений с наличием таких структур для последующего изучения механизмов их формирования и динамики. По смещению биогенных полос между последовательными кадрами восстанавливались поля поверхностных течений с помощью техники максимальной кросс-корреляции. Для более точного определения скоростей была использована 3-точечная гауссова субпиксельная оценка и учтены ошибки определения скоростей.
Результаты данного раздела дополнили созданную ранее базу данных радиолокационных наблюдений кинематики сликов на морской поверхности и были использованы при подготовке статьи Shomina, O.; Danilicheva, O.; Tarasova, T.; and Kapustin, I. Manifestation of Spiral Structures under the Action of Upper Ocean Currents // Remote Sens. 2022, 14, 1871. DOI: 10.3390/rs14081871 (Q1).

3. Аналитически для общего случая показано, что присутствие поверхностного дрейфа, меньшего максимума скорости осесимметричного вихря, приводит к образованию двух критических точек линий тока. Первая, являющаяся узлом или фокусом и расположенная внутри ядра вихря, является устойчивой, если дивергенция двумерного поля скорости в этой критической точке отрицательна, и неустойчивой – если положительна. Вторая особая точка, локализованная вне ядра вихря, является седлом. Используя метод MCC (Maximum Cross-Correlation) на последовательных мультиспектральных изображениях спиральной структуры в Балтийском море было показано, что поле течений верхнего слоя демонстрирует пару предсказанных аналитически особых точек. Положение наблюдаемых особых точек – как устойчивого фокуса, так и седла – существенно варьируется в пространстве для синего, зелёного, красного и ближнего инфракрасного каналов, разница положений в реальных морских условиях может достигать порядка 1–2 км.
Результаты данного раздела опубликованы в статье Shomina, O.; Danilicheva, O.; Tarasova, T.; and Kapustin, I. Manifestation of Spiral Structures under the Action of Upper Ocean Currents // Remote Sens. 2022, 14, 1871. DOI: 10.3390/rs14081871 (Q1). Совокупность результатов теоретического описания и численного моделирования докладывалась на конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», доклад был удостоен второй премии конкурса молодых учёных. На основе результатов, описанных в данном разделе, защищена диссертация О. В. Шоминой «Исследование механизмов изменчивости коротких ветровых волн и геометрии сликовых структур в приложении к проблеме радиолокационного зондирования морской поверхности» (дата защиты 28.02.2022, специальность 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы).

4. В ходе двух серий лабораторных экспериментов получены новые данные о структуре течений в области плёнки, поджатой поверхностными волнами. В толще воды измерены характеристики и структура циркуляционных течений, формирующихся при распространении волн на чистой поверхности воды и проникающих в область разреженной плёнки. Циркуляционные течения в толще воды приводят к поперечной компрессии плёнки. По мере распространения в область под слоем разреженной плёнки циркуляционные течения вырождаются на продольных масштабах порядка области «разреженной» плёнки. При этом на поверхности формируются горизонтальные циркуляционные движения (поверхностные вихри), характеристики которых связаны с амплитудой поверхностных волн и практически не зависят от концентрации плёнки. Как показали измерения, средние скорости движения жидкости в циркуляционных течениях в толще воды и в поверхностных вихрях различаются почти на порядок; движения в толще воды более медленные (обычно их скорости не превышали 1 см/с). Результаты лабораторного эксперимента качественно моделируют процесс образования гребенчатых структур с наветренной границы слика в натурных условиях из-за возникновения циркуляционных течений. Показано, что такое качественное лабораторное моделирование корректно до момента образования поверхностных вихрей, которые уже в значительной степени определяются геометриейлабораторного эксперимента.
Результаты данного раздела частично опубликованы в журнале «Фундаментальная и прикладная гидрофизика» (статья принята в печать).

5. Развита модифицированная модель растекания плёночных пятен на поверхности воды с учётом действия дополнительных, индуцированных ветровыми волнами в области плёнки, напряжений и учётом инкремента роста ветровых волн. Эта модель удовлетворительно описывает поведение продольной оси сликов, однако поведение поперечной оси удовлетворительно описывается лишь на начальных этапах растекания, что может быть связано с недостаточной изученностью угловой зависимости инкремента роста ветровых волн, особенно в направлениях, близких к поперечному относительно направления ветра. Результаты данного раздела частично опубликованы в журнале «Фундаментальная и прикладная гидрофизика» (статья принята в печать).