Метод измерения дисперсии уклонов капиллярных волн на морской поверхности

В. В. Стерлядкин✉, К. В. Куликовский, М. В. Лихачева

МИРЭА – Российский технологический университет, Москва, Россия

✉ e-mail: sterlyadkin@mail.ru

Аннотация

Цель. Обоснование и практическое применение нового метода быстрой (за 0,01 с) регистрации параметров капиллярных волн в натурных условиях – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Метод основан на регистрации изображения тонкого лазерного луча, падающего на морскую поверхность. Рассеянное в воде излучение преломляется на взволнованной границе раздела и фиксируется видеокамерой, расположенной сбоку. Искажения изображения луча пропорциональны уклонам поверхности в точке выхода излучения. Наибольшие уклоны (более 30°) характерны для капиллярных волн, что делает метод особенно эффективным для их регистрации. Удается регистрировать волны амплитудой 30 мкм с расстояния 5–8 м. При интенсивной капиллярной ряби ниже точки падения луча на поверхность формируется световая «юбка», ширина которой растет с ростом уклонов. По распределению интенсивности рассеянного света в поперечном сечении световой «юбки» рассчитывается распределение уклонов на каждом кадре или функция плотности вероятности за заданный временной интервал. Разработанный метод оперативного измерения распределения уклонов капиллярных волн применен для исследования капиллярной структуры на различных участках морского волнения: на гребнях и в ложбинах. Установлено, что дисперсия капиллярных уклонов в ложбинах существенно ниже, чем на гребнях, что согласуется с известными данными.

Выводы. Предложен новый метод дистанционных измерений уклонов капиллярных волн на морской поверхности, позволяющий проводить измерения за время 0,01 с на участках поверхности 10 × 10 см. В приведенном примере при значительной высоте волн (1,1 ± 0,1) м и скорости ветра (7,4 ± 0,5) м/c средняя дисперсия капиллярной фракции составила 0,0256 на гребнях и 0,008 в ложбинах. Достоинством метода является возможность измерений в широком диапазоне погодных условий как в ночное, так и в дневное время.

Ключевые слова

капиллярные волны, натурные измерения, распределение уклонов, дисперсия уклонов, лазерный волнограф

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00189 «Исследование связи приводного ветра с динамикой развития ветровых волн на морской поверхности и процессами микроволнового радиационного переноса на границе морской поверхности и атмосферы», https://rscf.ru/project/23-17-00189/.

Информация об авторах

Стерлядкин Виктор Вячеславович, профессор кафедры физики и технической механики, МИРЭА – Российский технологический университет (119454, Россия, Москва, пр‑т Вернадского, д. 78), доктор физико-математических наук, ORCID ID: 0000-0002-1832-8608, Web of Science ResearcherID: D‑7125-2017, Scopus Author ID: 6505940691, SPIN-код: 8368-0889, sterlyadkin@mail.ru

Куликовский Константин Владимирович, доцент кафедры физики и технической механики, МИРЭА – Российский технологический университет (119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78), кандидат технических наук, ORCID ID: 0000-0001-9296-6424, Scopus Author ID: 57223241696, Web of Science ResearcherID: D-7125-2017, SPIN-код: 8368-0889, constantinkk@mail.ru

Лихачева Мария Викторовна, старший преподаватель кафедры физики и технической механики, МИРЭА – Российский технологический университет (119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78), ORCID ID: 0009-0007-6021-080X, Scopus Author ID: 23005642200, Web of Science ResearcherID: OBN-9238-2025, SPIN-код: 4548-9098, likhacheva.m@gmail.com

Для цитирования

Стерлядкин В. В., Куликовский К. В., Лихачева М. В. Метод измерения дисперсии уклонов капиллярных волн на морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. 2026. Т. 42, № 2. С. 198–215. EDN YIFQJI.

Sterlyadkin, V.V., Kulikovsky, K.V. and Likhacheva, M.V., 2026. Method for Measuring the Dispersion of Capillary Wave Slopes on the Sea Surface. Physical Oceanography, 33(2), pp. 246-262.

Список литературы

  1. Kwoh D. S. W., Lake B. M. Microwave scattering from short gravity waves // Wave Dynamics and Radio Probing of the Ocean Surface / eds. O. M. Phillips, K. Hasselmann. Boston, MA : Springer, 1986. P. 443–447. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-8980-4_30
  2. Wave tank study of steep gravity-capillary waves and their role in Ka band radar backscatter / S. A. Ermakov [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. Vol. 60. 4202812. EDN CWZYSK. https://doi.org/10.1109/TGRS.2021.3086627
  3. Ermakov S. A., Kapustin I. A., Sergievskaya I. A. On peculiarities of scattering of microwave radar signals by breaking gravity-capillary waves // Radiophysics and Quantum Electronics. 2012. Vol. 55, iss. 7. P. 453–461. EDN RGHBCV. https://doi.org/10.1007/s11141-012-9381-1
  4. Rozenberg A., Matusov P., Melville W. K. Polarized microwave scattering by surface water waves and turbulence // IGARSS’98. Sensing and Managing the Environment. 1998 IEEE International Geoscience and Remote Sensing: Symposium Proceedings. Seattle, WA, USA: IEEE, 1998. Vol. 4. P. 2273–2275. (Cat. No. 98CH36174). https://doi.org/10.1109/IGARSS.1998.703810
  5. Falcon E., Mordant N. Experiments in surface gravity–capillary wave turbulence // Annual Review of Fluid Mechanics. 2022. Vol. 54. P. 1–25. EDN DCFYEC. http://dx.doi.org/10.1146/annurev-fluid-021021-102043
  6. Bobb L.C., Ferguson G., Rankin M. Capillary wave measurements // Applied Optics. 1979. Vol. 18, iss. 8. P. 1167–1171. https://doi:10.1364/AO.18.001167
  7. Gravity wave turbulence in wave tanks: Space and time statistics / S. Lukaschuk [et al.] // Physical Review Letters. 2009. Vol. 103, iss. 4. 044501. EDN MXBWZV. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.044501
  8. Soman S. S., Singh S. K. Study of evolving young wind waves under steady wind forcing // Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2025. Vol. 147, iss. 5. 051201. EDN VYJCOQ. https://doi.org/10.1115/1.4067551
  9. Xu C., Perlin M. Parasitic waves and micro-breaking on highly nonlinear gravity–capillary waves in a convergent channel // Journal of Fluid Mechanics. 2023. Vol. 962. A46. https://doi.org/10.1017/jfm.2023.322
  10. Cox C., Munk W. Measurement of the roughness of the sea surface from photographs of the sun’s glitter // Journal of the Optical Society of America. 1954. Vol. 44, iss. 11. P. 838–850. https://doi.org/10.1364/JOSA.44.000838
  11. Breon F. M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2006. Vol. 111, iss. C6. C06005. https://doi.org/10.1029/2005JC003343
  12. Натурные измерения спектра поверхностных волн по фотографиям с беспилотного мультикоптера / М. В. Юровская [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15, № 1. С. 245–257. EDN XPNWMP. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2018-15-1-245-257
  13. Kosnik M. V., Dulov V. A. Extraction of short wind wave spectra from stereo images of the sea surface // Measurement Science and Technology. 2011. Vol. 22, no. 1. 015504. https://doi.org/10.1088/0957-0233/22/1/015504
  14. Directional short wind wave spectra derived from the sea surface photography / M. Yurovskaya [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 9. P. 4380–4394. EDN GHHPAE. https://doi.org/10.1002/jgrc.20296
  15. Spectral characteristics of gravity-capillary waves, with connections to wave growth and microbreaking / N. J. M. Laxague [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018. Vol. 123, iss. 7. P. 4576–4592. EDN YJFZGX. https://doi.org/10.1029/2018JC01385
  16. Retrieval of short ocean wave slope using polarimetric imaging / C. J. Zappa [et al.] // Measurement Science and Technology. 2008. Vol. 19, no. 5. 055503. https://doi.org/10.1088/0957-0233/19/5/055503
  17. An overview of sea state conditions and air-sea fluxes during RaDyO / C. J. Zappa [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C7. C00H19. EDN YCMQWD. https://doi.org/10.1029/2011JC007336
  18. Hughes B. A., Grant H. L. Chappell R. W. A fast response surface-wave slope meter and measured wind-wave moments // Deep Sea Research. 1977. Vol. 24, iss. 12. P. 1211–1223. https://doi.org/10.1016/0146-6291(77)90524-0
  19. Scanning laser wave recorder with registration of “Instantaneous” sea surface profiles / V. V. Sterlyadkin [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2021. Vol. 38, iss. 8. P. 1415–1424. EDN KJSNHJ. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-21-0036.1
  20. Стерлядкин В. В., Куликовский К. В., Бадулин С. И. Натурные измерения формы морской поверхности и одномерного пространственного спектра волнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21, № 1. С. 270–285. EDN LTPURJ. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2024-21-1-270-285
  21. Стерлядкин В. В., Куликовский К. В. Измерение капиллярных волн лазерным волнографом // Российский технологический журнал. 2022. Т. 10, № 5. C. 100–110. EDN AZEGKW. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-5-100-110
  22. Sterlyadkin V. V. The problem of reconstructing the profile of the sea surface from the video image of laser beams // Oceanology. 2024. Vol. 64, iss. 3. P. 342–352. EDN PWJTAY. https://doi.org/10.1134/S0001437024700024
  23. Стерлядкин В. В., Куликовский К. В., Задерновский А. А. Измерение капиллярных колебаний морской поверхности // Океанология. 2025. Т. 65, № 2. С. 201–211. EDN DXRYMK.
  24. Modulation of wind-wave breaking by long surface waves / V. A. Dulov [et al.] // Remote Sensing. 2021. Vol. 13, iss. 14. 2825. https://doi.org/10.3390/rs13142825
  25. Modulation of short wind waves by long waves / M. A. Donelan [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2010. Vol. 115, iss. C10. C10003. https://doi.org/10.1029/2009JC005794

Файлы

Полный текст

JATS XML

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.