Тема ОКЕАН. Физические основы космического дистанционного
зондирования поверхности Океана в микроволновом диапазоне. Гос. Регистрация №
0120.0 602987
Научный
руководитель темы: д.ф.-м.н., профессор
Е.А. Шарков.
В рамках темы ОКЕАН продолжалось
экспериментальное исследование и адекватное теоретическое
описание зарождения и развития динамических и волновых явлений на морской
поверхности и в приводном слое атмосферы
на основе данных спутникового дистанционного зондирования. Выработка
комплексного подхода к использованию спутниковой информации, включающей
радиолокационные, оптические и ИК изображения.
Внутренние волны
в неприливных морях: спутниковые наблюдения и контактные измерения
На основе анализа спутниковых данных радиолокатора с синтезированной апертурой ASAR ИСЗ Envisat и сканирующего радиометра ETM + ИСЗ Landsat-7 выявлены поверхностные проявления внутренних волн неприливного происхождения в Черном и Каспийском морях. Восстановлены их основные пространственно-временные характеристики и локализованы районы их зарождения. Отмечено наличие сезонной и межгодовой изменчивости волновой активности. Рассмотрены основные процессы, ведущие к генерации интенсивных внутренних волн в бесприливных морях. Показано, что наиболее значительными источниками генерации таких волн могут служить: локальные гидрологические фронты сгонно-нагонного происхождения, движущиеся поверхностные интрузии распресненных прибрежных вод и внутренние сейши, выходящие на шельф. Совместный анализ результатов многолетних контактных измерений в Черном и Каспийском морях и данных дистанционного зондирования показал широкое распространение эффектов нелинейности во внутренних волнах бесприливного моря.
Лаврова О. Ю., канд. физ.-мат. наук, 333-42-56, olavrova@iki.rssi.ru
Митягина М. И., канд. физ.-мат. наук, 333-21-78, mityag@iki.rssi.ru
Сабинин К. Д., доктор физ.- мат.
наук, 333-42-56, ksabinin@yandex.ru
Серебряный А. Н. доктор физ.- мат.
наук, 333-42-56, serebryany@hotmail.com
Литература
Лаврова О. Ю.,
Митягина
М. И., Сабинин К. Д. Проявление
внутренних волн на морской поверхности в северо-восточной части Черного моря //
Исслед. Земли из космоса. 2009. № 6. С. 49–55: ил., цв. ил.
Mityagina M., Lavrova O. Surface manifestations of
non-tidal internal waves in the North-Eastern Black Sea as viewed by satellite
sensors // 2009 IEEE Inter. Geoscience & Remote Sensing Symp.
Lavrova O. Y., Mityagina M. I., Serebryany A.N. Oceanic and atmospheric
internal waves in non-tidal seas: radar observation and contact measurements //
SPIE Europe Remote Sensing Conf. 31 Aug. –
Лаврова О. Ю., Митягина М. И., Сабинин К. Д. Спутниковые наблюдения в Каспийском море внутренних волн, вызванных сейшами // 7-я открытая Всерос. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН, Москва, 16–20 нояб. 2009: Тез. докл. конф. (Электрон. ресурс). М.: ИКИ РАН, 2009. C. 203.
Митягина М. И., Лаврова О. Ю. Особенности генерации и распространения внутренних волн в различных морях неприливного типа по данным спутниковых наблюдений // 7-я открытая Всерос. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН, Москва, 16–20 нояб. 2009: Тез. докл. конф. (Электрон. ресурс). М.: ИКИ РАН, 2009. C. 209.
Серебряный А.Н. О внутренних волнах неприливного происхождения // 7-я открытая Всерос. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН, Москва, 16–20 нояб. 2009: Тез. докл. конф. (Электрон. ресурс). М.: ИКИ РАН, 2009. C. 218.
Мелкомасштабные вихревые процессы в северо-восточной части Черного моря
Проведен совместный анализ радиолокационных изображений морской поверхности высокого разрешения, получаемых с помощью спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой Envisat ASAR и ERS-2 SAR, также данных сенсоров MODIS Aqua/Terra и AVHRR NOAA в оптическом и инфракрасном диапазонах. На основе совокупность данных дистанционного зондирования выявлены особенности прибрежной циркуляции вод и пространственно-временные характеристики субмезомасштабных вихревых процессов в прибрежной зоне Черного моря.
Влияние огромного числа факторов и разнообразие условий в
реальном океане определяют неизбежную фрагментарность сведений о процессах
формирования, развития и распространения вихрей малых масштабов. Вихри малых
масштабов достаточно сложны для исследования традиционными методами в силу ряда
причин, к которым следует отнести их малые размеры, нестационарность,
спонтанность появления и малое время жизни. По данным спутниковой радиолокации
выявлено, что в прибрежной зоне наблюдается множество мелких спиралевидных преимущественно циклонических
вихрей
с размерами, зачастую не превосходящими 10 км, и временем жизни от нескольких часов до
нескольких суток.
Сделаны предположения о возможных механизмах их формирования. Предположительно
возникновение субмезомасштабных вихрей связано с наличием
сдвигов скорости на периферии прибрежного вдольберегового течения и ветровым
воздействием. Установлено наличие сезонной изменчивости вихревых движений в
прибрежной зоне северо-восточной части Черного моря.
Митягина М. И., канд. физ.-мат. наук, 333-21-78, mityag@iki.rssi.ru
Лаврова О. Ю., канд. физ.-мат. наук, 333-42-56, olavrova@iki.rssi.ru
Каримова С. С., 333-42-56, feba@list.ru
Литература
Митягина М. И., Лаврова О. Ю. Спутниковые наблюдения вихревых и волновых процессов в прибрежной зоне северо-восточной части Черного моря // Исслед. Земли из космоса. 2009. № 5. С. 72–79.
Каримова С. С. Мезомасштабные
вихри в северо-восточной части Черного моря: совместный анализ данных
спутниковых и контактных наблюдений // Соврем. проблемы дистанц.
зондирования Земли из космоса: физ. основы, методы и технологии мониторинга
окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов: Сб. науч. ст. Вып. 6. М.:
Азбука-2000, 2009. Т. 1. С. 493–499.
Костяной А. Г., Гинзбург А. И., Шеремет Н. А., Лаврова О. Ю., Митягина М. И. Мелкомасштабные вихри Черного моря // 7-я открытая Всерос. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН, Москва, 16–20 нояб. 2009: Тез. докл. конф. (Электрон. ресурс). М.: ИКИ РАН, 2009. C. 201.
Каримова С.С. Статистический анализ мезомасштабных элементов циркуляции черного моря по данным оптического дистанционного зондирования // 6-я Конф. молодых ученых «Фундаментальные и прикладные космические исследования». ИКИ РАН, Москва, 09–10 апр. 2009: Тез. докл. С. 23.
Оперативный
спутниковый мониторинг состояния вод и загрязнений Черного, Азовского,
Балтийского и Каспийского морей в феврале – ноябре 2009 года
На основе данных спутникового дистанционного зондирования в микроволновом и оптическом диапазонах проведен мониторинг состояния и загрязнения акваторий Черного, Азовского, Балтийского и Каспийского морей. Было принято и обработано более 600 радиолокационных изображений Envisat ASAR и ERS-2 SAR, а также более 100 оптических изображений MODIS Terra/Aqua, MERIS Envisat и Landsat ETM+. Анализ полученных данных позволил выявить основные элементы циркуляции вод в исследуемых морях, выявить основные источники загрязнений водной среды и районы подвергшиеся наибольшим антропогенным загрязнениям. Результаты мониторинга показывают, что в Черном море наиболее часто несанкционированный сброс с судов вод, содержащих нефтепродукты, происходит в северо-западной части моря. В российской акватории по-прежнему наибольшему загрязнению подвергается акватория в районе порта Новороссийск. В то же время, заметно меньше незаконных сбросов с судов выявлено в Керченском проливе, к которому после аварии танкера в ноябре 2007 г. было приковано пристальное внимание общественности и контролирующих организаций. За четыре года спутниковых наблюдений в российском секторе Черноморского бассейна было выявлено 228 случая загрязнений морской поверхности нефтепродуктами в результате судовых сбросов. Индивидуальная площадь пятен варьировалась в пределах от 0,1 до 30 км2. Совокупная площадь загрязнений, содержащих нефтепродукты, составила более 800 км2. Систематизация спутниковых данных по загрязнению Черного моря нефтепродуктами, сброшенными с проходящих судов, позволила выявить районы наиболее частого сброса вдоль судоходных трасс в п. Новороссийск и п. Туапсе, а также на подходе к нефтяному терминалу мыс Железный Рог и в районе Керченского пролива.
Обобщенная карта-схема наиболее значительных нефтяных
загрязнений российского сектора Черного моря, составленная на основе
дешифрирования данных спутниковой радиолокации высокого разрешения, полученных
в 2006–2009 гг.
В Каспийском море основным источником загрязнений являются нефтедобывающие платформы в районе Нефтяных Камней. Ежедневно в воду попадает несколько сот тонн нефти. Проведен сравнительный анализ спутниковых данных, полученных в 2003 г. а также в период с 2006 по 2009 г., который показал, что ситуация за последние годы не улучшилась.
В Балтийском море, вследствие контроля различных организаций за экологическим состоянием вод, загрязнения вдоль основных судоходных трасс значительно уменьшились. Наибольшему загрязнению подвергается район, прилегающий к порту Балтийск.
Лаврова О. Ю., канд. физ.-мат. наук, 333-42-56, olavrova@iki.rssi.ru
Митягина М. И., канд. физ.-мат. наук, 333-21-78, mityag@iki.rssi.ru
Бочарова Т. Ю., 333-31-00, tabo@iki.rssi.ru
Каримова С. С., 333-42-56, feba@list.ru
Литература
Бедрицкий А. И., Асмус В. В., Кровотынцев В. А., Лаврова О. Ю., Островский А. Г. Космический мониторинг загрязнения российского сектора Азово-Черноморского бассейна в 2008 г. // Метеорология и гидрология. 2009. № 3. С. 5–19.
Лаврова О., Митягина М. Мониторинг российских морей. Как спутники помогают бороться с загрязнениями в прибрежной зоне // Рос. космос. 2009. № 5. С. 38–43.
Костяной А. Г., Лаврова О. Ю., Митягина М. И. Комплексный спутниковый мониторинг нефтяного загрязнения морей России // Проблемы экологич. мониторинга и моделирования экосистем / Под ред. Израэля Ю. А. M.: ИГКЭ, 2009. Т. 22. С. 235–266.
Лаврова О. Ю., Бочарова Т. Ю., Митягина М. И., Строчков А. Я. Спутниковый мониторинг последствий катастрофического разлива нефтепродуктов в Керченском проливе // Соврем. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса: физ. основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов: Сб. науч. ст. Вып. 6. М.: Азбука-2000, 2009. Т. 1. С. 409–420.
Микроволновая диагностика состояния морской
поверхности, возмущаемой подводным потоком газовой мелкодисперсной среды
Проведены лабораторные и натурные радиофизические исследования для выявления связи параметров собственного и рассеянного микроволнового излучения (радиолокационных и радиометрических контрастов, доплеровских спектров) с биофизическими характеристиками поверхностной плёнки, образованной микроводорослями фитопланктона (концентрация биомассы, её видовой состав, поверхностное натяжение). На основе экспериментальных данных определены условия образования плёнки фитопланктона на морской поверхности под действием всплывающих мелкодисперсных газовых пузырьков и исследована динамика её развития.
Показано:
1. Контрасты сигналов отражённых от водной поверхности, покрытой плёнкой, при концентрации микроводорослей фитопланктона в приповерхностном слое воды 0,132…0,164 мгС/л достигают 7,5…8,0 дБ и снижаются до фоновых значений при уменьшении концентрации биомассы до 0,012…0,015 мгС/л.
2. Подводный поток
мелких газовых пузырьков увеличивает концентрацию клеток фитопланктона в приповерхностном
слое воды, что в свою очередь приводит к заметному гашению капиллярных волн на
поверхности и изменению характеристик отражённых сигналов. При этом динамика
образования и развития пленки зависит от видового состава и структуры биомассы.
Так для образующего хлопья биомассы детрита скорость образования пленки под
действием мелких пузырьков в несколько раз меньше, чем для живой культуры.
3. Мощность
отраженного сигнала и сдвиг доплеровских частот зависят только от концентрации
биомассы фитопланктона в приповерхностном слое воды. При этом форма и размеры
клеток не оказывали заметного влияния на исследуемые характеристики
4. Уменьшение коэффициента поверхностного натяжения водной поверхности составило 10…12 % при образовании плёнки содержащей живую культуру фитопланктона и 3…5 % при экспериментах с мёртвой культурой (детритом).
Литература
Скворцов Е. И., Раев М. Д., Булатов М. Г., Шарков Е. А., Силкин В. А. Дистанционное зондирование скоплений фитопланктона на морской поверхности в микроволновом диапазоне // Соврем. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса: физ. основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов: Сб. науч. ст. Вып. 6. М.: Азбука-2000, 2009. Т. 1. С. 465–469.
Скворцов Е. И., Раев М. Д., Силкин В. А. Радиофизические дистанционные наблюдения эволюции
плёнки фитопланктона, образованной потоком всплывающих газовых пузырьков // 7-я
открытая Всерос. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования
Земли из космоса». ИКИ РАН, Москва, 16–20 нояб.
2009: Тез. докл. конф. (Электрон.
ресурс). М.: ИКИ РАН, 2009. C. 219.
Ответственные исполнители: канд.
физ.-мат. наук Раев М. Д.,
канд. физ.-мат. наук Скворцов Е. И.
Микроволновые исследования нелинейной динамики
морских волн
Модернизация комплекса радиолокационной
станции
Работы велись по следующим основным направлениям:
1. Продолжена модернизация двухполяризационного радиолокатора (длина волны 3 см). Для повышения динамического диапазона в составе радиолокатора использован разработанный в ИКИ 16-разрядный АЦП со временем выборки 10 нс. Создан новый пакет программ для построения и тематической обработки радиолокационных изображений. В результате модернизации радиолокатора в натурном эксперименте удалось обнаружить малоконтрастную аномалию, предположительно связанную с неоднородностью рельефа морского дна.
2. Проведены натурные эксперименты с совместной синхронной видео и радиолокационной съемкой морской поверхности, в ходе которых отрабатывалась методика измерений и пакет программ обработки полученных результатов.
3. Продолжены поиски и исследования новых критериев учета вклада небрэгговского рассеяния волн промежуточных масштабов (3 м и менее) для адекватного описания обратного рассеяния электромагнитных волн на настильных углах. Было показано, что одним из таких критериев могут служить явные различия в характере, полученных в ходе натурных экспериментов, динамических характеристик рассеивателей (распределения по скоростям и «времени жизни»), проявившихся при разных поляризациях и метеоусловиях.
4. Основные экспериментальные исследования по перечисленным выше направлениям были проведены в Июне и сентябре – октябре 2009 г. на базе Южного отделения Учреждения Российской академии наук Институт океанологии РАН. В настоящее время производится дальнейшая обработка полученных данных.
Литература
Kravtsov Yu., Raev M. D., Skvortsov E. I. Detection of Breaking Sea Waves by High Resolution radar IKI-2M // Proc. 13th Intern. Scientific and Technical Conf. on Marine
Traffic Engineering,
Kravtsov Yu. A., Raev M. D., Skvortsov E. I. Manifestations of
the resonant (Bragg) and non-resonant mechanisms of scattering on radar images
of the sea surface // Intern. Radar Symposium’09,
Ответственные исполнители канд. физ.-мат.
наук Скворцов Е. И.,
канд. физ.-мат. наук Раев М. Д., д-р физ.-мат. наук Косов А. С.
Теоретические, экспериментальные и
лабораторные исследования морской поверхности с помощью микроволновой
радиометрии
В рамках выполнения работ по данному направлению продолжалась обработка и анализ данных натурных международных экспериментов CAPMOS’05 (Combined Active/Passive Microwave Measurements of Wind Waves for Global Ocean Salinity Monitoring) и CAPMOS’07. Одним из основных направлений этих экспериментов являлась апробация разработанной методики восстановления параметров спектра гравитационно-капиллярного волнения (ГКВ) с помощью метода нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии (НРРС) на основе угловых измерений (комплекс «Траверс») яркостной температуры морской поверхности.
Новая серия комплексных измерений была выполнена в октябре
2009 г. на полигоне Экспериментального отделения Морского гидрофизического
института Национальной академии наук Украины вблизи п. Кацивели у южного
побережья Крыма. На этом полигоне расположена океанографическая платформа,
которая была установленная в 1980 г. для проведения комплексных
гидрофизических экспериментов и подспутниковых
измерений и в настоящее время являющаяся единственной действующей
научно-исследовательской платформой на территории бывшего СССР. Уникальность
этой платформы состоит в том, что она расположена на удалении около 500 м
от береговой черты на глубине около 30 м, что позволяет проводить
долговременные измерения в условиях глубокой воды, причем при господствующих
ветрах восточного и западного направлений, не говоря уже о южном ветре со стороны
открытого моря, обеспечивается достаточный разгон ветровых волн и условия
развитого волнения.
Платформа (рис. 1) имеет несколько рабочих уровней. На
нижней палубе на высоте 4 м над морской поверхностью размещается научная
аппаратура. На основной палубе площадью 25×25 м на высоте 12 м
над поверхностью расположены научные лаборатории, жилые каюты и прочие бытовые
и служебные помещения. Энергоснабжение осуществляется с берега по кабелю, что
позволяет производить измерения круглосуточно практически неограниченным
составом аппаратуры, как в присутствии операторов, так и в автоматическом
режиме. Доставка аппаратуры и персонала на платформу осуществляется с помощью
катера при волнении не более 3 баллов. В целом можно отметить, что во всем
мире количество подобных научно-исследовательских сооружений невелико, и для
проведения подспутниковых измерений они представляют
большую ценность, поскольку дешевле в эксплуатации, чем
научно-исследовательские суда, обеспечивают возможность проведения
долговременных измерений, и, что особенно ценно для радиометрических измерений,
отсутствует качка. Последние два года на платформе осуществляется реконструкция
стальных опор и модернизируется общая инфраструктура, таким образом платформа
«Кацивели» в самое ближайшее время станет полноценным полигоном для
международных гидрографических и подспутниковых
экспериментов.
В состав научной аппаратуры, задействованной в экспериментах, входил многочастотный радиометрический комплекс и аппаратура для контактных гидрометеорологических измерений. Характеристики волнения измерялись струнным волнографом, температура воды на глубине 1 м измерялась термисторным датчиком. Температура и соленость воды в поверхностном слое измерялась CTD-зондом. Метеорологический комплекс обеспечивал измерение атмосферного давления, температуры и относительной влажности воздуха, а также трех компонент скорости ветра с помощью акустических анемометров. Измерения температуры и вектора скорости ветра осуществлялись на уровне 21 м над поверхностью воды.
Рис. 1.
Океанографическая платформа ЭО МГИ
НАНУ
Рис. 2.
Радиометрический сканирующий комплекс
«Траверс»
Радиометрический комплекс состоял из радиометра теплового инфракрасного диапазона Р-ИК и набора микроволновых радиометров с рабочими частотами от 20 до 89 ГГц (что соответствует длинам волн от 1,5 см до 3 мм). Все радиометры, а также видеокамера для регистрации изображений поверхности, были закреплены на автоматической поворотной платформе, обеспечивающей вращение по азимуту в диапазоне углов около 300° и по углу места от надира до зенита (рис. 2). Поворотная платформа была установлена на нижней палубе с мористой (южной) стороны на конце четырехметрового выноса, служащего для уменьшения влияния переотраженного от конструкций теплового радиоизлучения; на этом же выносе был закреплен струнный волнограф.
Измерения проводились в непрерывном режиме 24 ч в
сутки. Данные регистрировались с частотой 3 Гц (компоненты скорости ветра
и пульсации температуры воздуха — 20 Гц) на персональном компьютере, с
помощью которого также осуществлялось управление поворотной платформой с
радиометрами. Программно можно было задать любой алгоритм вращения. Основной
алгоритм состоял в сканировании снизу вверх и обратно со скоростью 0,2 об./мин
в диапазоне углов от 20 до 153° по отношению к надиру на шести последовательных
азимутальных углах, через каждые 36°, и затем возврат на исходный азимутальный
угол. Обратный азимутальный скан осуществлялся при фиксированном угле места
порядка 65–70° от надира. Общая продолжительность такого цикла составляла
порядка 25 мин. Таким образом, в различных азимутальных направлениях
измерялась радиояркостная температура морской
поверхности на углах от близких к надиру до горизонта, и затем — радиояркостная температура атмосферы от горизонта почти до
зенита. Обратный скан дает возможность оценить величину азимутальной
анизотропии радиотеплового излучения морской поверхности.
Одной из основных задач, решаемых в ходе упомянутых
экспериментов, была отработка алгоритма восстановления параметров спектра
ветровых волн из дистанционных измерений в микроволновом диапазоне. Для
восстановления спектра кривизны гравитационно-капиллярных волн использовался
оригинальный алгоритм, основанный на угловых радиометрических измерениях.
В марте 2009 г. был проведен лабораторный эксперимент
по изучению холодной пленки на поверхности воды. Измерения проводились
совместно сотрудниками Института физики атмосферы РАН и Института космических
исследований РАН. В ходе эксперимента проводились одновременные измерения
температуры холодной пленки, возникающей на поверхности остывающего объема
воды, помещенного в кювету размером примерно 0,5×0,5×0,3 м, и
температуры воды внутри этого объема. Измерения проводились как в условиях
свободной конвекции, так и в случае вынужденной конвекции при наличии обдува.
Измерения температуры в поверхностном слое воды проводились
с помощью радиометра инфракрасного диапазона Р-ИК диапазона 8…12 мкм и
микроволнового радиометра Р-15 с рабочей частотой 20 ГГц (что
соответствует длине волны 15 мм). Основные характеристики радиометров
приведены в табл. 1.
Таблица 1.
Характеристики радиометров
|
Прибор |
Диапазон длин волн |
Поляризация |
Ширина луча, град. |
Чувствительность, K |
|
Р-ИК |
8…12 мкм |
– |
1 |
0,1 |
|
Р-15 |
15 мм |
В, Г, ±45° |
9 |
0,15 |
Регистрация данных проводилась с помощью системы сбора информации на базе персонального компьютера. Измерения температуры воды внутри кюветы проводилось с помощью термодатчиков, представляющих собой термометры сопротивления, помещенные на глубину порядка 10 см. Обдув кюветы осуществлялся с помощью вентилятора, устанавливавшегося на различном расстоянии от кюветы. Для измерения скорости ветра использовался акустический анемометр WindSonic фирмы Gill. Одновременно измерялась температура воздуха.
Измерение температуры воды одновременно в ИК и СВЧ-диапазоне позволяет оценить температурный градиент в поверхностном слое воды (Волков Ю. А., Кузьмин А. В., Репина И. А., Трохимовский Ю. Г. Радиометрические исследования температурного режима поверхности воды в лабораторных условиях // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. № 1. С. 33–52). Дело в том, что ИК-излучение формируется в очень тонком слое на поверхности воды, толщина этого слоя составляет около одного микрона. СВЧ-излучение, с другой стороны, исходящее от водной поверхности, формируется в слое, имеющем толщину порядка 1 мм. Таким образом, температура, измеряемая в ИК диапазоне, соответствует температуре на поверхности холодной пленки, в то время как температура в СВЧ-диапазоне соответствует температуре слоя воды, включающего в себя слой холодной пленки и часть нижележащего слоя. Измерение температуры воды контактным термодатчиком позволяет, зная температуру поверхности в ИК-диапазоне, вычислить величину ΔTskin, которая будет представлять собой разность температуры воды в ИК-диапазоне и показаний контактного термодатчика.
На рис. 3 изображен ход во времени разности температуры вода-воздух, где в качестве температуры воды брались значения температуры, полученной в ИК-, СВЧ-диапазонах и с помощью термометров сопротивления на глубине 10 см. В начальный момент времени температура воды составляла около 33 °С, после чего наблюдалось ее постепенное остывание. При этом разница температуры воды и воздуха в начальный момент была порядка 10 °С. На верхних графиках показан пример свободной конвекции, то есть остывание воды происходило без обдува. Левый график соответствует пресной воде, а правый – соленой воде с соленостью 18 ppm. Черная линия на графиках соответствует сглаженным данным канала микроволнового радиометра Р-15. На нижних графиках приведена ситуация вынужденной конвекции, соответственно для пресной и соленой воды. На протяжении этого периода измерений кювета обдувалась вентилятором, и средняя скорость ветра составила 1,1 м/с. Возникающего при такой скорости ветра напряжения трения на поверхности воды недостаточно для того, чтобы вызвать перемешивание, способное привести к истончению или разрушению холодной поверхностной пленки. Вместе с тем, по сравнению с условиями свободной конвекции при скорости ветра 1,1 м/с поток скрытого тепла существенно увеличивается, что приводит к увеличению градиента температуры внутри пленки.
Анализируя рис. 3 можно сказать, что температура воды в ИК-диапазоне на протяжении всего рассматриваемого периода ниже, чем температура в СВЧ-диапазоне. При отсутствии обдува теплая вода поднимается вверх и температура контактного датчика ниже, чем температура микроволнового и ИК-датчика, что хорошо видно на верхних рисунках.
Ситуация резко меняется при наличии обдува. Появляется устойчивая холодная пленка. Средняя разность температуры в ИК-диапазоне и температуры в СВЧ-диапазоне за этот период составила –1,77 °С, а средняя разность между температурой в ИК-диапазоне и контактным термодатчиком составила –1,7 °С. Последняя величина представляет собой не что иное, как величину ΔTskin, то есть разность температуры холодной пленки и температуры воды на некоторой глубине. Полученное в лабораторном эксперименте значение ΔTskin несколько превышает значения ΔTskin в натурных экспериментах, хотя все авторы отмечают, что при слабых ветрах в отсутствие радиационного прогрева наблюдается увеличение ΔTskin по модулю.
В ходе эксперимента были проведены еще несколько серий измерений, продолжительностью порядка 20 мин каждая, в ходе которых были получены аналогичные результаты, представленные в табл. 2.
Таблица 2
|
Средняя скорость ветра, м/с |
1,1 |
1,4 |
1,4 |
|
TIR – Twater, °С |
–1,7 |
–1,76 |
–2,22 |
|
TIR – Tmirowave, °C |
–1,77 |
–1,86 |
–1,74 |
Видно, что во всех сериях измерений при небольшой скорости ветра разница температуры холодной пленки и нижележащих слоев воды достигала значений –1,5…–2,0 оС. Причем наличие холодной пленки отмечалось при наличии обдува на протяжении всего периода измерений, что говорит о том, что пленка является устойчивой во времени структурой.
Рис. 3.
Зависимости во времени разности
температуры вода-воздух, где температуры воды измерялась в ИК-(оранжевая
кривая), в СВЧ-диапазоне (сиреневая кривая) и с
помощью термометров сопротивления на глубине 10 см (голубая кривая). На верхних графиках показан
пример свободной конвекции, то есть остывание воды происходило без обдува.
Левый график соответствует пресной воде, а правый — соленой воде с соленостью
18 ppm. Черная линия на
графиках соответствует сглаженным данным микроволнового радиометра Р-15. На
нижних графиках приведена ситуация вынужденной конвекции, соответственно для
пресной и соленой воды. На протяжении этого периода измерений кювета обдувалась
вентилятором со средняя скоростью ветра 1,1 м/с.
Эксперименты по выяснению природы особенностей потоков тепла в верхнем слое океана необходимы для создания методов определения потоков дистанционными средствами. А учет наличия холодной пленки на поверхности воды нужен для повышения точности определения температуры воды дистанционными аэрокосмическими методами.
Продолжается проект РФФИ № 08-05-00890 «Исследование пространственных спектров гравитационно-капиллярных волн методом нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии» (руководитель канд. физ.-мат. наук Кузьмин А. В.). В рамках выполнения этого проекта проведены работы по моделированию восстановления спектра гравитационно-капиллярного волнения методом НРРС с целью совершенствования алгоритма решения обратной задачи. Проведена обработка данных натурного эксперимента на Черном море CAPMOS’07, проведенного летом 2007 г. на морской платформе в Черном море близ п. Кацивели, по исследованию параметров двумерного пространственного спектра гравитационно-капиллярных волн на поверхности моря методом НРРС. Проведена подготовка к экспериментальным работам на морской платформе. В октябре 2009 г. проведены эксперименты на морской гидрофизической платформе «Кацивели» близ южной оконечности полуострова Крым. Получены комплексные микроволновые радиометрические и метеорологические данные для построения спектров гравитационно-капиллярных волн методом нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии.
Начат проект РФФИ № 09-02-00780 «СВЧ-радиополяриметрия
в дистанционных исследованиях взаимодействия океана и атмосферы» (руководитель канд. физ.-мат. наук Поспелов М. Н.).
Выполнялся расчет переноса частично поляризованного электромагнитного
излучения в системе морская поверхность – атмосфера – осадки. При расчёте
излучения использовалась двухмасштабная азимутально
анизотропная модель морской поверхности. Проводились экспериментальные
измерения частично поляризованного излучения морской поверхности и атмосферы в
широком диапазоне частот (от 18 до 94 ГГц) и углов (от надира до зенита)
зондирования. Измерения проводились с помощью разработанного в ИКИ РАН
комплекса радиометров на океанографической платформе вблизи южного побережья
Крыма, п. Кацивели.
Зав. лаб. , к.ф.-м.н. Кузьмин, старший науч. сотр. , к.ф.-м. н. Поспелов М.Н.
Подготовка и проведение лабораторных и
натурных экспериментов
Продолжались экспериментальные исследования в рамках проекта РФФИ № 08-02-00057а «Исследования собственного и рассеянного микроволнового излучения микрослоя океана, формируемого микроорганизмами, выносимыми на поверхность пузырьками газа» (Руководитель канд. физ.-мат. наук Раев М. Д.).
Ответственные исполнители: Комарова Н. Ю., канд. физ.-мат. наук Скворцов Е. И., Беляков Г. И., канд. физ.-мат. наук Раев М. Д.
Издание
монографии
Шаркова Е. А. Обрушающиеся морские
волны: структура, геометрия, электродинамика. Москва. Издательство «Научный
мир», 2009, 303 с.
Настоящая монография
представляет собой первое в русскоязычной научной литературе детальное
аналитическое описание состояния дистанционных исследований (в оптическом и
микроволновом диапазонах электромагнитных волн) одного из важнейших нелинейных
элементов динамики морского волнения — процесса обрушения гравитационных волн и
последующих за ним эволюции и динамики дисперсных пенных систем различных
классов и капельно-брызговой фазы. Рассмотрены вопросы методологии
многомасштабных оптических и микроволновых дистанционных измерений; описаны
методики изучения индивидуальных обрушений, а также методики изучения
мезомасштабных точечных дискретных случайных полей обрушений; а также результаты
полевых натурных исследований. В книге рассмотрены достоинства и ограничения
различных дистанционных комплексов для выявления пространственно- временных
особенностей полей обрушения гравитационных волн и дисперсных систем с
аэроносителей различных классов. Детально описаны в книге последние
экспериментальные и теоретические
достижения электродинамики излучения и рассеяния электромагнитных волн
полидисперсными плотноупакованными полиэдральными системами и концентрированными
потоками водных сферических частиц. Монография является обобщением и развитием
научно-исследовательских работ, выполненных в рамках проектов РФФИ № 05-02-16384-а,
05-05-64451-а, 05-05-08033-офи, 05-05-79113к, 05-02-31011к, 06-05-64600, а
также в рамках Программы фундаментальных исследований РАН ОФН-13.
Книга предназначена
для специалистов, занимающихся проблемами дистанционной диагностики
океанической поверхности, трансформацией нелинейных волновых процессов в
различных физических средах, а также интересующихся собственным излучением и
рассеянием электромагнитных волн различных диапазонов сложными полидисперсными
системами. Книга может быть использована студентами и аспирантами.
Издание осуществлено
при финансовой поддержке РФФИ, проект № 09-05-07021д.