авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Динамика гравитационно-капиллярных волн в океане в присутствии пленок поверхностно-активных веществ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЕРМАКОВ Станислав Александрович

ДИНАМИКА ГРАВИТАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНЫХ ВОЛН В ОКЕАНЕ

В ПРИСУТСТВИИ ПЛЕНОК ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

25.00.29- физика атмосферы и гидросферы

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2008

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

В.Н. Кудрявцев

( Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена, Российский Государственный Гидрометеорологический Университет, г. Санкт-Петербург)

доктор физико-математических наук

А.Г. Костяной

( Институт океанологии РАН, г. Москва)

доктор физико-математических наук,

профессор Н.С. Петрухин

(ВШЭ, г. Нижний Новгород)

Ведущая организация – Институт космических исследований Российской академии наук

Защита состоится ___ июня 2008 г. в 14:00 час. на заседании диссертационного совета Д 002.069.01 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950 Нижний Новгород, ГСП 120, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан _________________ 2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

к.ф.-.м.н. А.И. Малеханов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Эффективное освоение океана и, в частности, шельфовых зон в настоящее время основано на интенсивном использовании методов и средств дистанционного, прежде всего, аэрокосмического, зондирования морской поверхности и приповерхностных слоев океана и атмосферы (см., например, [1, 2] и приведенную там библиографию). Широкое развитие получили как активные (радиолокационные, лидарные), так и пассивные (СВЧ-радиометрия, оптические в условиях естественного освещения) средства дистанционной диагностики. Весьма перспективными, в частности, являются используемые в последние десятилетия спутниковые системы получения изображения океана в инфракрасном и оптических диапазонах, а также радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА), позволяющие получать радиоизображения морской поверхности с высоким разрешением (порядка 10 метров). Данные приборы являются эффективными инструментами для решения практических задач навигации, строительства гидротехнических сооружений, диагностики антропогенных загрязнений, оценки состояния ледового покрова, а также для исследования динамических процессов в океане, последнее, в свою очередь, крайне важно для изучения общей циркуляции океана и построения моделей изменений климата.

Важнейшим фактором, определяющим процессы рассеяния электромагнитных волн морской поверхностью, и, следовательно, характеристики сигналов оптических и радиолокационных систем зондирования океана, являются ветро­вые гравитационно-капиллярные волны (ГКВ). Перспективы развития дистанционных методов изучения океана определяются, поэтому, уровнем понимания процессов возбуждения, распространения и диссипации ГКВ в океане [3,4] и разработки соответствующих моделей их спектра [5-9]. Для ветровых ГКВ характерна значительная изменчивость их характеристик, что содержит важнейшую информацию о динамических процессах в океане и атмосфере [10-12]. Неоднородности интенсивности ветрового волнения, наблюдаемые на аэрокосмических изображениях поверхности океана [13-18] могут быть вызваны фронтальными зонами, внутренними волнами, океаническими и атмосферными вихрями и т.д. и суще­ственно различаться как по своей геометрии, так и по характеру из­менений интенсивности (наличие областей усиления, либо ослабления волнения).

Существенное влияние на характер изменчивости ветровых ГКВ оказывают пленки поверхностно-активных веществ (ПАВ), почти повсеместно, включая прибрежные зоны, присутствующие на поверхности океана. Обширная библиография по свойствам пленок и их воздействию на ГКВ приведена в [19-24]. Пленки, в т.ч. нефтяные, приводят к гашению коротких ГКВ [21-23], образуя участки пониженной интенсивности волнения (слики), что проявляется в изменении интенсивности радиолокационных и оптических сигналов, рассеянных морской поверхностью [19, 24-29], в частности, в появлении областей пониженной яркости на радиолокационных панорамах [28-30]. Концентрация ПАВ перераспределяется в поле скоростей поверхностных течений, связанных с динамическими атмосферными и океаническими процессами, поэтому пленочные слики могут использоваться и в качестве индикаторов этих процессов [10,12], и для получения количественной информации о характеристиках последних [29, 31]. Анализ механизмов образования сликов на морской поверхности является, таким образом, весьма актуальной проблемой, связанной с возможностью получения информации о динамических процессах по данным спутниковых наблюдений океана.

В зависимости от природы пленок (биогенные или антропогенные ПАВ) слики могут указывать на наличие зон высокой биологической продуктивности, либо зон загрязнений, в том числе, нефтяных. Поэтому исследование воздействия пленок на ветровые ГКВ, наряду с задачей дистанционной диагностики динамических процессов, приобрело значительную актуальность и в связи с возможностью ведения экологического мониторинга океана из космоса [1]. Весьма важным является также анализ роли пленок ПАВ в процессах тепло и газообмена на границе океан – атмосфера (см., например, [10, 20]). Наконец, изучение эффектов воздействия пленок на ветровые ГКВ представляет интерес и для исследования собственно динамики ветровых волн, поскольку использование пленок позволяет управлять процессами возбуждения, нелинейных взаимодействий и диссипации в спектре волнения.

Важно заметить, что характер воздействия пленок на ветровые ГКВ существенно зависит как от физических свойств пленок, так и от длины волн, поэтому в основе методов дистанционной, в частности, радиолокационной диагностики пленок ПАВ должен лежать анализ изменчивости волнения в сликах в различных диапазонах спектра ГКВ. При этом известные ранее данные об особенностях спектров волнения в пленочных сликах (см. [19-21, 30] и цитированную литературу) были явно недостаточны для развития количественных методов такой диагностики. Для решения данной задачи требовались систематические эксперименты, выполненные при различных метеоусловиях и, что весьма важно, для пленок с известными характеристиками (коэффициентом поверхностного натяжения и параметром упругости). При этом, вообще говоря, необходимо знание динамической упругости пленок, т.е. отвечающей диапазону частот исследуемых ГКВ, что требовало развития соответствующих методов измерения этого параметра.

Что касается второй части проблемы – механизмов образования пленочных сликов на морской поверхности, то здесь имелись, в основном, результаты теоретических исследований (так, в [32-34] рассматривалось перераспределение концентрации ПАВ в поле неоднородных течений и внутренних волн), прямые же экспериментальные свидетельства связи пленочных сликов с процессами в океане и атмосфере практически отсутствовали (в качестве исключения можно упомянуть исследования формирования пленочных сликов в следах за надводными судами [35]). Важным аспектом проблемы проявления динамических процессов на морской поверхности, в т.ч. в присутствии пленок ПАВ, является анализ физических механизмов воздействия переменных течений на ветровые ГКВ в разных диапазонах их спектра. Было установлено, в частности, что вариации спектра ветровых ГКВ дециметрового (дм) диапазона на переменных течениях в поле внутренних волн хорошо описывается кинематической моделью [36, 37], которая, однако, занижает уровни модуляции в спектре ГКВ с длинами менее 10 см и не позволяет объяснить сильные вариации интенсивности радиолокационных сигналов см-диапазона [38, 39]. Весьма актуален, поэтому, анализ физических механизмов и разработка моделей, которые позволили бы объяснить сильную модуляцию ГКВ сантиметрового и миллиметрового (см-мм-) диапазонов в поле переменных течений. Значительное развитие в настоящее время получила модель модуляции инкремента роста ветровых волн [40, 41]. Другой механизм сильной модуляции ГКВ (“каскадный” механизм), отмеченный впервые в [36] и связанный с влиянием нелинейности ГКВ, которая проявляется в присутствии в спектре ветровых ГКВ так называемых вынужденных волн [42, 43], в частности, “паразитной капиллярной ряби“ [44-47], оставался фактически неисследованным.

Перечисленные выше проблемы явились причиной значительно возросшего в последние десятилетия интереса к свойствам морских пленок и к эффектам их воздействия на ветровое волнение, что и определило актуальность данной диссертационной работы.

Цель и задачи исследования.

Основная цель настоящей работы - изучение механизмов воздействия пленок ПАВ на короткие ветровые волны, а также анализ роли пленок при формировании проявлений океанических и атмосферных процессов на взволнованной морской поверхности.

Конкретные задачи работы:

- развитие методов определения физических характеристик пленок ПАВ; изучение упругих свойств морских пленок;

- исследование спектров ветровых ГКВ в присутствии пленок ПАВ;

- изучение динамики пленок ПАВ и спектров ГКВ см-диапазона в поле внутренних волн и неоднородных течений, анализ механизмов образования пленочных сликов на морской поверхности;

- исследование механизмов сильной модуляции ветровых волн см-мм-диапазонов в поле переменных течений (внутренних и длинных поверхностных волн) при наличии пленок ПАВ.

Научная новизна работы.

В работе впервые получены перечисленные ниже следующие результаты.

  1. Дано последовательное теоретическое объяснение механизма резонансного затухания ГКВ в присутствии упругой пленки.
  2. Предложен метод параметрически возбуждаемых волн для измерения коэффициента затухания ГКВ и восстановления параметров пленок, обнаружен ряд особенностей упругих свойств морских пленок, в частности, релаксация и упругий гистерезис, установлено, что для сликов на морской поверхности характерно присутствие пленок с высокой упругостью.
  3. Обнаружен эффект усиления волн дм-диапазона в присутствии пленки ПАВ, предложен физический механизм и модель явления, установлены основные закономерности гашения пленкой ветровых ГКВ см-мм-диапазона (в т.ч. наличие максимума степени гашения - контраста при слабом ветре в см-диапазоне и при умеренном ветре в мм-диапазоне), данные закономерности предложено использовать в качестве спектрального признака пленочных сликов при их многочастотном радиолокационном зондировании.
  4. Теоретически показана возможность образования «пленочного предвестника» перед цугом внутренних волн (ВВ) в присутствии постоянного поверхностного течения, скорость которого превышает групповую скорость ВВ, показано, что модуляция концентрации ПАВ возрастает при приближении скорости течения к фазовой скорости ВВ (условие резо­нанса).
  5. В лабораторном эксперименте дано экспериментальное подтверждение эффекта сильной модуляции ПАВ в поле ВВ при наличии резонансного течения.
  6. В лабораторном эксперименте промоделирован кинематический механизм модуляции ГКВ в поле ВВ и показан резонансный характер модуляции ГКВ в гравитационной и в капиллярной области частот, развита теоретическая модель модуляции.
  7. Дано прямое подтверждение действия пленочного механизма модуляции ветровых ГКВ и образования пленочных сликов в поле ВВ.
  8. Обнаружены проявления приливных ВВ (длины волн 15-20 км) на радиолокационных изображениях океанского шельфа, предложена классификация различных типов радиоизображений коротких ВВ (длины волн 0,5-1 км), обнаружен эффект трансформации одного типа изображений коротких ВВ в другой в зависимости от положения коротких ВВ относительно фазы приливной ВВ, дана интерпретация различных типов радиоизображений ВВ.
  9. Обнаружены проявления неоднородных течений на морской поверхности в присутствии пленок ПАВ в виде системы “слик-сулой”, характеризуемой гашением см-волн пленкой в слике и усилением дм-волн в поле неоднородного течения в области сулоя.
  10. Обнаружены слики, обусловленные концентрацией ПАВ в поле монотонного и осциллирующего ветровых фронтов.
  11. В лабораторном эксперименте исследованы характеристики паразитной капиллярной ряби мм-диапазона, возбуждаемой крутыми ГКВ, установлен квазипороговый характер возбуждения ряби, построены гистограммы кривизны гребней и впадин ветровых ГКВ и показана их асимметрия из-за асимметрии профиля ГКВ и наличия паразитной ряби, обнаружено усиление этой асимметрии в присутствии пленки.
  12. На основе данных радиолокационных и оптических измерений, выполненных в ветроволновом бассейне, обнаружено отличие фазовых скоростей ветровых ГКВ см-мм-диапазонов от линейного дисперсионного уравнения и получены оценки относительной интенсивности вынужденных волн (в т.ч. паразитной ряби) в спектре ветровых см-мм-ГКВ на чистой воде и при наличии пленок ПАВ.
  13. В натурном эксперименте обнаружен эффект изменения доплеровского сдвига частоты радиолокационных сигналов при наличии пленки ПАВ и получено, что знак и величина изменения доплеровских сдвигов существенно зависят от величины параметра упругости пленки.
  14. В лабораторном эксперименте промоделирован механизм сильной (каскадной) модуляции паразитной капиллярной ряби в поле ВВ, даны подтверждения действия механизма каскадной модуляции в натурном эксперименте.
  15. Обнаружен эффект усиления модуляции интенсивности радиолокационного сигнала мм-диапазона в поле длинных поверхностных волн в присутствии пленки ПАВ, выполнено моделирование эффекта в ветроволновом бассейне и показано, что эффект связан с каскадной модуляцией паразитной ряби.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Коэффициент затухания ГКВ в присутствии пленки ПАВ определяется интенсивностью вихревой компоненты ГКВ, которую можно описать как вынужденную продольную волну, возбуждаемую потенциальной компонентой ГКВ. Интенсивность вынужденной продольной волны максимальна при величине упругости пленки, отвечающей условию близости фазовых скоростей продольной волны и ГКВ, что позволяет объяснить квазирезонансный характер зависимости коэффициента затухания ГКВ от упругости. Величины коэффициента затухания ГКВ и соответствующей упругости пленки могут быть определены на основе измерений порога параметрического возбуждения стоячих ГКВ в бассейне, совершающем вертикальные колебания (метод параметрически возбуждаемых волн). Для сликов на морской поверхности - областей пониженной интенсивности коротких ветровых ГКВ, характерно наличие пленок ПАВ с высокой упругостью.
  2. Воздействие пленок ПАВ на ветровые ГКВ (в отсутствие переменных течений) характеризуется уменьшением интенсивности ГКВ в см-диапазоне их спектра, при этом степень гашения ГКВ (контраст) растет с ростом упругости пленки и с уменьшением длины волны и достигает максимума для ГКВ с длинами порядка и менее единиц см. Для ГКВ дм-диапазона возможен эффект усиления волн в присутствии пленки. Физическими механизмами воздействия пленок на ГКВ см-дм-диапазонов являются линейное вязкое затухание ГКВ, а также затухание дм-волн из-за взаимодействия с см-волнами. Особенности зависимости контраста от длины ГКВ могут быть использованы как спектральный признак при радиолокационной диагностике пленок.
  3. Переменные течения формируют неоднородные распределения концентрации ПАВ и упругости пленок на морской поверхности, что приводит к образованию неоднородностей в распределении интенсивности коротких ветровых ГКВ (пленочный механизм воздействия переменных течений на ГКВ). Пленочный механизм может быть доминирующим для ГКВ см-диапазона и приводить к образованию сликов в поле различных динамических процессов - внутренних волн, конвергентных течений, неоднородностей поля ветра. Пленочный механизм, наряду с известными кинематическим механизмом и механизмом модуляции инкремента ветровых ГКВ, позволяет объяснить особенности вариаций спектра ветровых ГКВ в поле переменных течений и проявления этих течений в радиолокационных изображениях морской поверхности.
  4. Сильная нелинейность ГКВ см-дм-диапазонов проявляется в присутствии в спектре волнения мм-диапазона вынужденных компонент (паразитной ряби). Фазовые скорости паразитной ряби соответствуют фазовым скоростям генерирующих их (несущих) ГКВ, а амплитуда ряби квазипороговым образом зависит от амплитуды несущих ГКВ. Данные особенности вынужденных компонент ветровых ГКВ определяют механизмы сильной изменчивости спектра волн мм-диапазона: каскадную модуляции ряби внутренними волнами, гашение пленкой ГКВ мм-диапазона, эффекты изменения доплеровских сдвигов частоты радиолокационных сигналов мм-диапазона, а также усиления модуляции радиолокационных сигналов из-за длинных волн в присутствии пленок ПАВ.

Научная и практическая значимость работы.

Результаты, касающиеся влияния пленок на спектры ветровых ГКВ могут быть использованы при разработке алгоритмов и аппаратуры для обнаружения пленок на морской поверхности, оценке их характеристик и различения на фоне сликоподобных (в частности, ветровых) аномалий. Обнаруженный эффект изменения в сликах доплеровских сдвигов частоты радиолокационных сигналов также можно использовать для целей дистанционной диагностики пленок, в частности, для уточнения величины их упругости. Важную научную и практическую значимость имеет развитый в работе метод измерения затухания ГКВ и полученные с его помощью данные о характеристиках пленок, пленки с измеренными характеристиками могут использоваться как эталонные в экспериментах по дистанционной диагностике сликов, а также для целей калибровки дистанционной аппаратуры.

Результаты исследований динамики пленок и изменчивости спектра ветровых ГКВ в поле переменных течений углубляют понимание механизмов образования сликов на морской поверхности и их связи с внутренними волнами, неоднородными течениями, ветровыми фронтами.

Результаты, касающиеся механизма генерации паразитной капиллярной ряби, а также ее каскадной модуляции в поле внутренних и длинных поверхностных волн могут служить основой для совершенствования моделей ветрового волнения см-мм-диапазонов, что, в свою очередь, необходимо для развития методов дистанционного зондирования и интерпретации данных спутниковых наблюдений морской поверхности. В частности, результаты по каскадной модуляции паразитной ряби можно использовать для более точного определения амплитуды длинных ветровых волн по данным измерений радиолокационной модуляционной передаточной функции.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.