Тема
ОКЕАН Физические
основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в
микроволновом диапазоне.
(Гос. Регистрация № 01.20.0200163)
Научный руководитель д.ф.-м.н.,
профессор Е. А.Шарков.
1. Исследование
механизмов генерации поверхностных проявлений внутренних волн в
северо-восточной части Черного моря ( пп. Плана 2008г. 4.2.1, 4.2.2, 4.2.6)
В ходе проведения спутникового мониторинга состояния и загрязнения вод прибрежной акватории российского сектора Азовского и Черного морей в 2006-2008 гг. были идентифицированы поверхностные проявления цугов внутренних волн на радиолокационных изображениях морской поверхности в северо-восточной части Черного моря. Определены районы их зарождения и выявлены факторы, приводящие к их генерации. Результаты совместного анализа данных спутниковой радиолокации и ИК сенсоров, свидетельствуют о том, что все зарегистрированные поверхностные проявления внутренних волн локализованы вблизи границы вихря или гидрологического фронта, что позволяет говорить о фронтальном механизме генерации внутренних волн. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что волны излучаются нестационарным фронтом (движущимся и/или подверженным инерционным колебаниям), связанным с прохождением холодного вихря. Выявлена связь между встречаемостью поверхностных проявлений пакетов внутренних волн в неприливном море и положением слоя скачка плотности. Показано, что для бесприливных морей сочетание двух условий – резкого и мелкого пикноклина и присутствия движущегося фронта, колеблющегося с инерционной частотой, может являться источником внутренних волн, проявляющихся в радиолокационных изображениях морской поверхности.
а)
Поле поверхностной температуры, восстано-вленное из данных AVHRR NOAA от 11.07.06 в 14:40 UTC; б) радиолокационные образы
поверхностных проявлений пакета вну-тренних волн, выявленные на РЛИ ASAR Envisat, полученном в
19:19 UTC.
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
О.Ю. Лаврова, М.И. Митягина, К.Д. Сабинин Возможные механизмы генерации внутренних волн в северо-восточной части Черного моря. В сборнике: Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Выпуск 5. Том 2. М. Азбука-2000, 2008, с. 128-136.
Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Сабинин К.Д. Фронтальный механизм генерации внутренних волн в неприливных морях. Тезисы Шестой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва, 10–14 ноября, 2008, с.196, 2008.
Olga Lavrova, Konstantin Sabinin. Surface Manifestations of Internal
Soliton Trains in Non-Tidal Seas. The third US/EU-Baltic International Symposium:
Ocean Observations, Ecosystem-Based Management & Forecasting. (May
27-29) 2008,
2. Вихревые процессы в шельфовой зоне Черного моря
На основе совместного анализа данных спутникового дистанционного зондирования в микроволновом, видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра, полученных в северо-восточной части Черного моря в 2006 - 2008 гг. удалось восстановить картину гидродинамических явлений и процессов и выявить особенности и закономерности прибрежной циркуляции в северо-восточной части Черного моря и в Керченском проливе. Большой объем данных позволил провести обобщения и получить некоторые статистические результаты о возникновении и развитии мелкомасштабных вихревых структур. Выявлено наличие сезонной изменчивости их проявления. Проанализированы основные отличительные особенности развития и проявления мелкомасштабной вихревой активности в прибрежной зоне для теплого и холодного сезонов. Доказано, что в периоды ослабления Основного черноморского течения (ОЧТ) в прибрежной зоне наблюдается множество мелких спиралевидных преимущественно циклонических вихрей с размерами, не превосходящими 10 км, и временем жизни от нескольких часов до нескольких суток. Суммарный вклад этих вихрей в перенос загрязняющих веществ и очищение вод соизмерим с вкладом, вносимым ОЧТ и крупными прибрежными антициклоническими вихрями. Высказывается предположение, что возникновение мелкомасштабных вихрей связано с наличием сдвигов скорости на периферии прибрежного вдольберегового течения и ветровым воздействием.
Получены новые сведения о нестационарных вихревых элементах поверхностной циркуляции черноморских вод и установлено, что прибрежная часть акватории, охваченная Основным черноморским течением, по всему периметру моря является областью повышенной гидродинамической неустойчивости, но при этом вдоль западного и восточного побережий активность нестационарных вихревых движений проявляется преимущественно в виде грибовидных течений, а вдоль северного и южного – в виде вихревых цепочек.
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
Lavrova, O., M. Mityagina, T. Bocharova, and M.
Gade. Multisensor
observation of eddies and mesoscale features in coastal zones. Remote
Sensing of the
М.И. Митягина, О.Ю. Лаврова. Вихревые структуры и волновые процессы в прибрежной зоне северо-восточной части Черного моря, выявленные в ходе спутникового мониторинга. В сборнике: Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Выпуск 5. Том 2. М. Азбука-2000, 2008, с. 155-164.
Marina Mityagina, Olga Lavrova. Dynamic phenomena in the coastal
waters of the north-eastern
Каримова С.С. Вихревые течения в Черном море В сборнике: Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Выпуск 5. Т. II. М.: ООО «Азбука-2000», 2008. С. 95-101.
3. Разработка физических основ выявления антропогенных загрязнений на морской поверхности и прогноза их распространения на основе данных спутникового зондирования.
Развиты алгоритмы и методики тематической обработки данных спутниковой радиолокации морской поверхности, позволяющие проводить обнаружение и идентификацию нефтяных загрязнений и делать количественные оценки параметров нефтяных пятен (размеры, возраст, количество вещества). Разработан программно-аппаратный комплекс полуавтоматического выделения на радиолокационных изображениях областей вероятных нефтяных загрязнений.
Выработаны основные критерии, позволяющие с высокой степенью достоверности выявить нефтяные загрязнения на морской поверхности и отделить их радиолокационные сигнатуры от поверхностных проявлений других явлений и объектов на основе совместного использования данных спутниковой радиолокации и всей совокупности выше описанной комплиментарной информации позволяет. Например, выделять области активного цветения водорослей.
Проведена отработка оригинальных методик, разработаны
новые и усовершенствованы существующие алгоритмы и программы для восстановления
полей температуры поверхности океана, взвешенного вещества, содержания
хлорофилла, мезомасштабной динамики вод, полей приповерхностного ветра и
поверхностного волнения. Разработан метод реконструкции реальных полей
поверхностных течений, позволяющий выявлять мезо- и мелкомасштабной структуры:
вихри, диполи и мультиполи, струи, филаменты и проводить оценки влияния
динамических структур в прибрежной зоне моря на пространственно-временное
распределение основных параметров загрязнения морской среды.
Разработана методика, позволяющая осуществлять инерционный прогноз возможного
распространения нефтяного загрязнения с учетом информации о полях ветра,
волнения и поверхностных течений, восстановленных на основе спутниковых данных.
Развитые методики апробированы и отлажены в ходе работ по спутниковому
мониторингу российской части Черного и Азовского морей, проведенному 2006 -2008
гг., а также при оперативном мониторинге северной части Каспийского моря,
работы по которому проводятся с мая 2007.
а) 
б)
Проявление вторичных загрязнений морской поверхности в
Керченском проливе 26.06.08
а) на РЛИ ASAR Envisat; б) на оптическом изображении Landsat
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
О.Ю. Лаврова, М.И. Митягина. Спутниковый
мониторинг антропогенных загрязнений прибрежной зоны. Земля и Вселенная, 2008, №1, с.26-34.
Lavrova Olga, Mityagina Marina,
Bocharova Tatiana, Kostyanoy Andrey, Krovotynsev Vladimir. Multisensor approach to
operational oil pollution monitoring in coastal zones. Proceedings of IEEE
International Geoscience and Remote Sensing Symposium, (IGARSS’08),
S. S. Shcherbak; O. Y.
Lavrova; M. I. Mityagina; T. Y. Bocharova; V. A.
Krovotyntsev; A. G. Ostrovskii. Multisensor satellite
monitoring of seawater state and oil pollution in the northeastern coastal zone
of the Black DOI: 10.1080/01431160802175470 International
Journal of Remote Sensing,
Volume 29, Issue 21,
November 2008, pages 6331 – 6345.
Olga Lavrova, Marina Mityagina and
Tatiana Bocharova. Satellite monitoring of sea surface state of
Olga Lavrova, Marina Mityagina,
Tatiana Bocharova.
Multisensor monitoring of sea surface state of the coastal zone. 37th COSPAR
Scientific Assembly 2008.
4. Оперативный
спутниковый мониторинг последствий катастрофического разлива нефтепродуктов в
Керченском проливе
11 ноября 2007 года в результате штормового ветра и волнения моря в Керченском проливе и акватории Черного моря потерпели крушение 12 судов. Танкер «Волгонефть-139», перевозивший 4777 т мазута, разломился на две части, около двух тысяч тонн нефтепродуктов вылилось в море. Сразу после катастрофы сотрудниками лаборатории Аэрокосмической радиолокации отдела Исследования Земли из космоса ИКИ РАН был организован спутниковый мониторинг последствий катастрофы с помощью данных радиолокационного зондирования: ASAR Envisat, Radarsat, TerraSAR-X и ERS-2 SAR для определения масштабов загрязнений. Были выявлены районы, которые подверглись наибольшим загрязнениям. Результаты обработки спутниковых данных сравнивались с результатами численного моделирования, выполненного сотрудниками ГОИН и с официальной информацией. Проведенные исследования доказали, что в море после шторма поступил не только мазут из танкера "Волгонефть-139", но и нефтепродукты из выброшенных на мель других судов, которые пытались спастись после шторма, сливая балластные воды, содержавшие нефтепродукты, а, возможно, и топливо бункера.
В течение весны-осени 2008 года в рамках оперативного спутникового мониторинга состояния и загрязнения вод прибрежной полосы российского сектора Азовского и Черного морей изучались вторичные загрязнения морской поверхности. Весенне-летний прогрев морской воды привел к всплытию осевших на дно нефтепродуктов. К тому же, носовая часть танкера с остатками нефтепродуктов оставалась на месте катастрофы до 13 августа 2008 г., что также способствовало постоянным загрязнениям морской поверхности. В течение июня – августа 2008 г. была получена серия РЛИ, на которых отчетливо проявились пленки нефтепродуктов в районе катастрофы. Данные пленки, распространяясь под действием ветра и течения на несколько километров, являлись своего рода трассерами, позволившими изучать циркуляционные процессы в Керченском проливе. Наиболее информативные снимки и результаты их обработки представлены на сайте http://www.iki.rssi.ru/asp/dep_moni.htm.
В рамках экспедиционного проекта РФФИ 08-05-10081-к в сентябре 2008 г. были проведены подспутниковые наблюдения в Таманском заливе и на косе Тузла. Выявлены многочисленные загрязнения южной оконечности косы Тузла мазутом, выброшенным на берег после катастрофы.
Обобщенная карта загрязнений в Керченском проливе в июне - августе 2008
года. Стрелками показана скорость и направление ветра на момент радиолокационной
съемки
Лаврова
О.Ю., канд. физ.-мат. наук, 333-42-56, olavrova@iki.rssi.ru
Lavrova O.Yu., Mityagina M.I.,
Karimova S.S., Strochkov A.Ya. Satellite monitoring of the catastrophic oil spill in the
Olga Lavrova, Marina Mityagina and
Tatiana Bocharova. Satellite monitoring of sea surface state of
Лаврова О.Ю., Бочарова Т.Ю., Митягина М.И., Строчков А.Я. Спутниковый мониторинг последствий катастрофического разлива нефтепродуктов в Керченском проливе. Тезисы Шестой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва, 10–14 ноября, 2008, с.194, 2008.
5.Теоретические, экспериментальные и
лабораторные исследования морской поверхности с помощью микроволновой
радиометрии. (пункты плана работ 2008 г. № 4.2.7, 4.2.8, 4.2.9).
В рамках выполнения работ по данному направлению осуществлялся 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.
Серия
комплексных измерений была выполнена летом 2005 и 2007 гг. на полигоне
Экспериментального отделения Морского гидрофизического института Национальной
академии наук Украины вблизи п. Кацивели у южного побережья Крыма. На этом
полигоне расположена океанографическая платформа, 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. Географические координаты платформы —
44°23'38'' с.ш., 33°59'15'' в.д. 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.
|
|
|
Рисунок 1. Океанографическая
платформа ЭО МГИ НАНУ |
|
|
|
Рисунок 2. Радиометрический
сканирующий комплекс «Траверс» |
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, закрепленном на специальном поплавке. 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 двух уровнях: на 1,5 м над поверхностью воды и на 21 м.
Радиометрический
комплекс состоял из радиометра теплового инфракрасного диапазона Р-ИК и набора
микроволновых радиометров с рабочими частотами от 3,7 до 89 ГГц (что
соответствует длинам волн от 8 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 300º 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 и акустический анемометр с датчиком температуры воздуха.
Измерения
проводились в непрерывном режиме 24 ч в сутки, за исключением перерывов на
ремонт и обслуживание аппаратуры. Данные регистрировались с частотой 3 Гц
(компоненты скорости ветра и пульсации температуры воздуха — 6 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 153º по отношению к
надиру на шести последовательных азимутальных углах, через каждые 36º, и
затем возврат на исходный азимутальный угол. Обратный азимутальный скан
осуществлялся при фиксированном угле места порядка 65–70º 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. Пример одного из восстановленных
спектров приведен на Рис. 3.
|
|
|
Рисунок 3. Восстановленный спектр кривизны (крестики) в
сравнении с различными опубликованными моделями |
|
|
|
Рисунок 4. Частотные спектры
гравитационных волн по данным 2-см скаттерометра и 8-мм радиометра |
На Рис. 4
приведены спектры энергонесущих гравитационных волн, восстановленные из
измерений скаттерометра с длиной волны 2 см и радиометра с длиной волны 8 мм.
Сопоставление с данными контактных измерений струнным волнографом подтвердили
высокую точность дистанционных радиофизических измерений.
Результаты анализа полученных в ходе натурного эксперимента
данных позволяют сделать следующие выводы, что восстановленные по методике НРРС
значения дисперсии уклонов 
и 
демонстрирую
зависимость от величины скорости приповерхностного ветра, максимум зависимости
спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного ветра наблюдается для
области волновых чисел, соответствующей обнаруженному спектральному максимуму (
≈ 7,0 рад/см). Представленные результаты
свидетельствуют о возможности применения разработанной методики восстановления
параметров спектра ГКВ для мониторинга состояния водной поверхности. Положительные
результаты выполненных исследований дают основания полагать, что продолжение
работы по данному направлению позволит перейти к точным количественным оценкам
параметров спектра ГКВ, которые смогут быть использованы для построения
ветровых зависимостей, уточнения существующих или создания новых моделей
волнения, а также для объяснения физических процессов на границе раздела
океан–атмосфера.
Лабораторные
эксперименты по исследованию излучения и рассеяния искусственной шероховатой
поверхности были выполнены на экспериментальном полигоне, расположенном на
крыше здания ИКИ РАН. Задачей эксперимента являлась оценка величины вклада
коротких гравитационно-капиллярных волн в общее радиотепловое излучение
взволнованной водной поверхности и сравнение получаемых экспериментальных
результатов с данных модельных расчетов для определения возможности
использования выбранной модели радиотеплового излучения водной поверхности при
разработке методики восстановления параметров спектра ветрового волнения (метод
нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии НРРС). Для проведения
исследований поляризационных характеристик теплового радиоизлучения водной
поверхности использовалась экспериментальная установка, внешний вид которой
представлен на рис.5. Она включает в себя приемник излучения с антенной, ванну
с водой и служебные устройства. Важным дополнением лабораторного эксперимента
2008 года стало применение системы переотражающих экранов, использующихся для
снижения влияния подсвета окружающих предметов и элементов конструкций на
регистрируемое радиотепловое излучение. В качестве приемника излучения
использовался радиометр-поляриметр 8-мм диапазона длин волн (центральная
частота приемника 37,0 ГГц) с входной полосой 
1,5 ГГц и флуктуационной чувствительностью 
0,15 K
при времени накопления сигнала 1 с.
|
|
|
Рисунок 5. Внешний вид экспериментальной
установки |
Объектом
исследования была ванна с пресной водой (размеры 60x60см), на поверхности которой
создавалась система периодических возвышений с контролируемыми параметрами
(высота и период неровностей). Период неровностей 
в нашем эксперименте
был фиксирован и составлял 
. Высота неровностей так же была постоянной –
На
рис. 6 приведены угловые зависимости (в диапазоне углов от 10 до 70 градусов от
надира) радиояркостной температуры на вертикальной поляризации гладкой и
возмущенной водной поверхности. В случае возмущенной поверхности, волновой
вектор возмущений лежал в плоскости наблюдения. На графике хорошо видно
увеличение радиояркостной температуры на углах около 20.
На
последующих рисунках представлены результаты сравнения модельных расчетов
приращений параметров Стокса теплового излучения воды, вызванных периодическими
неровностями, с экспериментальными данными. При расчете суммировалось
приращение, вызванное 10-ю первыми гармониками экспериментально определенного
профиля поверхности. Далее, производилось усреднение по диаграмме
направленности антенны. Переотраженное от поверхности излучение атмосферы
учитывалось для направления зеркального максимума и дифракционных максимумов
первого порядка, углы которых 
определялись из
условия:
|
|
(1) |
,где 
– относительный период неровностей.
|
|
|
|
Рисунок 6
Зависимость приращений первого (слева) и второго (справа) параметров Стокса
возмущенной поверхности от угла зондирования. Крестики – эксперимент,
сплошная линия – модельный расчет. |
|
На рис. 6 приведены зависимости
приращения двух первых параметров Стокса от вертикального угла наблюдения 
, отсчитываемого от надира, в том случае, когда плоскость
наблюдения была параллельна волновому вектору неровностей (
). Для соотношения параметров неровностей и электромагнитной
волны 
=0,67, как это имело место в нашем эксперименте, резонанс
должен наблюдаться при угле зондирования =19,5º. Экспериментальные данные наглядно демонстрируют
проявление эффекта Эткина-Кравцова, причем наблюдается не только качественное,
но и довольно удовлетворительное количественное совпадение модельных расчетов с
результатами измерений. Вполне очевидно уже не раз упоминавшееся различие в
проявлении эффекта на вертикальной и горизонтальной поляризации. На
вертикальной поляризации величина резонансного пика, сглаженного за счет
значительной величины ширины антенного луча, достигает, тем не менее, 9 К. На
горизонтальной поляризации наблюдаются вариации в пределах 1-2 К, без ярко
выраженных резонансов. Отличие результатов расчетов от данных измерений
увеличивается по мере увеличения угла, достигая на вертикальной поляризации при
настильных углах величины 4 К. Среди возможных причин такого расхождения может быть
переотраженное излучение окружающих предметов и элементов конструкций,
направление на которые совпадает с дифракционными максимумами. Следует также
отметить, что при расчетах с использованием ММВ учитывался только первый
порядок теории дифракции.
На двух последующих рисунках
приведены азимутальные зависимости приращений трех параметров Стокса на
фиксированных углах наблюдения =20º (рис. 7) и =40º (рис. 8). Поскольку для гладкой поверхности третий
параметр Стокса равен нулю, по оси ординат на рисунках 7с и 8с отложена полная
величина этого параметра для возмущенной поверхности. Азимутальный угол 
=180º соответствует случаю, когда плоскость наблюдения
параллельна волновому вектору неровностей. Графики первых двух параметров
Стокса симметричны относительно этого азимута, а третьего – антисимметричны.
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 7 Зависимость
приращений первого, второго и третьего параметров Стокса возмущенной
поверхности от азимутального угла при вертикальном угле зондирования 20°. Крестики – эксперимент,
сплошная линия – модельный расчет. |
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 8 Зависимость приращений первого, второго и третьего
параметров Стокса возмущенной поверхности от азимутального угла при
вертикальном угле зондирования 40°.
Крестики – эксперимент, сплошная линия – модельный расчет. |
Следует отметить, что
приведенные экспериментальные результаты выходят за рамки задачи верификации
той или иной модели излучения неровной поверхности. Они служат убедительным
свидетельством той важной роли, которую играют короткие
гравитационно-капиллярные волны в формировании теплового радиоизлучения
взволнованной водной поверхности. Периодические неровности с периодом
Реальная взволнованная морская
поверхность, безусловно, является гораздо более сложным объектом, чем
исследовавшаяся в данном эксперименте модель, и представляет совокупность
поверхностных волн самых разных масштабов. При этом результаты как
непосредственных наблюдений и оптических съемок, так и дистанционных
исследований радиофизическими методами указывают на существование на морской
поверхности систем достаточно регулярных гравитационно-капиллярных волн. Это и
волны, непосредственно генерируемые порывами ветра на поверхности за счет
касательных напряжений, и связанные ("паразитные") волны на переднем
склоне крутых гравитационных (масштабов дециметров и единиц метров) волн. И те,
и другие системы гравитационно-капиллярных волн обладают ярко выраженной
азимутальной анизотропией. Полученные нами результаты дают достаточно оснований
полагать, что именно эти короткие гравитационно-капиллярные волны служат
основной причиной существования азимутальной анизотропии поляризационных
параметров теплового радиоизлучения взволнованной поверхности, которая лежит в
основе интенсивно разрабатывающихся в последнее время дистанционных методов
определения скорости и направления ветра. Полученные экспериментальные данные
подтвердили возможность использования выбранной модели радиотеплового излучения
при решении задачи восстановления параметров спектра ГКВ на основе угловых
радиополяриметрических измерений.
В ходе выполнения теоретических исследований взаимодействия
шероховатой поверхности и электромагнитного излучения разработана общая
постановка и решение задачи взаимодействия сферической электромагнитной волны с
синусоидальной морской поверхностью. Развита
электродинамическая теория применительно к микроволновой радиометрии морской
поверхности, проведены численные эксперименты и выполнено сравнение с
результатами лабораторных экспериментов. Впервые представлена трактовка эффекта
«критических явлений» в тепловом излучении водной поверхности в свете решения
задачи в приближении сферической волны, объяснена тонкая структура
экспериментальных кривых в лабораторных экспериментах
Начат проект РФФИ 08-05-00890 «Исследование пространственных спектров гравитационно-капиллярных волн методом нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии» (руководитель к.ф.-м.н. 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 калибровка и первичная 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. Разработано техническое задание на модернизацию сканирующего радиометрического комплекса для повышения стабильности радиометрических приемников и эффективности антенных систем.
6. Микроволновая диагностика состояния
морской поверхности, возмущаемой подводным потоком газовой мелкодисперсной
среды и формируемая микроорганизмами , выносимыми на поверхность пузырьками
газа.
В рамках следующих пунктов темы “Океан”, п.4.2.3; (Микроволновая диагностика состояния морской поверхности, возмущаемой подводным потоком газовой мелкодисперсной среды”Отв. исп. к.ф.-м. н. Е.И.Скворцов), п.4.2.10 “Подготовка и проведение лабораторных и натурных экспериментов”. ( Отв. исп. Н.Ю. Комарова, к.ф.-м. н. Е.И.Скворцов, к.ф.-м. н. М.Г. Булатов, Г.И. Беляков, к.ф.-м. н. М.Д. Раев) продолжались экспериментальные исследования в рамках проекта РФФИ №06-05-64600а “Микроволновая диагностика состояния морской поверхности, возмущаемой подводным потоком газовых пузырьков” (Рук. к.ф.-м.н. Е.И.Скворцов) и проекта РФФИ №08-02-00057а “Исследования собственного и рассеянного микроволнового излучения микрослоя океана, формируемого микроорганизмами, выносимыми на поверхность пузырьками газа” (Рук. к.ф.-м.н. М.Д. Раев).
6.1. Лабораторные и натурные радиофизические исследования были направлены на определения связи параметров микроволновых сигналов (радиолокационных контрастов, доплеровских спектров отражённых сигналов) с физическими характеристиками поверхностной плёнки, образованной микроводорослями фитопланктона (концентрация биомассы, её видовой состав).
6.2.Были выполнены лабораторные и натурные исследования с целью получения экспериментальных данных необходимых для определения условий образования пленки в результате выноса на поверхность микрофлоры мелкодисперсными газовыми пузырьками, а также условий обнаружения микроволновыми методами плёнки такого типа на морской поверхности.
В результате лабораторных экспериментов были показано:
а) Контрасты сигналов отражённых от водной поверхности покрытой плёнкой, для
концентрации микроводорослей фитопланктона в приповерхностном слое воды
2.0 - 2.2 мг\л, лежат в пределах 3.45 - 6.2 дб и снижаются до 2дб при
уменьшении концентрации биомассы
до 0.75 мг\л.
в) Величина радиолокационных контрастов слабо зависит от видового состава
биомассы,
размеров и формы клеток микрофлоры.
с) Подводный поток мелких газовых пузырьков увеличивает
концентрацию
микроводорослей фитопланктона в поверхностном слое воды что, в
свою
очередь, приводит к гашению капиллярных
волн на поверхности и
образованию “слика”.
Публикации.
7. Микроволновые исследования нелинейной динамики морских волн. Модернизация комплекса радиолокационной станции.
В рамках темы
“Океан” п.4.2.4 . “Микроволновые
исследования нелинейной динамики морских волн”, п. 4.2.5. “Модернизация комплекса
радиолокационной станции” (Отв.
исп. к.ф.-м. н. Е.И.Скворцов, к.ф.-м. н. М.Д.Раев, д.ф.-м. н. А.С.Косов) и Программе фундаментальных исследований РАН “Проблемы
радиофизики” (ОФН-13) (Отв.исп.к.ф.-м. н. Е. И. Скворцов) работы велись по двум основным направлениям:
7.1. Продолжена модернизация
двухполяризационного радиолокатора (длина волны 3 см).
7.2. Разработан,
изготовлен и испытан новый усилитель промежуточной частоты с расширенным динамическим
диапазоном.
7.3. Разработан и
испытан макет 16-разрядной АЦП радиолокатора.
Проведённая
модернизация позволила увеличить диапазон принимаемых сигналов и
исследовать тонкие процессы нелинейных
взаимодействий поверхностных волн. В частности при радиолокационной съёмке
акватории Голубой бухты (база ЮО ИО РАН г. Геленджик) на снимке, сделанном на
вертикальной поляризации, была обнаружена, ранее не наблюдаемая, узкая область
морской поверхности с радиолокационным
контрастом в 3-4 дБ на фоне очень слабого волнения. Как показали измерения глубин, произведённые с
помощью эхолота, эта область своими очертаниями повторяет контуры подводной
гряды (перепад глубин 1-1.5 метра), проходящей вдоль юго-восточного берега
бухты на глубине 5-6 метров. Повышенный радиолокационный контраст узкой полосы
морской поверхности стабильно наблюдался в условиях слабого волнения – ветер с
берега, 2-3 м/с, длина волнового разгона 100-150 метров, зыбь отсутствовала.
Данное явление локальной трансформации спектра ряби пока не нашло удовлетворительного объяснения.
7.5.
Выполнены подготовительные работы к проведению натурных экспериментов с совместной видео и радиолокационной съемкой
морской поверхности. Проведена доработка видеокамеры и скаттерометра и разработан
пакет компьютерных программ для обеспечения их синхронной работы
и обработки выходных сигналов .
Основные экспериментальные исследования по перечисленным выше направлениям были проведены в сентябре-октябре 2008г. На базе Южного отделения Института океанологии РАН. В настоящее время производится дальнейшая обработка полученных данных.