Влияние асимметрии и групповой структуры морских волн на генерацию инфразвука морской поверхностью

А. С. Запевалов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

e-mail: sevzepter@mail.ru

Аннотация

Цель. Анализ влияния эффектов нелинейности морских волн, проявляющихся в асимметрии распределения возвышений морской поверхности и возникновении групповой структуры, на генерацию инфразвукового излучения морской поверхностью – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Анализ проводится на основе аналитической модели волнового профиля, позволяющей задавать асимметричный профиль волны (заостренный гребень и плоская впадина), а также изменять фактор групповитости и число волн в группе. Поле поверхностных волн представлено в виде суперпозиции свободных волн и гармоник. Для его исследования используется математический аппарат разложения анализируемой функции в ряд Фурье. Получены количественные оценки, характеризующие в разных ситуациях отношение амплитуд акустических волн, генерируемых основной волной и ее гармониками. Показано, что асимметрия оказывает более значительное влияние на уровень генерации инфразвука, чем групповая структура волн.

Выводы. Как асимметрия распределения возвышений морских волн, так и их групповая структура приводят к снижению уровня инфразвука, генерируемого морской поверхностью, а также к перераспределению энергии инфразвука по пространственным и временным масштабам.

Ключевые слова

морская поверхность, свободные волны, связанные волны, гидроакустика, инфразвук, групповая структура

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме FNNN-2021-0004 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования».

Для цитирования

Запевалов А. С. Влияние асимметрии и групповой структуры морских волн на генерацию инфразвука морской поверхностью // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 2. С. 177–188. EDN GMHTUM. doi:10.29039/0233-7584-2023-2-177-188

Zapevalov, A.S., 2023. Impact of the Sea Waves’ Skewness and Group Structure on the Infrasound Generation by the Sea Surface. Physical Oceanography, 30(2), pp. 160-170. doi:10.29039/1573-160X-2023-2-160-170

DOI

10.29039/0233-7584-2023-2-177-188

EDN

GMHTUM

Список литературы

  1. Wind, waves, and acoustic background levels at Station ALOHA / F. K. Duennebier [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C3. C03017. doi:10.1029/2011JC007267
  2. Ardhuin F., Herbers T. H. C. Noise generation in the solid Earth, oceans and atmosphere, from nonlinear interacting surface gravity waves in finite depth // Journal of Fluid Mechanics. 2013. Vol. 716. P. 316–348. https://doi.org/10.1017/jfm.2012.548
  3. Запевалов А. С., Показеев К. В. Моделирование спектра инфразвукового гидроакустического излучения, генерируемого морской поверхностью в штормовых условиях // Акустический журнал. 2016. Т. 62, № 5. С. 550–555. doi:10.7868/S0320791916050208
  4. Салин Б. М., Салин М. Б. Расчет характеристик инфразвука, основанный на измерении текущих значений двумерного поля ветрового волнения // Акустический журнал. 2019. Т. 65, № 6. С. 808–815. doi:10.1134/S0320791919060145
  5. Longuet-Higgins M. S. A theory of the origin of microseisms // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1950. Vol. 243, iss. 857. P. 1–35. doi:10.1098/rsta.1950.0012
  6. Потапов В. А., Табулевич В. Н., Черных Е. Н. Влияние штормовых микросейсмических колебаний на сейсмичность в районе Курильских островов Тихого океана и на озере Байкал // Геология и геофизика. 1997. Т. 38, № 8. С. 1411–1419.
  7. Ocean wave sources of seismic noise / F. Ardhuin [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011. Vol. 116, iss. C9. C09004. doi:10.1029/2011jc006952
  8. Стоячие океанские волны, микросейсмы и инфразвук / В. Н. Табулевич [и др.] // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2001. Т. 37, № 2. С. 235–244.
  9. Hasselmann K. A statistical analysis of the generation of microseisms // Review of Geophysics. 1963. Vol. 1, iss. 2. P. 177–210. doi:10.1029/RG001i002p00177
  10. Бреховских Л. М. О генерации звуковых волн в жидкости поверхностными волнами // Акустический журнал. 1966. Т. 12, № 3. С. 376–379.
  11. Бреховских Л. М. Звуковые волны под водой, обусловленные поверхностными волнами в океане // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1966. Т. 2, № 9. С. 970–980.
  12. Наугольных К. А., Рыбак С. А. О генерации звука при взаимодействии поверхностных волн // Акустический журнал. 2003. Т. 49, № 1. С. 100–103.
  13. Wave–wave interactions and deep ocean acoustics / Z. Guralnik [et al.] // The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. Vol. 134, iss. 4. P. 3161–73. doi:10.1121/1.4818782
  14. Wilson J. D. Modeling Microseism Generation by Inhomogeneous Ocean Surface Waves in Hurricane Bonnie Using the Non-Linear Wave Equation // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 10. 1624. https://doi.org/10.3390/rs10101624
  15. Phillips O. М. On the dynamics of unsteady gravity waves of finite amplitude. Part 2. Local properties of a random wave field // Journal of Fluid Mechanics. 1961. Vol. 11, iss. 1. P. 143–155. doi:10.1017/S0022112061000913
  16. Longuet-Higgins M. S. The effect of non-linearities on statistical distribution in the theory of sea waves // Journal of Fluid Mechanics. 1963. Vol. 17, iss. 3. P. 459–480. doi:10.1017/S0022112063001452
  17. Fedele F., Tayfun M. A. On nonlinear wave groups and crest statistics // Journal of Fluid Mechanics. 2009. Vol. 620. P. 221–239. doi:10.1017/S0022112008004424
  18. Gramstad O., Trulsen K. Influence of crest and group length on the occurrence of freak waves // Journal of Fluid Mechanics. 2007. Vol. 582. P. 463–472. doi:10.1017/s0022112007006507.
  19. Юэн Г., Лэйк Б. Нелинейная динамика гравитационных волн на глубокой воде. М. : Мир, 1987. 179 с.
  20. Zapevalov A. S. Analytical Representation of a Group Structure Sea Surface Waves // Processes in GeoMedia. Vol. III. Cham : Springer Geology, 2021. P. 139–145. doi:10.1007/978-3-030-69040-3_14
  21. Бабанин А. В., Полников В. Г. О негауссовости ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 1994. № 3. С. 79–82.
  22. Запевалов А. С., Большаков А. Н., Смолов В. Е. Моделирование плотности вероятностей возвышений морской поверхности с помощью рядов Грама-Шарлье // Океанология. 2011. Т. 51, № 3. С. 432–439.
  23. Jha A. K., Winterstein S. R. Nonlinear random ocean waves: prediction and comparison with data // Proceedings of the 19th International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium. ASME, 2000. Paper No. OMAE 00-6125.
  24. Guedes Soares C., Cherneva Z., Antão E. M. Steepness and asymmetry of the largest waves in storm sea states // Ocean Engineering. 2004. Vol. 31, iss. 8–9. P. 1147–1167. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2003.10.014
  25. Запевалов А. С., Гармашов А. В. Асимметрия и эксцесc поверхностных волн в прибрежной зоне Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 4. С. 447–459. doi:10.22449/0233-7584-2021-4-447-459
  26. Farrell W. E., Munk W. What do deep sea pressure fluctuations tell about short surface waves? // Geophysical Research Letters. 2008. Vol. 35, iss. 19. L19605. doi:10.1029/2008GL035008
  27. List J. H. Wave groupiness variations in the nearshore // Coastal Engineering. 1991. Vol. 15, iss. 5–6. P. 475–496. doi:10.1016/0378-3839(91)90024-B
  28. Преснухин А. В. Групповая структура ветровых волн в Каспийском море // Литодинамика донной контактной зоны океана : материалы Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В. В. Лонгинова (14–17 сентября 2009, г. Москва). М. : ГЕОС, 2009. С. 31–33.

Скачать статью в PDF-формате