РАЗДЕЛ 2
КОГерентность морских поверхностных волн
2.1. Нелинейные эффекты в поле морских поверхностных волн
При интерпретации данных дистанционного зондирования большое значение
приобретает вопрос о характеристиках статистических связей в волновом поле,
нелинейных эффектах, нарушении дисперсионного соотношения. Впервые то, что в
морских условиях дисперсионное соотношение для гравитационных волн на глубокой
воде, нарушается на частотах, превышающих удвоенную частоту доминантного пика в
спектре волн, было экспериментально показано в работе [51]. Основываясь на
данных натурных измерений, авторы пришли к выводу о том, что нарушение
дисперсионного соотношения и быстрое снижение продольной когерентности нельзя
объяснить в рамках линейной теории. Был также сделан вывод о том, что
наблюдаемые в поле морских ветровых волн эффекты можно объяснить присутствием
нелинейных гармоник. Позднее нарушение дисперсионного соотношения было
подтверждено в лабораторных экспериментах [52] и в морских условиях [53].
Вслед за этим появился ряд теоретических исследований и экспериментальных
работ, выполненных в аэрогидроканалах, в которых изучались нелинейные эффекты в
ветровых волнах. Как резюме этих исследований в работе [54], где дан их
подробный обзор, отмечается следующее. В поле ветровых волн присутствуют два
типа компонент – свободные и связанные. Свободные компоненты достаточно хорошо
подчиняются дисперсионному соотношению для линейных волн. Частным случаем
связанных компонент являются гармоники. Гармоники не удовлетворяют
дисперсионному соотношению для линейных волн и имеют скорость распространения
выше скорости свободных волн. В целом поведение волновой системы зависит от
соотношения между двумя компонентами.
В тоже время, при интерпретации результатов лабораторных экспериментов,
проведенных с использованием неконтактной аппаратуры – оптического уклономера и
микроволнового доплеровского локатора, был сделан вывод о том, что не менее 80%
энергии коротких гравитационных волн обусловлено свободными волнами, а
наблюдаемые отклонения от дисперсионного отношения являются следствием
ветрового дрейфа [55]. Авторы пришли к заключению, что эффекты конечной
амплитуды волн наряду с другими нелинейными эффектами играют небольшую роль. В
работе [56] содержатся аналогичные результаты и сделаны аналогичные выводы,
т.е. отвергается концепция сложного волнового поля, включающего свободные и
связанные компоненты. Однако следует отметить, что в указанных лабораторных
экспериментах не оценивался характер изменения с расстоянием уровня
когерентности в волновом поле, без чего выводы об отсутствии или присутствии
нелинейных компонент вряд ли можно считать обоснованными.
Одной из наиболее важных характеристик волнового поля, является функция
углового распределения волновой энергии [57]. Для получения ее детальных
характеристик используются измерения решеткой волнографических датчиков.
Угловые характеристики рассчитываются с помощью матрицы кросс-спектров,
определенных для каждой пары входящих в состав решетки датчиков. Основное
внимание разработчиков методов анализа данных было уделено проблеме наиболее
точного восстановления характеристик волнового поля при ограниченном, как
правило, небольшом числе датчиков и соответственно небольшом числе оценок
кросс-спектров (см. [58, 59]).
Практически весь объем информации о частотно-угловых характеристиках
поверхностных волн получен с помощью волнографических буев типа
“heavy-pitch-roll” [60-62]. Существенно меньше исследований выполнено с помощью
массивов, разнесенных по пространству датчиков [58, 63, 64], которые дают более
детальные оценки частотно-угловых характеристик [59], но являются технически
более сложными и требуют значительно больших финансовых затрат.
Переход из частотной области в область волновых чисел осуществляется в рамках
предположения о том, что для волн строго выполняется дисперсионное соотношение
[40]. На основе анализа фазовых скоростей принято считать, что это
предположение справедливо для длинных гравитационных волн. В высокочастотной
области оно не выполняется, вследствие значительных Доплеровских сдвигов,
обусловленных орбитальными движениями длинных волн и приповерхностным течением
[65].
Для определения пространственных спектров могут также использоваться средства
дистанционного зондирования, например, такие как радар с синтезированной
апертурой [66], стереофотосъемка [39] и др. Однако, следует учитывать, что
применение подобных методов требует детального представления о характеристиках
статистических связей в волновом поле, нелинейных эффектах, нарушении
дисперсионного соотношения.
2.2. Исследования когерентности в поле морских ветровых волн
2.2.1. Натурные исследования на океанографической платформе МГИ НАН Украины.
Океанографическая платформа МГИ НАН Украины представляет уникальные возможности
для проведения комплексных исследований процессов, протекающих вблизи границы
раздела вода-воздух и на самой границе раздела. Платформа установлена на Черном
море у Южного берега Крыма вблизи п. Кацивели. Минимальное расстояние от
платформы до берега около 600 м. Глубина в том месте, где установлена
платформа, равняется 30 м. Для характерных длин волн в районе измерений данная
глубина соответствует условию “глубокой воды”, и влиянием дна на ветровые волны
и зыбь можно пренебречь.
Требования, предъявляемые к волнографической аппаратуре при проведении
контактных измерений в обеспечение задач дистанционного зондирования, в первую
очередь определяются масштабами поверхностных волн, рассеива
- Київ+380960830922