Этап 2018–2019

Сведения о достигнутых конкретных научных результатах в отчётном периоде

– Создана база данных радиолокационных наблюдений динамики сликов на морской поверхности. В результате предварительного анализа базы данных показано, что движение слика определяется совокупностью влияния течения и ветроволнового дрейфа, составляющего в условиях ограниченных разгонов 2,5–3% от величины скорости приводного ветра. Полученный результат находится в согласии с имеющимися представлениями, используемыми для анализа спутниковой информации, однако, несколько меньший вклад ветроволнового дрейфа в скорость движения слика по сравнению с рекомендуемыми для расчетов значениями, может существенно сказаться при прогнозировании распространения загрязнений, что особенно важно в условиях прибрежной зоны, где вынос загрязнения на берег представляет основную опасность. С использованием полученных результатов продемонстрирована возможность оценки скорости приповерхностных течений на основе наблюдений движения сликов панорамными радиолокаторами.

– На основе результатов обработки последовательных радиолокационных спутниковых изображений сликовых структур с использованием кросс-корреляционного анализа изображений восстановлены поля скоростей поверхностных течений. Установлено, что полученные поля скорости течений для части сликов совпадают с геометрией сликовых полос и последние действительно маркируют линии тока течения. Для таких сликов получено, что скорости течений, наряду с продольной по отношению к сликовой полосе компонентой, имеют и поперечные составляющие, направленные в область слика, то есть течения носят конвергентный характер. В то же время, в восстановленном поле скоростей наблюдаются области, в которых направления векторов течений не соответствуют ориентации сликовых полос, что предположительно связано с нестационарным характером этих течений. Нестационарность может быть связана как с собственной динамикой вихревых структур, с которыми ассоциируются слики спиральной формы, так и с конвективным переносом вихрей неоднородностями поля течений больших масштабов. Оценки радиолокационных контрастов сликов в рамках модели локального баланса для спектра мелкомасштабных ветровых волн и брэгговской модели микроволнового рассеяния дали удовлетворительное согласие с контрастами в радиолокационных изображениях (значения контрастов порядка 5) в предположении, что упругость биогенных плёнок имеет величины около 15 мН/м, последнее значение вполне характерно для биогенных морских плёнок.

– На основании измерений перераспределения поверхностной концентрации плёнки в поле конвергентных течений, создаваемых внутренними волнами (ВВ), и ветрового дрейфа, показано, что при скорости ветрового дрейфа меньше фазовой скорости ВВ плёнка собирается во впадине ВВ, а при скорости течения сравнимой с фазовой скоростью ВВ (резонансный случай) максимальные значения поверхностной концентрации плёнки достигаются на заднем склоне ВВ. Данные результаты хорошо согласуются с выводами теории, основанной на анализе уравнения баланса плёнки в поле переменных течений.

– На основе анализа изменчивости радиолокационного сигнала, отраженного от поверхности в разных фазах ВВ, показано, что модуль модуляционно-передаточной функции (МПФ) монотонно возрастает с увеличением средней концентрации плёнки на поверхности в интервале от 0 до 0.8 мг/кв.м, фаза МПФ увеличивается на величину около π радиан (180 град). Данный вывод справедлив в случае, когда ветровой дрейф близок к фазовой скорости ВВ.

– Проведено сравнение измеренных значений МПФ с теоретическими расчётами в первом приближении теории возмущений. Показано, что при малых концентрациях плёнки зависимость МПФ может быть объяснена модуляцией свободных волн, в то время как при больших концентрациях наблюдается сильное расхождение теории и эксперимента, как для модуля, так и для фазы МПФ. Дано количественное объяснение поведения МПФ при больших поверхностных концентрациях плёнки в предположении, что значительный вклад в спектр волнения на брэгговской длине волны вносит паразитная капиллярная рябь (ПКР). Показано, что при больших концентрациях, когда модуляция свободных волн становится малой, а вклад ПКР – большим, измеренные величины модуляции находятся в хорошем согласии с расчётными значениями для ПКР. Это подтверждает эффективность действия каскадного механизма модуляции мелкомасштабных волн, при котором сильная модуляция ПКР определяется сильно-нелинейной зависимостью интенсивности ряби от интенсивности коротких гравитационных волн, слабые вариации которых определяются как плёночным, так и гидродинамическим механизмами.

– Анализ проведённых ранее натурных наблюдений ВВ показал схожесть условий натурных наблюдений и лабораторного моделирования и продемонстрировал, что максимальное проявление внутренних волн на поверхности (наиболее сильное гашение по данным X- и Ка- скаттерометров) наблюдалось не над максимальным колебанием термоклина, а области большой концентрации плёнки при меньшем размахе колебаний термоклина. Проведённый лабораторный эксперимент позволил смоделировать и объяснить данный эффект.

– Выполнено лабораторное исследование компрессии плёнок ПАВ средними течениями, индуцируемыми регулярными гравитационно-капиллярными волнами (ГКВ) при их встречном распространении. По данным наблюдений движения маркеров поверхностных течений установлено, что при одинаковых амплитудах встречных волн имеет место симметричное с обеих сторон сжатие плёнки и её локализация в ограниченной области на поверхности воды. При этом центральную часть плёнки можно охарактеризовать как область «плотной» плёнки, где волны практически отсутствуют из-за их затухания и где, соответственно, отсутствуют и поверхностные индуцированные течения. За пределами центральной части практически неподвижной плёнки волны не успевают существенно затухнуть и здесь формируется область более разреженной плёнки, в которой наблюдаются сложные вихревые поверхностные течения со скоростями, увеличивающимися по мере удаления от области плотной плёнки. Вблизи волнопродукторов из-за сноса плёнки индуцированным волновым дрейфом формируется область практически чистой воды. Коэффициент поверхностного натяжения (КПН) в плёнке уменьшается по мере приближения к её средней части, градиент КПН представляет собой силу, уравновешивающую силу поверхностного натяжения и препятствующую растеканию плёнки. Полученный в эксперименте эффект образования квазистационарной локализованной плёнки моделирует формирование сликовых полос в поле поверхностных волн в натурных условиях.

– Разработаны и изготовлены плавучие маркеры приповерхностных течений, представляющие собой совмещение классического поплавкового маркера (с подводным парусом) и уголкового отражателя РЛ сигнала, выполнены предварительные испытания плавучих маркеров. Изготовлено несколько вариантов конструкции маркеров, которые применяются в ходе натурных экспериментов. Разработан и изготовлен новый датчик струнного волнографа для проведения измерений поверхностного волнения (пространственно-частотных спектров) в ходе натурных экспериментов. Новый датчик обладает слабой зависимостью сопротивления струн от температуры и более высокой чувствительностью по сравнению с имеющимися в распоряжении коллектива датчиками. Разработано и протестировано программное обеспечение для обработки данных измерений, отработаны методики проведения измерений.

– Развит и апробирован в ходе натурного эксперимента новый подход к исследованию морских течений. В ходе натурного эксперимента исследована динамика искусственной сликовой полосы и получены эмпирические соотношения между её геометрическими характеристиками и скоростью движения поверхности. Показано, что направление распространения полосы определяется структурой течения и вкладом ветровой компоненты. Наибольшая корреляция достигается между направлением распространения полосы и направлением суммы векторов течения в верхнем слое и 3% от скорости ветра, что находится в хорошем согласии с имеющимися представлениями о движении плёночных сликов на морской поверхности в поле течения и ветра. Получены зависимости ширины сликовой полосы от величины скорости поверхности, показано, что полученные данные хорошо описываются обратно пропорциональной зависимостью при постоянном расходе из источника ПАВ. Показано, что произведение скорости поверхности на ширину полосы, соответствующее поверхностной концентрации ПАВ, можно считать постоянной вдоль полосы в широком диапазоне скоростей поверхности при превышении скоростью поверхности скорости растекания. Показана возможность получения информации о пространственной структуре скоростей поверхности вдоль сликовой полосы на основе данных о её форме и по гидрометеорологическим измерениям в любой точке полосовой структуры.

– На основании результатов первого натурного эксперимента определены условия применимости предложенного экспериментального подхода с целью оценки поверхностных скоростей применительно к изображениям морской поверхности, содержащим искусственные сликовые структуры: а) отсутствие процессов растекания ПАВ в полосе, что будет верно на некотором расстоянии от источника ПАВ, которое может быть заранее определено; б) знание (измерение) скорости поверхности в одной точке полосы; в) скорости приводного ветра лежат в диапазоне 2–10 м/с и отсутствуют резкие кардинальные изменения направления ветра во время проведения эксперимента; г) значение скорости поверхности превышает скорость растекания ПАВ.