Исследование мелкомасштабного ветрового волнения и его влияния на статистические характеристики световых полей

Сергиевская, Ирина Андреевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование мелкомасштабного ветрового волнения и его влияния на статистические характеристики световых полей
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование мелкомасштабного ветрового волнения и его влияния на статистические характеристики световых полей"

На провахрукописи

СЕРГИЕВСКАЯ Ирина Андреевна

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОМАСШТАБНОГО

ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2004

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук С. А. Ермаков кандидат физико-математических наук В.Л. Вебер

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю.И. Троицкая доктор физико-математических наук В.Н. Кудрявцев

Ведущая организация: Институт океанологии РАН, г. Москва

Защита состоится

2005 г. в

часов на заседании дис-

сертационного совета Д 002. 069.01 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан . го декабря 2004 г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Интенсивное освоение океана в последние годы привело к необходимости создания новых подводных систем наблюдения, которые могут использоваться при поиске полезных ископаемых, строительстве подводных сооружений и т.д. При работе таких систем флуктуации естественных световых полей, обусловленные случайным характером колебаний поверхности моря, являются помехами, учет которых необходим для правильной интерпретации принимаемых сигналов. Другой важный аспект исследований естественных световых полей и их изменчивости связан с анализом процессов фотосинтеза и теплообмена в водной среде. Учет влияния ветрового волнения на выходящее из-под поверхности моря рассеянное толщей воды излучение необходим при интерпретации оптических аэрокосмических изображений поверхности, а также при исследованиях физических процессов в океане через взволнованную границу.

Исследования влияния ветрового волнения на характеристики световых полей необходимы не только для расчета этих полей, но и для решения задач исследования самого волнения, в частности, его мелкомасштабной части. Особый интерес к этому диапазону связан с высокой чувствительностью коротких волн к различным возмущениям, таким как пленки на морской поверхности, ветровые пульсации, течения, внутренние волны, и, как следствие, с возможностью использования этого диапазона при дистанционной диагностике состояния поверхности и подповерхностного слоя. Построение моделей изменчивости мелкомасштабного ветрового волнения (длины волн от единиц дециметров до миллиметров) требует знания особенностей формирования его спектра. При этом для изучении механизмов генерации и распространения коротких ветровых волн успешно применяются оптические методы измерения волнения.

Одним из важных направлений в решении проблемы дистанционной диагностики является определение характеристик длинных волн на поверхности океана по вариациям радиолокационного и оптического сигнала в поле длинных волн. Другим направлением, связанным с изучением загрязнения моря промышленными отходами и нефтью и ставшим особенно актуальным в последние годы, является обнаружение пленок на морской поверхности. По степени гашения волнения в разных диапазонах его спектра можно судить о присутствии пленок на морской поверхности и их характеристиках. Методы обнаружения пленок органических веществ могут быть также применены для поиска районов повышенной биологической продуктивности, что может быть важно для развития рыболовства и в работе природоохранных служб.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ з мимтш

Цели исследования.

- Изучение влияния ветрового волнения, в частности его мелкомасштабной части, на световые поля вблизи водной поверхности.

- Разработка методик измерений мелкомасштабной части ветрового волнения.

- Лабораторные и натурные исследования мелкомасштабного ветрового волнения и его изменчивости в поле длинных волн, в т.ч. при наличии пленок поверхностно-активных веществ, с использованием оптических и радиолокационных методов.

- Исследование возможностей диагностики пленок поверхностно-активных веществ на морской поверхности по характеристикам отраженного от поверхности светового поля.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- проанализировано влияние поверхностного волнения на флуктуации яркости и освещенности вблизи взволнованной поверхности с учетом многократного рассеяния света в воде, определены условия, при которых поверхностное волнение значительно увеличивает яркость солнечного света, рассеянного толщей моря;

- предложен и апробирован лабораторный метод измерения величины и знака кривизны взволнованной поверхности;

- экспериментально получено, что коэффициент модуляции интенсивности радиолокационного сигнала, обусловленной длинными поверхностными волнами, возрастает в присутствии пленок поверхностно-активных веществ;

- экспериментально установлено, что доплеровский сдвиг радиолокационного сигнала меняется в присутствии пленок поверхностно-активных веществ, величина эффекта при этом зависит от характера модуляции интенсивности радиолокационного сигнала, времени анализа и геометрии наблюдений;

- исследованы возможности диагностики пленок по изменению яркости взволнованной поверхности.

н. V 1

I ! 4

■ Ж 0О '

Публикации

Основные результаты диссертации отражены в 26 публикациях (из них: 9 статей в рецензируемых журналах [1-9], 15 статей в сборниках и трудах конференций [10-24], 1 препринт [25], 1 тезис доклада [26]).

Практическая ценность

Полученные автором результаты могут быть использованы при разработке оптических систем видения и методов дистанционного зондирования поверхности, например:

-для оценки помех оптических систем видения;

-для разработки методов дистанционной диагностики и обнаружения пленок поверхностно-активных веществ на морской поверхности;

-для измерения характеристик длинных волн по модуляционной передаточной функции.

Развитые в диссертации методы использовались в работах по проектам Российского фонда фундаментальных исследований (93-05-8126, 96-0565087, 96-05-64637, 96-О5-79080к, 99-05-64797, 99-05-64798, 02-05-65102, 02-05-64975, ОЗ-О5-79О53к, 04-05-79015к, 04-05-64763), INTAS 96-1665, CRDF- Grant Assistant Program RGO-655, МНТЦ Р1774, ФЦНТП Миннауки РФ (Госконтракт N 40.020.1.1.1171), ФЦП Миннауки РФ "Мировой океан" (Госконтракт N 43.634.11.0014), программы ОФН РАН "Проблемы радиофизики".

Апробация работы и публикации

Материалы диссертации были представлены на Международных конференциях International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) -98, IGARSS'99, IGARSS'OO, IGARSS'01, I GARS S 2002, Synergy of MERIS/ASARfor observing marine film slicks and small scale processes, Италия, 2003, International Symposium Topical problems of nonlinear wave physics (NWP'03), International Conference Current Problems of natural waters, C-Петербург, 2003, EGS, Ницца, 2004, US-Baltic International Sympo-sium,Клайпеда 2004.

Личный вклад автора

ной яркости и влияния паразитной ряби на измеряемый спектр капиллярных волн и яркость поверхности. В работах, посвященных исследованию флук-туаций подводной освещенности и яркости светового поля, рассеянного толщей воды, автор участвовал в развитии теории и выполнял численные расчеты. Автор принимал участие в разработке нового метода измерения кривизны поверхности, в проведении и анализе всех лабораторных и натурных экспериментов, а также обеспечивал компьютерную обработку полученных результатов.

Структура и объем работы

Диссертации состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем - 129 страниц. Список литературы включает 123 наименования.

Краткое содержание работы

Первая глава посвящена исследованию влияния ветрового волнения на световые поля вблизи морской поверхности. Во введении (раздел 1.1) дан краткий обзор состояния проблемы определения световых полей вблизи поверхности моря.

В разделе 12 рассмотрено влияние поверхностного волнения на флуктуации подводной освещенности при квазивертикальном освещении параллельным пучком солнечных лучей с учетом многократного рассеяния света в воде. При анализе предполагалось, что флуктуации освещенности связаны только с флуктуациями наклонов поверхности, возвышениями же поверхности пренебрегалось. Показано, что пространственно-временной спектр флуктуаций освещенности при малых волновых числах пропорционален спектру волнения на морской поверхности, умноженному на функцию, зависящую от свойств среды, спектр флуктуации освещенности сохраняет угловую структуру и дисперсионное уравнение спектра волнения. При больших волновых числах и больших частотах пространственно-временной спектр флуктуаций подводной освещенности определяется статистическими характеристиками волнения, в частности, дисперсией кривизны поверхности. Получено, что на больших глубинах коэффициент вариации освещенности определяется рассеянным светом и длинноволновой частью спектра, на малых же глубинах коэффициент вариации подводной освещенности определяется не рассеянным светом, а характеристиками поверхности, в частности дисперсией кривизны поверхности.

В разделе 13 исследуются флуктуации яркости под морской поверхностью в направлениях в зенит, в сторону горизонта и в надир с учетом рассеивающих свойств воды. Для описания рассеяния в среде в случае наблюдения в сторону горизонта и в надир использовалось квазиоднократное при-

ближение. Получено, что на малых глубинах, где рассеяние света мало, коэффициент вариации при наблюдении в надир и в зенит определяется короткими ветровыми волнами (в частности, дисперсией кривизны поверхности), а коэффициент вариации яркости в сторону горизонта определяется поверхностными волнами с характерными масштабами ослабления света в воде.

Раздел 1.4 посвящен расчету среднего значения яркости прямого солнечного излучения, дважды прошедшего через взволнованную поверхность и рассеянного толщей воды. При анализе предполагалось, что освещение и наблюдение проводится под почти зенитными углами (именно этот случай обычно интересен на практике, так как для чистой морской воды рассеянное толщей воды излучение вносит существенный вклад в яркость поверхности в основном при наблюдении под небольшими зенитными углами). Показано, что степень влияния волнения на отраженное толщей излучение зависит от длины волны света (наиболее сильно влияние для красного и фиолетового диапазонов) и определяется дисперсией кривизны поверхности. Волнение приводит к усилению выходящего из-под поверхности излучения, когда направление освещения совпадает с направлением наблюдения. При увеличении угла между направлением на солнце и направлением наблюдения влияние волнения уменьшается, и при некотором угле (обычно в несколько градусов) средняя яркость рассеянного толщей моря излучения в присутствии волнения становится меньше, чем при гладкой поверхности.

В разделе 1.5 рассматривается влияние паразитной капиллярной ряби, возбуждаемой из-за нелинейности на передних склонах коротких гравитационно-капиллярных волн, на среднюю яркость отраженного от поверхности рассеянного света неба, и исследуется возможность измерения спектра капиллярной ряби оптическим анализатором спектра. При анализе не учитываются затенения одних участков волн другими, кроме того, предполагается, что паразитная рябь с длиной волны менее сантиметра распространяется по переднему склону дециметровых волн и затухает, не достигая их задних склонов. Для описания паразитной капиллярной ряби используется физическая модель спектра коротких ветровых волн. Показано, что такой сложный (несимметричный) профиль поверхности незначительно меняет среднюю яркость поверхности (до нескольких процентов), в то время как пространственный спектр яркости и изменение пространственного спектра яркости (при волновых числах более 6 рад/см) в областях морской поверхности, покрытых пленками поверхностно-активных веществ, - пленочных сликах - может в несколько раз отличаться при наблюдении навстречу ветру и вдоль ветра.

В конце главы (раздел 1.6) сформулированы выводы, главным из которых является вывод о том, что световые поля вблизи морской поверхности определяются в значительной степени мелкомасштабными ветровыми волнами, а также, в ряде случаев, - пространственной структурой ветрового волнения.

Вторая глава посвящена описанию результатов оптических и радиолокационных лабораторных исследований мелкомасштабной части спектра ветровых волн. Во введении (раздел 2.1) определены цели исследований и описана лабораторная установка.

В разделе 2.2 предложены два новых оптических метода (метод расфокусированного пучка и метод двух приемников) измерения кривизны поверхности. Первый метод проще, но пригоден лишь для исследования волн с большими радиусами кривизны, второй метод позволяет исследовать кривизны волнения как с большими радиусами, так и с малыми. Эти методы использовались для исследования регулярных волн, возбуждаемых механическим волнопродуктором, а также для исследования ветрового волнения. Сравнение результатов, полученных разными методами в условиях их общей применимости, продемонстрировало их хорошее соответствие. Обнаружено, что для регулярной поверхностной волны малой амплитуды, когда профиль волны близок к синусоидальному, функции распределения кривизны на гребнях и впадинах дециметровых волн близки друг к другу. Для регулярной крутой гравитационной волны с вынужденной паразитной капиллярной рябью возникает заметная асимметрия функции распределения: максимум распределения кривизны гребней находится в области больших значений кривизны, чем максимум распределения впадин, что говорит об обострении гребней, и, кроме того, в функции распределения кривизны возникают вторые максимумы, связанные с генерацией капиллярной ряби. Распределения кривизны ветровых волн качественно сходны со случаем крутых регулярных гравитационных волн. Асимметрия распределений кривизны гребней и впадин указывает на негауссовость ветрового волнения, что и естественно при сильно нелинейном характере волнения. Рост ветра приводит к уширению функции распределения кривизны и в положительной, и в отрицательной областях значений кривизны. Это может быть связано как с укручением дециметровых волн и более эффективной генерацией ими паразитной капиллярной ряби (о ее присутствии говорит сохраняющаяся асимметрия распределений кривизны), так и со свободной мелкомасштабной рябью, непосредственно возбуждаемой ветром.

В разделе 2.3 приведены результаты измерений фазовых скоростей волн с длинами 0.5-10 сантиметров оптическим анализатором спектра и радиолокатором. В экспериментах измерялись пространственно-временные спектры ветрового волнения и по центру тяжести спектра определялась средняя фазовая скорость волн. Измеренная таким образом скорость сравнивалась с фазовой скоростью свободных волн, возбуждаемых ветром и с фазовой скоростью вынужденных волн, являющихся либо гармониками энергонесущей волны, либо паразитной капиллярной рябью, возбуждаемой на профиле энергонесущей волны. Такое сравнение позволило оценить соотношение энергий свободных и вынужденных волн в спектре. Оценка показала, что во всех проведенных экспериментах существенный вклад (более 50%) в спектр

гравитационно-капиллярных волн вносят вынужденные волны, величина этого вклада зависит от длины волны, скорости ветра и разгона волн.

В разделе 2.4 описаны измерения спектров наклонов поверхностных волн оптическим анализатором спектра, оценена точность измерения спектра волнения, определяемая качествами осветителя. Пространственные спектры наклонов волн (с длинами от 2 миллиметров до 5 сантиметров) были исследованы на чистой воде и на воде, покрытой пленками поверхностно-активных веществ. Обнаружено, что спектральный контраст (отношение спектра волнения на чистой воде к спектру волнения на воде, покрытой пленкой) имеет максимум в сантиметровой - миллиметровой области. Такое поведение спектрального контраста нельзя объяснить в рамках теории гашения свободных волн. Качественное объяснение его может быть основано на присутствии вынужденных волн на поверхности, что косвенно подтверждает предположение о существенном вкладе связанных волн в спектр ветрового волнения.

В разделе 2.5 описана методика и приведены результаты исследования изменчивости капиллярной ряби в поле длинной поверхностной волны по данным радиолокатора миллиметрового диапазона. Изменчивость интенсивности ряби характеризовалась модуляционной передаточной функцией, модуль которой определяет степень модуляции ряби, а фаза - положение максимума сигнала на профиле длинной волны. Проведенные эксперименты обнаружили, что: а) амплитуда модуляционной передаточной функции больше, чем это предсказывается теорией для свободных волн, б) при малых скоростях ветра максимум модуляции лежит на заднем склоне длинной волны, с увеличением скорости ветра он смещается на передний склон, что также нельзя объяснить в рамках модели свободных волн. Качественное объяснение этого эффекта основано на том, что амплитуда вынужденных капиллярных волн нелинейно зависит от амплитуды энергонесущих дециметровых волн, и даже незначительная модуляция последней приводит к сильной модуляции ряби. Количественное объяснение этого эффекта дано для малых скоростей ветра, когда свободные волны практически не возбуждаются ветром, и можно предположить, что вся капиллярная рябь на поверхности является паразитной рябью. Количественные оценки для большой скорости ветра сделать не удается, однако, как показывают измерения фазовой скорости (см. раздел 2.4), вклад вынужденных волн в спектр ряби составляет в этом случае около 50%, и можно предполагать, что высокий уровень модуляции также связан с вынужденными волнами. В конце главы (раздел 2.6) сформулированы выводы, основным из которых является вывод о том, что в лабораторных условиях существенный (50% и более) вклад в мелкомасштабный спектр ветрового волнения вносят вынужденные волны, определяющие спектральный контраст в областях, покрытых пленками поверхностных веществ, и модуляцию капиллярной ряби в поле длинной поверхностной волны.

Третья глава посвящена результатам натурных исследований характеристик коротких ветровых волн оптическими и радиолокационными методами. Во введении (раздел 3.1) сформулированы цели исследования. Измерения, результаты которых приведены в данной главе, проводились на Черном море с Океанографической платформы в районе п. Кацивели и с пирса в районе г. Геленджик.

В разделе 3.2 описаны результаты натурных измерений доплеровских сдвигов сигнала радиолокатора Ка-диапазона. Экспериментально обнаружено, что усредненный текущий доплеровский сдвиг (определяемый по времени много меньшем, чем период длинных волн) может как увеличиваться, так и уменьшаться при отражении от участков, покрытых пленкой поверхностно-активных веществ. Данный эффект различен для разных веществ и не может быть объяснен изменением фазовой скорости свободных волн из-за изменения коэффициента поверхностного натяжения в сликах. Теоретически показано и подтверждено в эксперименте, что доплеровский сдвиг среднего спектра радиолокационного сигнала (усредненного по времени много большем периода длинных волн) зависит не только от фазовой скорости и скорости течения, но и от модуляции коротких ветровых волн более длинными, а также от времени усреднения. Экспериментально обнаружено, что зависимость до-плеровского сдвига радиолокационного сигнала от модуляции приводит к увеличению доплеровских сдвигов средних спектров в сликах.

В разделе 3.3 описаны результаты измерения степени гашения мелкомасштабных ветровых волн (длина волны от 2 сантиметров до 5 миллиметров) оптическим анализатором спектра в областях поверхности, покрытых пленками поверхностно-активных веществ. Эксперименты проводились с двумя веществами, имеющими разные физические характеристики, при одних и тех же скоростях ветра для случаев, когда наблюдение поверхности осуществлялось навстречу ветру и в направлении ветра. Измеренные спектральные контрасты имели максимум или плато на длинах волн около 1 см (аналогично описанному в параграфе 2.3), величина максимума сильно зависела от вещества и от геометрии наблюдения. Теоретические зависимости степени гашения свободных волн, учитывающие реальные характеристики пленок, не объясняют зависимости от условий наблюдения. Для объяснения данного эффекта были рассчитаны спектральные контрасты с использованием физической модели спектра и модели отображения паразитной капиллярной ряби волн оптическим анализатором спектра (см., раздел 1.5). Сравнение измеренных и рассчитанных контрастов дало хорошее качественное соответствие.

В разделе 3.4 приведены результаты исследования изменчивости спектра коротких ветровых волн в поле длинных поверхностных волн на чистой воде и в присутствии пленок поверхностно-активных веществ. Приведено сравнение модуляционной передаточной функции сигналов оптического анализатора спектра и радиолокатора для одинаковых рабочих длин волн на чистой воде, показано, что различия в измеряемых модуляционных передаточ-

ных функциях связаны с модуляцией локального угла наклона поверхности. Исследована модуляционная передаточная функция сигнала радиолокатора с брэгговской длиной волны 5 миллиметров при отражении от областей пленочных сликов. Обнаружено, что модуль модуляционной передаточной функции в пленочных сликах в несколько раз больше, чем вне слика. Если вне сликов максимумы радиолокационных сигналов находились на передних склонах длинных волн вблизи гребней, то в сликах максимумы сигналов сдвигаются преимущественно на задние склоны длинных волн (ближе к вершинам). Показано, что данный эффект не может быть объяснен свободными волнами и перераспределением пленки в разных фазах длинной волны. Для объяснения этого эффекта проведена аналогия с измерениями модуляции в лабораторных условиях (случай малых скоростей).

В конце главы (раздел 3.5) сделаны выводы. Основной вывод состоит в том, что обнаруженные в натурных условиях эффекты: смещение доплеров-ского сдвига радиолокационного сигнала, поведение спектрального контраста в капиллярной области, аномально большая модуляция капиллярной ряби в зонах сликов - не объясняются свободными волнами на морской поверхности. Качественное объяснение этих эффектов основано на присутствии вынужденных волн.

В четвертой главе исследуется возможность обнаружения и диагностики пленок поверхностно-активных веществ на морской поверхности по изменению яркости поверхности. Во введении (раздел 4.1) даны краткие характеристики используемых в настоящее время способов обнаружения пленок поверхностно-активных веществ.

В разделе 4.2. анализируются контрасты яркости поверхности (отношение изменения яркости в слике к яркости вне слика), связанные с гашением ветровых волн пленками поверхностно-активных веществ. Предполагается, что яркость поверхности определяется одной доминирующей компонентой излучения - солнечным излучением или рассеянным светом неба, отраженными от морской поверхности, а единственным параметром пленки, характеризующим гашение волн в слике, является ее упругость. Под диагностикой пленки в таком случае понимается определение упругости пленки по измерению яркости. Для анализа ветрового волнения на чистой поверхности используется эмпирический спектр, хорошо описывающий короткие ветровые волны. Гашение волн пленкой описывается в рамках модели локального баланса спектра ветровых волн. Для случая наблюдения в рассеянном свете неба оптическая модель изображения пленочных сликов была экспериментально проверена в натурных условиях, и получено удовлетворительное согласие измеренных и рассчитанных контрастов яркости поверхности. Показано, что при слабых ветрах (скорость ветра менее 7 м/с) контраст яркости поверхности монотонно зависит от упругости пленки, что делает возможным диагностику пленок. При сильных ветрах зависимость контраста яркости поверхности от

упругости пленки немонотонная, и возможности диагностики существенно ограничены.

В разделе 4.3 обсуждается возможность обнаружения и диагностики пленок на фоне флуктуаций яркости поверхности, связанных с ветровым волнением, а также приводятся оценки ошибки определении упругости пленок из-за погрешностей в определении скорости ветра и из-за грубой аппроксимации коротковолновой части спектрального контраста в сликах. Показано, что флуктуации яркости поверхности приводят к тому, что минимальный размер сликов, которые могут быть обнаружены на морской поверхности по изменению яркости, должен быть больше или порядка (для обнаружения в рассеянном свете неба) нескольких масштабов длинных волн. Для диагностики пленки размер слика должен быть еще на порядок больше. С увеличением упругости пленки минимальные размеры сликов, которые можно обнаружить и в которых можно определить упругость пленки, уменьшаются. В зоне солнечной дорожки минимальные размеры сликов меньше, чем вблизи нее. В рассеянном свете неба минимальные размеры сликов слабо зависят от угла наблюдения. В зоне солнечной дорожки ошибка в измерении скорости ветра меньше сказывается на точности определения упругости пленки, чем в рассеянном свете неба. В разделе 4.4 приведены выводы.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты работы

1. Теоретически показано, что на малых глубинах, где рассеяние света в воде мало, коэффициент вариации освещенности и яркости при наблюдении в надир и в зенит определяется статистическими характеристиками коротких ветровых волн (в частности дисперсией кривизны поверхности).

2. Показано, что поверхностное волнение может значительно увеличивать (при больших скоростях ветра до 30%) яркость солнечного света рассеянного толщей моря. Степень влияния волнения определяется геометрией наблюдения, оптическими характеристиками воды и кривизной поверхности.

3. Показано, что измеряемая оптическим анализатором спектра степень гашения капиллярных волн в областях морской поверхности, покрытых пленками поверхностно-активных веществ, зависит от угла между направлением распространения волн и направлением наблюдения, что связано с асимметрией профиля поверхности из-за паразитной капиллярной ряби на переднем склоне дециметровых волн. Дано экспериментальное подтверждение зависимости измеряемого контраста от условий наблюдения.

4. Предложен новый оптический лабораторный метод измерения кривизны поверхности. Полученные с использованием этого метода результаты продемонстрировали несимметричность функции распределения кривизны гребней и впадин дециметровых волн с развитой капиллярной рябью.

5. В лабораторном эксперименте при измерении характеристик гравитационно-капиллярных волн оптическими и радиолокационными методами получено, что фазовые скорости волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов не описываются линейным дисперсионным соотношением и близки к скоростям дециметровых волн, что свидетельствует о существенном вкладе вынужденных волн в спектр ветрового волнения.

6. В ходе натурных экспериментов установлено, что коэффициент модуляции интенсивности радиолокационного сигнала миллиметрового диапазона, связанной с длинными поверхностными волнами, возрастает в несколько раз в зонах пленочных сликов (по сравнению с чистой водой). Данный эффект, как показано в лабораторном эксперименте, связан с присутствием паразитной капиллярной ряби в спектре ветровых волн.

7. В ходе натурных экспериментов выявлено различие в величинах допле-ровских сдвигов радиолокационного сигнала миллиметрового диапазона, определяемых по усредненному по периоду длинных волн спектру и по текущему спектру. Это различие наиболее сильно при отражении от участков поверхности, покрытой пленками поверхностно-активных веществ, и зависит от коэффициента модуляции радиолокационного сигнала, времени анализа и геометрии наблюдений. Величина изменения доплеров-ских сдвигов в сликах различна для разных веществ.

8. Исследованы возможности обнаружения и диагностики пленок поверхностно-активных веществ на морской поверхности по изменению яркости поверхности. Показано, что обнаружение пленок с упругостями более нескольких мН/м возможно при скоростях ветра 2-10 м/с при условии, что характерные размеры слика больше масштабов длинных волн. Диагностика пленок (определение упругости пленки) возможна при скоростях ветра менее 7 м/с в сликах с размерами на порядок больше размеров обнаруживаемых сликов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Лучинин А.Г., Сергиевская И.А.О флуктуациях светового поля под взволнованной поверхностью моря // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 3, N 8. С. 850-858.

2. Лучинин А.Г., Сергиевская И.А. О влиянии поверхностного волнения на цвет моря // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986. Т. 22, N 7. С. 773-776.

3. Вебер В.Л., И.А. Сергиевская Эффект усиления обратного рассеяния при аэрокосмическом лазерном зондировании толщи моря через взволнованную поверхность // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28, N3. С. 414-420.

4. Вебер В.Л., И.А. Сергиевская Интегральные характеристики эхо-сигнала при аэрокосмическом лазерном зондировании толщи моря через взволнованную поверхность // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1933. Т. 29, N3. С. 325-333.

5. 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.ЗЗ, N 3. С. 394-401.

6. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Зуйкова Э.М., Кияшко СВ., Щегольков Ю.Б. Об эффекте изменения доплеровских сдвигов частоты радиолокационных сигналов в присутствии органических пленок на морской поверхности // Доклады РАН. 2003. Т. 388, N 1. С. 109-112.

7. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Щегольков Ю.Б. Лабораторное исследование сильной модуляции радиолокационных сигналов при наличии длинных волн на воде с поверхностно-активной пленкой // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2003. Т. XLV, N 12. С. 1025-1042.

8. Ермаков СА, Сергиевская И.А., Зуйкова Э.М., Щегольков Ю.Б. Модуляция радиолокационных сигналов длинными волнами при рассеянии на морской поверхности, покрытой пленками поверхностно-активных веществ // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40, N 1. С. 102-111.

9. Сергиевская И.А. О влиянии асимметрии коротких ветровых волн на статистические характеристики оптического изображения морской поверхности в рассеянном свете неба // Изв. Вузов. Радиофизика. 2004. Т. XLVII, N 7. С. 527-533.

10. SAErmakov, E.M-Zuikova I.A.Sergievskaya, Yu.B.Shchegolkov, S.V.Kijashko, A.G Luchinin, J.C.da Silva, N.StapIeton, J.C.Scott, Radar and Optical Measurements of Damping of Small-Scale Wind Waves in Artificial Slicks. // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 1997). IEEE. Piscataway. NJ. USA. 1997. V. 3. P. 1335-1337.

11. Ermakov S.A., Zuikova E.M., Luchinin A.G., Sergievskaya LA., Shchegolkov Yu.B., Goldblat V.Yu., Scott J.C. Remote measurements of damping and phase velocities of short wind waves in film slick // Proceeding of International Geo-science and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 1998). IEEE. Piscataway. N.J. USA. 1998. V. 5, P. 2562-2564.

12. Ermakov S.A., Sergievskaya I.A., Zuikova E.M., Goldblat V.Yu., Shchegolkov Yu.B., Scott J.C. Wave Tank Optical Measurements of Phase Velocities of Wind Waves // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 1998). IEEE. Piscataway. NJ. USA. 1998. V.5. P. 2553-2555.

13. Ermakov S.A., Sergievskaya LA., Zuikova E.M., Goldblat V.Yu., Scott J.C. Field studies of natural slicks due to internal waves // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 1999). IEEE. Piscataway. N.J. USA. 1999. V. 1. P. 167-169.

14. Ermakov S.A., Sergievskaya LA., Zuikova E.M., Goldblat V.Yu., Shchegolkov Yu.B., Scott J.C. Wave Tank Study of the Damping of mm-Scale Wind Waves by Surface Films // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 1999). IEEE. Piscataway. NJ. USA. 1999. V. 2. P. 992-994.

15. Sergievskaya LA., Ermakov S.A., Luchinin A.G., Zuikova E.M On the detection of organic films from variations of sea surface radiance // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 1999). IEEE. Piscataway. N.J. USA. 1999. V. 2. P. 968-970.

16. Ermakov S.A., Sergievskaya LA., Shchegolkov Yu.B., Goldblat V.Yu. Wave tank study of "cascade" modulation of bound capillary-gravity waves due to internal waves // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 2000). IEEE. Piscataway. N.J. USA. 2000. V.m. P. 1087-1089.

17. Ermakov, S.A., LA. Sergievskaya, E.M. Zuikova, Yu.B. Shchegolkov, J.C. Scott, and N.R. Stapleton, Field Observations of Radar Backscatter Modulation and Radar Doppler Shifts in Slicks // Proceeding of International Geo-science and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 2000). IEEE. Piscataway. NJ. USA. 2000. V. IV. P.1513-1515.

18. Ermakov, S.A., LA. Sergievskaya, E.M. Zuikova, Yu.B. Shchegolkov, J.C. Scott, and N.R. Stapleton, Wave tank modelling of strong modulation of radar backscatter due to long waves // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 2000). IEEE. Piscataway. N.J.USA.2001.3p(Ha CD).

19. Ermakov S.A., I.A.Sergievskaya, Yu.B.Shchegolkov, S.V.Kijashko, J.C.Scott and N.R.Stapleton Anormal Doppler shifts of radar signals backscattered from marine slicks // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 2002). IEEE. Piscataway. NJ. USA. 2002. 3p(Ha CD).

20. Ermakov S.A., I.A.Sergievskaya, Yu.B.Shchegolkov, S.V.Kijashko, J.CScottN. and R.Stapleton Wave tank studies of radar Doppler shifts in the presence of surfactant films on the water surface // Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings (IGARSS 2002). IEEE. Piscataway. N.J. USA. 2002. Зр (на CD).

21. Sergievskaya LA., Cascade modulation of short waves due to long waves in slicks. Wave tank experiment // Proceeding of International Symposium Topical problems of nonlinear wave physics in Proc.NWP'03. R.Novgorod. Russia. IAP RAN. 2003. P. 325-326.

22. Sergievskaya LA, On the influence of parasitic capillary ripples on the sea surface image // Proceeding of International Conference Current Problems of natural waters. S.Peterburg. 2003. P. 181-184.

23. Da Silva J.C.B., S. Correia, S. Ermakov, I. Sergievskaya and I. Robinson, Synergy of MERIS/ASAR for observing marine film slicks and small scale processes // Proceeding of MERIS Workshop. November. 2003. Frascatti. Italy. 6p. (на CD).

24. Ермаков СА., Сергиевская И.А., Кияшко СВ., Щегольков Ю.Б. О роли "паразитной" капиллярной ряби при радиолокационном зондировании пленочных сликов на морской поверхности // Сб. Проявление глубинных процессов на морской поверхности. ИПФ РАН. 2004. Р. 54-66.

25. Ермаков СА., И.А. Сергиевская, Щегольков Ю.Б, Лабораторные измерения кривизны гравитационно-капиллярных волн. II // Препринт N 413.Н.Новгород. 1996.12 с.

26. Сергиевская И.А. О зависимости флуктуаций подводной яркости от глубины погружения приемника и угла визирования // Тезисы докладов Девятого пленума рабочей группы по оптике "Оптика моря и атмосферы". ГОИ. Ленинград. 1984. С. 71-72.

Оглавление диссертации

Введение................................................................................4

Глава 1. Статистические характеристики естественных световых полей вблизи взволнованной поверхности моря

1.1. Введение..................................................................14

1.2. Флуктуации освещенности под взволнованной поверхностью................................................................16

1.3. Флуктуации яркости под взволнованной поверхностью.......24

1.4. Средняя яркость выходящего из-под поверхности солнечного излучения......................................................28

1.5. Влияние несимметричности профиля ветровых волн на яркость отраженного морской поверхностью света неба..........31

1.6. Выводы к главе 1.......................................................39

Глава 2. Лабораторные исследования характеристик мелкомасштабных поверхностных волн оптическими и радиолокационными методами.

2.1. Введение.................................................................40

2.2. Кривизна капиллярно-гравитационных волн.....................44

2.3. Фазовые скорости капиллярно-гравитационных волн.........56

2.4. Спектры капиллярно-гравитационных волн......................65

2.5. Модуляция капиллярной ряби в поле длинных волн..........67

2.6 Выводы к главе 2........................................................76

Глава 3. Оптические и радиолокационные измерения характеристик мелкомасштабных ветровых волн в натурных условиях.

3.1. Введение................................................................77

3.2. Фазовые скорости капиллярно-гравитационных волн.........80

3.3. Спектр капиллярно-гравитационных ветровых волн в

присутствии пленки на морской поверхности........................86

.3.4. Модуляция капиллярной ряби в поле длинных волн............89

Выводы к главе 3.............................................................99

Глава 4. Возможности диагностики пленок на морской поверхности по Измерениям средней яркости поверхности

4.1. Введение..................................................................101

4.2. Связь контраста яркости поверхности с упругостью

пленки.........................................................................104

4.3. Оценка упругости пленок по изменению яркости поверхности в натурных условиях......................................111

4.4. Выводы к главе 4.......................................................118

Заключение............................................................................119

Список литературы.................................................................121

Сергиевская Ирина Андреевна

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОМАСШТАБНОГО ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ

Автореферат

Подписано к печати 14.12.2004 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага писчая № 1. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 114(2004). Бесплатно

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

S250Ï*

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Сергиевская, Ирина Андреевна

Введение.

Глава 1. Статистические характеристики естественных световых полей вблизи взволнованной поверхности моря

1.1. Введение.

1.2. Флуктуации освещенности под взволнованной поверхностью.

1.3. Флуктуации яркости под взволнованной поверхностью.

1.4. Средняя яркость выходящего из-под поверхности солнечного излучения.

1.5. Влияние несимметричности профиля ветровых волн на яркость отраженного морской поверхностью света неба.

1.6. Выводы к главе 1.

2.1. Введение.

2.2. Кривизна капиллярно-гравитационных волн.

2.3. Фазовые скорости капиллярно-гравитационных волн.

2.4. Спектры капиллярно-гравитационных волн.

2.5. Модуляция капиллярной ряби в поле длинных волн.

2.6 Выводы к главе 2.

3.1. Введение.

3.2. Фазовые скорости капиллярно-гравитационных волн.

3.3. Спектр капиллярно-гравитационных ветровых волн в присутствии пленки на морской поверхности.

3.4. Модуляция капиллярной ряби в поле длинных волн.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Возможности диагностики пленок на морской поверхности по измерениям средней яркости поверхности

4.1. Введение.

4.2. Связь контраста яркости поверхности с упругостью пленки.

4.3. Оценка упругости пленок по изменению яркости поверхности в натурных условиях.

4.4. Выводы к главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование мелкомасштабного ветрового волнения и его влияния на статистические характеристики световых полей"

Актуальность темы

Интенсивное освоение океана в последние годы привело к необходимости создания новых подводных систем наблюдения [см., напр., 1 цитированную там литературу], которые могут использоваться при поиске полезных ископаемых, строительстве подводных сооружений и т.д. При работе таких систем флуктуации естественных световых полей, обусловленные случайным характером колебаний поверхности моря, являются помехами, учет которых необходим для правильной интерпретации принимаемых сигналов. Другой важный аспект исследований естественных световых полей и их изменчивости связан с анализом процессов фотосинтеза и теплообмена в водной среде [2,3]. Учет влияния ветрового волнения на выходящее из-под поверхности моря рассеянное толщей воды излучение необходим при интерпретации оптических аэрокосмических изображений поверхности (см., например, [4]), а также при исследованиях физических процессов в океане через взволнованную границу.

Исследования влияния ветрового волнения на характеристики световых полей необходимы не только для расчета этих полей, но и для решения задач исследования самого волнения, в частности, его мелкомасштабной части. Особый интерес к этому диапазону связан с высокой чувствительностью коротких волн к различным возмущениям [5-15], таким как пленки на морской поверхности, ветровые пульсации, течения, внутренние волны, и, как следствие, с возможностью использования этого диапазона при дистанционной диагностике состояния поверхности и подповерхностного слоя. Построение моделей изменчивости мелкомасштабного ветрового волнения (длины волн от единиц дециметров до миллиметров) требует знания особенностей формирования его спектра. При этом для изучении механизмов генерации и распространения коротких ветровых волн успешно применяются оптические методы измерения волнения [см., например, 16-23].

Одним из важных направлений в решении проблемы дистанционной диагностики является определение характеристик длинных волн на поверхности океана по вариациям радиолокационного и оптического сигнала в поле длинных волн [24-29]. Другим направлением, связанным с изучением загрязнения моря промышленными отходами и нефтью и ставшим особенно актуальным в последние годы, является обнаружение пленок на морской поверхности. По степени гашения волнения в разных диапазонах его спектра можно судить о присутствии пленок на морской поверхности и их характеристиках.

Методы обнаружения пленок органических веществ могут быть также применены для поиска районов повышенной биологической продуктивности, что может быть важно для развития рыболовства и в работе природоохранных служб.

Цели исследования.

- Разработка методик измерений мелкомасштабной части ветрового волнения.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- установлена зависимость измеряемой оптическим анализатором спектра степени гашения капиллярной ряби пленками поверхностно-активных веществ от направления наблюдения; исследованы возможности диагностики пленок по изменению яркости взволнованной поверхности.

Публикации

Практическая ценность

-для оценки помех оптических систем видения;

-для измерения характеристик длинных волн по модуляционной передаточной функции.

Развитые в диссертации методы использовались в работах по проектам Российского фонда фундаментальных исследований (93-05-8126, 96-05-65087, 96-05-64637, 96-05-79080к, 99-05-64797, 99-05-64798, 02-05-65102, 02-05-64975, 03-05-79053k, 04-05-79015к, 04-05-64763), INTAS 96-1665, CRDF- Grant Assistant Program RGO-655, МНТЦ PI774, ФЦНТП Миннауки РФ (Госконтракт N 40.020.1.1.1171), ФЦП Миннауки РФ "Мировой океан" (Госконтракт N 43.634.11.0014), программы ОФН РАН "Проблемы радиофизики".

Апробация работы и публикации

Материалы диссертации были представлены на Международных конференциях International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) -98, IGARSS'99, IGARSS'00, IGARSS'01, IGARSS 2002, Synergy of MERIS/ASAR for observing marine film slicks and small scale processes, Италия, 2003, International Symposium Topical problems of nonlinear wave physics (NWP'03), International Conference Current Problems of natural waters, С-Петербург, 2003, EGS, Ницца, 2004, US-Baltic International Symposium,Клайпеда 2004.

Личный вклад автора

Содержащиеся в диссертации материалы получены либо самостоятельно автором, либо при его непосредственном участии. В том числе, автором самостоятельно развита модель диагностики пленок на морской поверхности по изменениям яркости поверхности, исследованы флуктуации подводной яркости и влияния паразитной ряби на измеряемый спектр капиллярных волн и яркость поверхности. В работах, посвященных исследованию флуктуаций подводной освещенности и яркости светового поля, рассеянного толщей воды, автор участвовал в развитии теории и выполнял численные расчеты. Автор принимал участие в разработке нового метода измерения кривизны поверхности, в проведении и анализе всех лабораторных и натурных экспериментов, а также обеспечивал компьютерную обработку полученных результатов.

Краткое содержание работы

В разделе 1.2 рассмотрено влияние поверхностного волнения на флуктуации подводной освещенности при квазивертикальном освещении параллельным пучком солнечных лучей с учетом многократного рассеяния света в воде. При анализе предполагалось, что флуктуации освещенности связаны только с флуктуациями наклонов поверхности, возвышениями же поверхности пренебрегалось. Показано, что пространственно-временной спектр флуктуаций освещенности при малых волновых числах пропорционален спектру волнения на морской поверхности, умноженному на функцию, зависящую от свойств среды, спектр флуктуации освещенности сохраняет угловую структуру и дисперсионное уравнение спектра волнения. При больших волновых числах и больших частотах пространственно-временной спектр флуктуаций подводной освещенности определяется статистическими характеристиками волнения, в частности, дисперсией кривизны поверхности. Получено, что на больших глубинах коэффициент вариации освещенности определяется рассеянным светом и длинноволновой частью спектра, на малых же глубинах коэффициент вариации подводной освещенности определяется не рассеянным светом, а характеристиками поверхности, в частности дисперсией кривизны поверхности.

В разделе 1.3 исследуются флуктуации яркости под морской поверхностью в направлениях в зенит, в сторону горизонта и в надир с учетом рассеивающих свойств воды. Для описания рассеяния в среде в случае наблюдения в сторону горизонта и в надир использовалось квазиоднократное приближение. Получено, что на малых глубинах, где рассеяние света мало, коэффициент вариации при наблюдении в надир и в зенит определяется короткими ветровыми волнами (в частности, дисперсией кривизны поверхности), а коэффициент вариации яркости в сторону горизонта определяется поверхностными волнами с характерными масштабами ослабления света в воде.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Сергиевская, Ирина Андреевна

Основные результаты

7. В ходе натурных экспериментов выявлено различие в величинах доплеровских сдвигов радиолокационного сигнала миллиметрового диапазона, определяемых по усредненному по периоду длинных волн спектру и по текущему спектру. Это различие наиболее сильно при отражении от участков поверхности, покрытой пленками поверхностно-активных веществ, и зависит от коэффициента модуляции радиолокационного сигнала, времени анализа и

119 геометрии наблюдений. Величина изменения доплеровских сдвигов в сликах различна для разных веществ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Сергиевская, Ирина Андреевна, Нижний Новгород

1. Долин J1.C., Левин И.М., Справочник по теории подводного видения, Ленинград, гидрометеоиздат, 1991,228 с.

2. Dera J., Olszewski J., On natural irradiance fluctuations affecting photosynthesis in the sea. // Acta Geophys.Polonica, 1967, v. XV, N4, p.351-364.

3. Gordon H.R., Smith J.M., Brown O.B. Spectra of underwater light-field fluctuations in the photic zone.// Bull, of Mar. Sci., 1971, p.21.

4. J.C.B. da Silva, S. Correia, S. Ermakov, I. Sergievskaya and I. Robinson, Synergy of MERIS/ASAR for observing marine film slicks and small scale processes, in Proc. MERIS Workshop, November, 2003, Frascatti, Italy (на CD).

5. Longuet-Higgins M.S. The generation of capillary waves by steep gravity waves // Fluid Mech, 1963, v.16, P.138-159.

6. Ермаков C.A., Рувинский К.Д., Салашин С.Г., Фрейдман Г.Н. Экспериментальное исследование генерации капиллярно-гравитационной ряби сильнонелинейными волнами на поверхности глубокой жидкости //Изв.АН СССР, ФАО, 1980, т.22, N 10, с. 1072-1080.

7. Ермаков С.А., Рувинский К.Д., Салашин С.Г. О локальной связи характеристик ряби на гребнях гравитационно-капиллярных волн с их кривизной // Изв.АН СССР. ФАО, 1988, т. 24, N 7, С.771-773.

8. Ruvinsky K.D., Feldstein F.I., Freidman G.I. Numerical simulations of the quasi-stationary stage of ripple excitation by steep gravity-capillary waves // Fluid Mech, 1991, v.230, P.339-353.

9. Perlin M., Lin H., and Ting C.-L., On parasitic capillary waves generated by steep gravity waves: an experimental investigation with spatial and temporal measurements // J. Fluid Mech., 1993, v.255, p.597-620.

10. Longuet-Higgins, M.S., Capillary rollers and bores //J.Fluid Mech. 1992. V. 240. P. 659-579.

11. H.C.Yuen and B.M.Lake, Nonlinear dynamics of deep-water gravity waves // Advances in Applied Mechanics (ed. Chia-Shun Yih), Academic Press, 1982, V.22, P.67-229.

12. Ermakov S.A., K.D. Ruvinsky, S.G. Salashin, and G.I. Freidman, Experimental study of capillary-gravity wave generation by steep waves on deep water//Izv. AN SSSR, Fiz. Atm. Okeana, 1986, V.22, P. 1072

13. Lucassen-Reynders, E.N., and Lucassen J., Properties of capillary waves // J.Adv.Coll.Int.Sci., 1969, v.2, p.347-395.

14. Charnotskii. M., Naugolnykh K., Ostrovsky L., Smirnov A.A. On the cascade mechanism of short surface waves modulation, // Nonlinear Processes in Geophysics (2002) 9:281-288.

15. Ермаков С.А., Салашин С.Г. Об эффекте сильной модуляции капиллярно-гравитационной ряби внутренними волнами // Доклады АН, т.337, N 1, 108-111, 1994.

16. Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Титов В.И., Оптические исследования изменчивости спектра поверхностного волнения в поле внутренних волн // в кн.: Воздействие крупномасштабных внутренних волн на морскую поверхность, Горький: ИПФ АН СССР, 1982, с.137-146 .

17. Зуйкова Э.М., Титов В.И., Дистанционная диагностика пространственно-временных характеристик гравитационных волн оптическим методом, препринт ИПФ N 366,1995.

18. Jahne, В., and K.S. Riemer, Two-dimensional wave number spectra of small-scale water surface waves // J.Geophys.Res., 1990, V.95(C7), № 11, P.531-546.

19. Rozenberg A.D., Ritter M.J., Melville W.K., Gopttschall C.C., Smirnov A.V., Free and Bound Capillary Waves as Microwaves Scatterers: Laboratory Studies. // IEEE Transactions on Geoscience and remote sensing, V 37, N 2, March 1999.

20. Plant, W.J., W.C. Keller, V. Hesany, Т. Нага, E. Bock and M.A. Donelan "Bound waves and Bragg scattering in a wind-wave tank" // JGR, V.104, N0. C2, p.3243-3263, 1999.

21. Gade, M., W. Alpers, S.A. Ermakov, H. Huhnerfuss, and P.A. Lange, 1998. Wind-wave tank measurements of bound and freely propagating short gravity-capillary waves // J. Geophys. Res., V.103,N CIO, 21697-21710.

22. Keller, W., and B. L. Gotwols, Two-dimensional optical measurements of wave slope // Appl. Opt., 1983, V.22, P. 3476-3478.

23. Plant, W.J., W.C. Keller, V. Hesany, Т. Нага, E. Bock and M.A. Donelan "Bound waves and Bragg scattering in a wind-wave tank" // JGR, V.104, N0. C2, p.3243-3263, 1999.

24. Нага Т., PlantW.J. Hydrodynamic modulation of short wind-wave spectra by long waves and its measurement using microwave backscatter// J.Geophys.Res. 1994. V.99, C5. P. 9767-9783.

25. W.C. Keller , Plant W.J., Pettit R.A., Terray Jr.E.A. Microwave backscatter from the sea: Modulation of received power and Dopper bandwith by long waves // J.Geophys.Res. 1994. V.99, N.C5. P. 97519766.

26. Lyzenga D., Effects of intermediate-scale waves on radar signatures of ocean fronts and internal waves//J.Geophys. Res. 1998, 103. P 18,759-18,768.

27. Keller, W.C., Wright J.W. Microwave scattering and the straining of wind-generated waves // Radio Sci., 10, 139-147,1975.

28. Troitskaya,Yu.I. Quasi-linear model of modulation of short surface waves riding on a swell wave under the turbulent wind: Preprint of the Institute of Applied Physics N544, Nizhny Novgorod, 2000.30 p.

29. Troitskaya,Yu.I. Modulation of the growth rate of short surface capillary-gravity wind waves by a long wave // J.Fluid Mech. 1994. V.273. P.169-187.

30. Лучинин А.Г., Сергиевская И.А.0 флуктуациях светового поля под взволнованной поверхностью моря // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т. 18, N 8,1982, с.850-858.

31. Лучинин А.Г., Сергиевская И.А. О влиянии поверхностного волнения на цвет моря // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т.22, N 7, 1986, с.773-776.

32. Вебер В.Л., И.А. Сергиевская Эффект усиления обратного рассеяния при аэрокосмическом лазерном зондировании толщи моря через взволнованную поверхность Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т.28, N3, 1992, с.414-420.

33. Вебер В.Л., И.А. Сергиевская Интегральные характеристики эхо-сигнала при аэрокосмическом лазерном зондировании толщи моря через взволнованную поверхность Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, т.29, N3, 1993, с.325-333.

34. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Щегольков Ю.Б. Лабораторные исследования кривизны гравитационно-капиллярных волн конечной амплитуды // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т.ЗЗ. №3. С.394-401.

35. Сергиевская И.А. О влиянии асимметрии коротких ветровых волн на статистические характеристики оптического изображения морской поверхности в рассеянном свете неба //Изв. Вузов, Радиофизика, Т. XLVII, N 7,2004.

36. Sergievskaya I.A., Cascade modulation of short waves due to long waves in slicks. Wave tank experiment // International Symposium Topical problems of nonlinear wave physics in Proc.NWP'03, N.Novgorod, Russia, IAP RAN, 2003, p. 325-326.

37. Sergievskaya I.A., On the influence of parasitic capillary ripples on the sea surface image // International Conference Current Problems of natural waters, in Proc., S.Peterburg, 2003, p. 181-184.

38. Ермаков С.А., И.А. Сергиевская, Щегольков Ю.Б, Лабораторные измерения кривизны гравитационно-капиллярных волн. II, Препринт N 413, Н.Новгород, 1996, 12 с.

39. Сергиевская И.А. О зависимости флуктуаций подводной яркости от глубины погружения приемника и угла визирования, Тезисы докладов Девятого пленума рабочей группы по оптике "Оптика моря и атмосферы", ГОИ, Ленинград, 1984, с.71-72.

40. Бялко А. В. О связи статистических характеристик отраженного и преломленного света со спектром волнения поверхности. // Изв. АН СССР. ФАО, 1975, т. 11, № 6, с. 655-663.

41. Бялко А. В., Межеричер 9. М., Судьбин А. И. Флуктуации подводной освещенности и их связь с волнением поверхности.— В кн.: Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане. М.: Наука, 1975, с. 109—116.

42. Николаев В. П., Прокопов О. И., Рвзенберг Г. В., Шевернев В. И. Статистические характеристики подводной освещенности, // Изв. АН СССР. ФАО, 1972, т. 8, № 9, с. 936-945.

43. Николаев В. П., Якубенко В. Г. О связи статистических характеристик подводного светового ноля с характеристиками волнения. // Изв. АН СССР. ФАО, т. 14, № 1, с. 118-121.

44. Судьбин А. И., Пелевин В. Я., Шифрин К. С. Флуктуации подводной облученности.- В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М.: Наука, 1974, с. 202-213.

45. Шевернев В. И. Статистическая структура поля освещенности под взволнованной границей раздела. // Изв. АН СССР. ФАО, 1973, т. 9, № 6, с. 596-607.

46. Прихач А. С., Иванов А. П., Дик В. П. О влиянии рассеяния света на флуктуации освещенности под взволнованной поверхностью моря. //Докл. АН БССР, 1979, т. 23, № 5, с. 417-420.

47. Городничев Е.Е., Кузовлев А.И., Максимов Г.А., Рогозкин Д.Б., Пространственные флуктуации под морской поверхностью // Изв. АН СССР. ФАО 1993, Т.29

48. Вебер В.Л. О пространственных флуктуациях подводной освещенности // Изв, АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. № 9. С. 953-962.

49. Лучинин А. Г. Влияние ветрового волнения на характеристики светового поля, обратно рассеянного дном и толщей воды. // Изв. АН СССР. ФАО, 1979, т. 15, № 7, с. 770-775.

50. Лучинин А.Г.,Дорофеев Ю.Б. О характеристиках светового потока, дважды прошедшего через взволнованную границу двух сред, в кн. Оптика моря, М. Наука, 1983, с 154-158.

51. Вебер В Л., Лучинин А.Г. О дисперсии флуктуации изображений при наблюдении через взволнованную поверхность // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1983. Т. 19. № 6. С. 631 -638.

52. Вебер В.Л. О статистических характеристиках изображений, полученных при наблюдении через неровную поверхность раздела сред с различным показателем преломления // Изв. вузов. Радиофизика. 1979. Т. 22. № 8. С. 989-1001.

53. Вебер В Л. Статистическая теория явления ореола // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т. 20. № 3. С. 255 262.

54. Якубенко В.Г., Исследования флуктуаций светового поля под взволнованной поверхностью моря, Диссертация на соискание степени к.ф.-м.н., Геленджик, 1981 г.

55. Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Титов В.И., Оптические методы диагностики океана, Дистанционные исследование поверхностного волнения., в сб. Дистанционные методы исследования океана, г. Горький, ИПФ АН СССР, 1987,с. 59-8

56. Лучинин А.Г. Об интерпретации спектров аэрофотографий // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т. 20. № 3. С. 331 334.

57. Бондур В.Г., Воляк К.И. Оптический пространственный спектральный анализ изображений морской поверхности // Тр. ФИАН, 1984, т. 156, с. 63.

58. Титов В.И., Определение спектра волнения моря путем спектрального анализа аэрофотоснимков // Изв. Ан СССР, 1982, т. 18, N 2, С.215-216.

59. Ermakov S.A., Salashin S.G., Panchenko A.R. Film slicks on the sea surface and some mechanisms of their formation//Dyn. Atmos. Oceans. 1992. 16 (3-4). P.279-304.

60. Alpers W. and Huehnerfuss H., The damping of ocean waves by surface films: a new look at an old problem// J.Geophys. Res., 1989, v.94, p.6251-6266.

61. H. Huehnerfuss, A. Gerike, W. Alpers, R. Theis, and V. Wismann, "Classification of sea slicks by multi-frequency radar technique: New chemical insight and their geophysical implications" // J Geophys. Res., vol.99, pp.9835-9845, 1994.

62. Wu J., Suppression of oceanic ripples by surfactant-spectral effects deduced from sun-glitter, wave-staff and microwave measurements // J.Phys. Oceanography, 1989, v. 19, p.238- 245.

63. Cox C. 8., Мипк W. H. Statistics of the sea surface derived from Sun glitter // J. Marine res., 1954, V.13, № 2, p. 198-227.

64. Сох С. 8., Мипк W.H. Measurements of the roughness of the sea surface fron photographs of the sun glitter. // J.Opt. Soc. America, 1954, v. 44, № И, p. 838-850.

65. Долин Л.С. Характеристики ограниченного пучка света в поглощающей среде с узкой индикатрисой рассеяния // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1983. Т. 19, № 4. С. 400-405.

66. Долин Л. С. Автомодельное приближение в теории многократного сильно анизотропного рассеяния света // Докл. АН СССР, 1981, т. 260, № 6, с. 1344—1347.

67. Pierson W.J., L. Moskowitz, A proposed spectral form for fully developed seas based on the similarity theory of S.A. Kitaigorodskii // JGR, 69, 5181-5190, 1964.

68. Apel J.R., An improved model of the ocean surface wave vector spectrum and its effects on radar backscatter//JGR, V.99, N0.C8, p. 16,269-16,291, 1994.

69. Hwang P.A., Spatialmeasurements of small-scale ocean waves // in Proc. of Symp. on Air-Water Gas Transfer, Heidelberg, 1995, p. 154-164.

70. Копелевич O.B. Исследование рассеяния света морской водой. Диссертация на соискание степени к.ф.-м.н.,ИОАН, Москва, 1972.

71. А.Г. Лучинин, В.И. Титов, О возможности дистанционной оптической регистрации параметров внутренних волн по их проявлениям на океанической поверхности // Изв. Ан СССР, 1986, т. 22, N10, С. 1072-1081

72. Виноградов А.Г., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Эффект усиления обратного рассеяния на телах, помещенных в среду со случайными неоднородностями // Изв. вузов. Радиофизика. 1973- Т. 16. №7. С. 1064-1070.

73. Власов Д.В„ Стрельцов В.Н„ Слободянин В.Н. Эффекты двукратного прохождения излучения через взволнованную поверхность при лазерном аэрозондировании океана // Тр. ИОФ АН СССР. 1986. Т. 1.С. 39-59.

74. Лифшиц Г.Ш., Рассеянный свет дневного неба. Алма-Ата: Наука, 1973. 148с.

75. Ermakov S.A., Zujkova Е.М., Panchenko A.R., Salashin S.G., Talipova T.G., Titov V.I. Surface film effect on short wind waves // Dyn. Atmos. Oceans. 1986. V.10. N 1. P.396-400.

76. Ермаков С.А.,Пелиновский Е.Н., Талипова Т.Г. , О влиянии пленок поверхностно-активных веществ на изменения спектров ветрового волнения под действием внутренних волн // Изв.АН СССР, ФАО, 1980, т. 16, N 11, с. 1068-1076.

77. Лазарев А.А., Показеев К.В., Экспериментальные исследования воздействия поверхностно-активных веществ на волны жидкости, ИКИ, препринт, Москва, 1986.

78. Ермаков С.А., Зуйкова Э.М., Салашин С.Г., Трансформация спектров коротких волн в пленочных сликах // Изв. Вузов, ФАО, Т.23, №7, с.707-715.

79. Филлипс O.M., Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат,1980.

80. Кудрявцев В.Н., Физическая модель спектра капиллярно-гравитационной ряби // Мор. гидрофиз. журн. НАН Украины, 1996, №2, с.3-14.

81. Кудрявцев В.Н., Макин В.К. Физическая модель морской поверхности, взаимосвязанной с атмосферным погранслоем, в сб. Приповерхностный слой океана, ИПФ РАН, г. Н.Новгород, 1999, с. 9-34.

82. Kudryavtsev V., Hauser D., Caudal G., Chapron B, A semiempirical model of the normallized radar croaa-section of the sea surface. 1. Background model// J.Geophys.Res., 2003, V.108(C3), p.8054.

83. Kudryavtsev V., Hauser D., Caudal G., Chapron B, A semiempirical model of the normallized radar croaa-section of the sea surface. 2. Radar modulation transfer function// J.Geophys.Res., 2003, V.108(C3), p.8055.

84. Plant W.J., A relationship between wind stress and wave slope // J.Geophys.Res, 1982, V.87, N CI, P.1961-1967.

85. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959.

86. Schooley А.Н. Curvature distributions of wind created water waves //Transactions, American Geophysical Union, 1955, v.36, N2,P.274-278.

87. Wu J. Slope and curvature distributions of wind-disturbed water surface.// J.Opt.Soc.America, 1971, v.61, N 7, P.852-858.

88. Wu J. Directional slope and curvature distributions of wind waves// Fluid Mech, 1977, v.79, part 3, P.463-480.

89. Есипов И.Б., Наугольных K.A., Носов B.H., Пашин С.Ю. Измерение вероятностного распределения радиусов кривизны морской поверхности // Изв.АН СССР. ФАО, 1986, т. 22, N10, С.1115-1117.

90. Nosov V.N., Pashin S.Yu. Statistical characteristics of windcrested sea waves in the gravity and capillary range // Izv. Atmos. Oceanic Physics, 1990, v. 26, P.851-856.

91. Ramamonjarisoa, A., and J. P. Giovanangeli, Observations de la propagation des vagues engendrees par le vent au large, // C.R. Hebd. Seances Acad. Sci., er.B, 1978, V.287, P.133-136.

92. Miller, S.J., O.H.Shemdin. Measurements of the Hydrodynamic Modulation of Centimeter Waves //J.Geophys.Res. 1991. V.96, N.C2. P.2749-2759.

93. Wu, J. Viscous Sublayer Below a Wind-Disturbed Water Surface // J.Phys.Oceanography. 1984. V.14. P.138-144

94. Mitsuyasu H., Honda T. Wind-induced growth of water waves // J.Fluid Mech. 1982. V.123. P.425-442. (FA004)

95. Бочков Г.Н., Горохов K.B., Ермаков С.А., Коннов И.Р., Щегольков Ю.Б., // Биспектральный анализ регулярных и ветровых волн гравитационно-капиллярного диапазона,

96. Жидко Ю.М., Калмыков А.И., Каневский М.Б., Пичугин А.П., Цимбал В.Н. Радиолокационное зондирование океана, в сб. Дистанционные методы исследования океана, г. Горький, ИПФ АН СССР, 1987,с.5-33

97. Каневский М.Б., Теория формирования радиолокационного изображения поверхности океана, ИПФ РАН, Н. Новгород, 2004, 122 с.

98. Plant W.J., A stochastic, multiscale model of microwave backscatter from the ocean, 2001.

99. Hughes B.A., Grant H.L, The effect of internal waves on surface wind waves. 1. Experimental measurements. Hughes B.A. The effect of internal waves on surface wind waves. 2. Theoretical analysis // J.Geophys.Res. 1978. V.83, NCI. P. 443-454,455-469.

100. Ermakov S.A., Kijashko S.V., Scott J.C. Laboratory study of the damping of parametric ripples in the presence of surfactant films: Preprint of IAP N545. N. Novgorod. 2000. 17 p.

101. Fingas M., Brown C. Remote sensing of oil spills // Sea Technology. 1997. V.38. N9. P. 37-46.

102. Melsheimer C., Kwoh L.K., Sun glitter in spot images and the visibility of oceanic phenomena// Proceeding of 22nd Saian Conference on Remote Sensing, 2001, Center for remote imaging, sensing and processing (CRISP).

103. Plass G.N., Kattawar G.W., Guinn J.A., Radiance distribution over a ruffled sea: contributions from glitter, sky, and ocean // Applied Optics, V.15, N.12, 1976.

Информация о работе

Сергиевская, Ирина Андреевна
кандидата физико-математических наук
Нижний Новгород, 2004
ВАК 25.00.29

Диссертация

Исследование мелкомасштабного ветрового волнения и его влияния на статистические характеристики световых полей - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы