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.
Purpose. The purpose of the work is to substantiate and apply in practice a new method for fast (0.01 s) recording of capillary wave parameters in natural conditions.
Methods and Results. The method is based on recording the image of a thin laser beam incidence on the sea surface. The scattered in water radiation is refracted at the rough interface and is recorded by a video camera located on the side. The beam image deviations are proportional to the surface slopes at the point of radiation exit. The largest slopes exceeding 30° are characteristic of capillary waves; it makes the method particularly effective for recording them. It has become possible to record the waves with the 30 µm amplitude from a distance 5–8 m. With the intense capillary ripples below the point of beam incidence on the surface, a light "skirt" is formed, the width of which grows with the increasing slopes. The distribution of the scattered light intensity in the cross-section of light "skirt" makes it possible to calculate the slope distributions on each frame or the probability function for a given time interval. The developed method for operational determination of the distribution of capillary wave slopes is applied for studying the capillary structure of various areas of sea waves, namely on crests and in troughs. It is established that the dispersion of capillary slopes in the troughs is significantly lower than that on the crests, which is consistent with the known data.
Conclusions. A new method for remote measuring the capillary wave slopes on the sea surface is proposed, it permits to carry out measurements on the surface areas of 10 × 10 cm in 0.01 s. The given example shows that at a significant wave height (1.1 ± 0.1) m and wind speed (7.4 ± 0.5) m/s, the average dispersion of capillary fraction was 0.0256 on the crests and 0.008 in the troughs. The advantage of the method consists in providing the possibility to carry out measurements in a wide range of weather conditions, as well as during night and day.