WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

Первое слагаемое в правой части (6) описывает кинематическую модуляцию [37], второе связано с модуляцией инкремента ветровых волн [40], третье - с модуляцией концентрации ПАВ в поле переменного течения и соответствующими вариациями декремента затухания ГКВ (пленочный механизм). Перечисленные механизмы определяют различный фазовый сдвиг вариаций спектра относительно профиля скорости U. Так, кинематический механизм приводит к усилению ГКВ над передним склоном профиля U (задним склоном профиля смещения пикноклина). Подавление волн (минимум N) из-за пленочного механизма в пренебрежении релаксацией ПАВ и при отвечает максимуму U, т.е. впадинам ВВ. Для механизма модуляции инкремента, в условиях, когда внутренняя волна распространяется “по ветру”, инкремент роста и спектральная интенсивность ГКВ уменьшаются вблизи максимума скорости U (см. [40]). В разделе 4.3 качественно проанализировано выражение для малых вариаций спектра волн в поле стационарного течения. Результаты раздела 4.3. используются далее в гл.4 при анализе вариаций спектров ГКВ в поле переменных течений различной природы. Раздел 4.4 посвящен лабораторному моделированию кинематического механизма модуляции ГКВ внутренней волной. В разделе 4.4.1 исследуется случай модуляции периодических ГКВ. Дан теоретический анализ модуляции на основе слабонелинейной теории взаимодействия ГКВ и ВВ, получена система уравнений, описывающих (при заданной ВВ) перераспределение энергии между основной компонентой ГКВ на частоте и сателлитами на частотах ±n и т.д. В приближении теории возмущений (n=1) получены выражения для коэффициентов амплитудной и частотной модуляции (АМ и ЧМ) ГКВ. Показано, что эти коэффициенты максимальны на частотах, отвечающих условию резонанса ГКВ и ВВ C=cg в гравитационной и капиллярной областях. Исследованы зависимости коэффициентов АМ и ЧМ от расстояния при резонансе, а также изменение с расстоянием положения макси­мумов амплитуды и частоты ГКВ относительно профиля ВВ. Для описания сильной модуляции выполнено численное решение системы для сателлитов, показано, что огибающая амплитуды ГКВ становится несимметричной, а рост коэффициента АМ с расстоянием замедляется. В разделе 4.4.2 изучена модуляция ветровых ГКВ, энергонесущие компоненты спектра которых на­ходятся в резонансе с ВВ. Показано, что коэффициент модуляции средней амплитуды ветровых ГКВ ведет себя аналогично случаю периодических ГКВ вплоть до расстояний порядка масштаба установления спектра волнения, а далее стремится к значению, близкому к коэффициенту АМ периодических ГКВ при расстоянии, равном об­ратному инкременту ветровых ГКВ.

В разделе 4.5 приведены результаты лабораторного моделирования в ветроволновом бассейне ИПФ РАН механизма модуляции концентрации ПАВ (пленки OLE и полимера Emkarox) под действием ВВ, в том числе при наличии ветрового дрейфового течения. Исследованы пробы пленок, взятых в различных фазах ВВ, измерен коэффициент затухания и к.п.н. и по известным для них зависимостям от концентрации ПАВ определены вариации этой концентрации. Результаты эксперимента подтвердили эффект усиления модуляции ПАВ, а также сдвиг максимумов концентрации ПАВ в случае, когда скорость течения близка к фазовой скорости ВВ.

Раздел 4.6 посвящен описанию результатов уникальных натурных наблюдений проявлений внутренних волн в виде сликовых полос на морской поверхности. Основным преимуществом экспериментов являлся их комплексный характер, когда проводились одновременные измерения характеристик ВВ, поверхностных волн и параметров пленок ПАВ; это позволило получить прямое подтверждение механизма формирования пленочных сликов в поле ВВ. Исследована изменчивость сечений спектров ГКВ см-дм-диапазона в направлении, перпендикулярном направлению распространения ВВ, когда пленочный механизм является доминирующим. При этом наблюдалось сильное (на порядок величины) подавление спектра см- волн в сликовых полосах над впадинами ВВ, интенсивность же волн дм-диапазона существенно не менялась. К.п.н. над впадинами ВВ существенно уменьшался, что соответствует повышенной концентрации ПАВ в сликовых полосах (рис. 4). Для ветровых ГКВ, распространявшихся под острыми углами к направлению распространения ВВ обнаружены эффекты совместного действия кинематического и пленочного механизмов: гашение см-волн в сликах над впадинами и небольшое усиление дм-волн над задним склоном ВВ. Измеренные давления пленки в сликовых полосах составили характерные величины 5-10 мН/м, упругости - 20-40 мН/м. Результаты расчетов неплохо согласуются с данными наблюдений (рис.4).

В разделе 4.7 проанализированы радиолокационные (РСА) спутниковые изображения ВВ. Описаны различные типы РСА изображений короткопериодных ВВ (длины 0,5-1 км) в прибрежных зонах в виде полос переменной яркости, либо темных полос; при очень слабом ветре вблизи порога возбуждения ветровых волн наблюдаются яркие полосы - положительные вариации интенсивности сигнала радиолокатора (рис.5).

Рис. 4. Интенсивность см-ГКВ (вверху) в поле цуга ВВ (в центре, показаны колебания глубины изотерм), отмечены моменты измерений давления пленок (стрелками) и его величины ( в мН/м). Внизу – результаты модельных расчетов.

Рис. 5. Основные типы радиоизображений коротких ВВ (спутник ERS-2).

Данные особенности изображений объясняются действием, соответственно, кинематического, пленочного и ветрового механизмов модуляции ГКВ внутренними волнами. Наряду с короткими ВВ на РСА-изображениях океанского шельфа обнаружены также проявления приливных ВВ, имеющие вид полос с периодами 15-20 км. Даны теоретические оценки, показывающие, что эти проявления можно объяснить перераспределением пленок ПАВ и соответствующей модуляцией ветровых ГКВ см-диапазона, а также механизмом модуляции инкремента ветровых ГКВ в поле приливных ВВ. Обнаружено, наконец, что возможен переход одного типа изображений коротких ВВ в другой в зависимости от их положения относительно фазы приливной ВВ. Так, в частности, полосы переменной яркости вблизи гребня приливной ВВ переходят в темные полосы вблизи впадины приливной ВВ; это объясняется наличием крупномасштабных вариаций упругости пленок ПАВ в поле приливной ВВ и, соответственно, доминированием вначале кинематического, а затем пленочного механизмов модуляции ГКВ.

В разделе 4.8 описаны натурные наблюдения пленочных сликов, формируемых в поле неоднородных течений и ветрового дрейфа. В разделе 4.8.1 приведены результаты наблюдений поверхностного проявления неоднородного течения, выполнявшихся в 5-м рейсе н.и.с. “Академик Вавилов” в феврале 1990 г. в тропической Атлантике у побережья Западной Сахары и включавших синхронные измерения профилей скорости течения, пространственных спектров ГКВ и к.п.н. Течение, характеризуемое наличием сильного градиента горизонтальной скорости в области шельфового склона, проявлялось на поверхности в виде полосы “слик-сулой” – прилегающих друг к другу полос выглаженного и усиленного волнения. В слике зафиксировано уменьшение к.п.н. (рост давления пленки), свидетельствующее о повышенной концентрации ПАВ в области градиента скорости течения. Трансформация спектра ветрового волнения характеризовалась сильным квазиизотропным гашением волн с длинами, менее 15-20 см в слике и анизотропным усилением ГКВ большей длины в области сулоя. На основе качественного теоретического анализа сделан вывод о том, что такой характер проявления течения на морской поверхности связан с совместным действием пленочного и кинематического механизмов воздействия течений на ГКВ. В разделе 4.8.2 описаны наблюдения, в ходе которых были за­регистрированы слики, формируемые неоднородными полями скорости дрейфовых течений для монотонного и осциллирующего ветровых фронтов. Представлены синхронные записи текущего спектра ветровых ГКВ см-дм диапазонов, вариаций к.п.н. и скорости ветра. Показано, что вариации спектров в обоих случаях типичны для пленочных сликов и характеризуются сильным подавлением см-ряби и быстрым уменьшением эффекта для ГКВ дм-диапазона. Получено, что пленка может концентрироваться как в области градиента скорости ветра, так и в минимумах скорости ветра. Дано качественное обсуждение результатов. В разделе 4.9 сформулированы основные результаты главы 4, опубликованные в работах [1*-7*, 9*, 20*-23*, 25*, 27*, 32*-35*, 39*- 41*, 45*, 46*, 48*].

В главе 5 анализируется влияние нелинейности на характеристики ГКВ см-мм-диапазонов и на их модуляцию под действием длинных поверхностных и внутренних волн в присутствии пленок ПАВ. Рассмотрены эффекты, связанные с присутствием в спектре сильно нелинейных ГКВ высших гармоник ГКВ - вынужденных компонент, в частности, паразитной капиллярной ряби [42-47]. В разделе 5.1 дано краткое введение в проблему генерации паразитной капиллярной ряби, приведены описание физического механизма генерации и основные теоретические выводы, а также краткая характеристика известных экспериментальных данных о свойствах ряби. В разделе 5.2 представлены результаты выполненных в работе лабораторных исследований характеристик паразитной ряби, возбуждаемой периодическими ГКВ. В разделе 5.2.1 описаны методика лабораторных экспериментов и результаты измерений характеристик несущих ГКВ и ряби (частоты, длины волны, наклона) оптическими и контактными методами. Определены характерные длины ряби, показаны ее стационарность (равенство фазовых скоростей ряби и несущих ГКВ), а также квазипороговый характер зависимости крутизны ряби от крутизны (амплитуды наклона) несущих ГКВ (рис.6). Показано, что рябь возбуждается ГКВ с длинами от 3-4 см до 20-30 см. В разделе 5.2.2 приведены результаты лабораторных экспериментов по изучению влияния паразитной ряби на радиолокационные сигналы мм-диапазона. Получено, что мощность радиолокационного сигнала возрастает пороговым образом с ростом крутизны несущих ГКВ (рис. 6), пороговое значение крутизны ГКВ 0,1, в согласии с результатами раздела 5.2.1.

Рис. 6. Амплитуда паразитной ряби (17-й гармоники с длиной 5 мм) для ГКВ с длиной 10 см и интенсивность радиолокационного сигнала Ка-диапазона как функции крутизны ГКВ с длинами 10 см и 40 см.

В разделе 5.3 изучено влияние паразитной ряби на характеристики коротких ветровых ГКВ. В лабораторном эксперименте с использованием специально развитых методов, основанных на анализе интенсивности лазерного пучка, проходящего через взволнованную поверхность воды, получены гистограммы кривизны периодических и ветровых ГКВ. Показано, что гистограммы асимметричны из-за несинусоидальности профиля ГКВ и присутствия паразитной ряби Для ветровых ГКВ наличие пленки приводит к увеличению асимметрии из-за более сильного (чем для паразитной ряби) подавления свободных ветровых волн мм-диапазона.

В разделе 5.4 описаны результаты лабораторных исследований фазовой скорости ветровых волн см-мм диапазона и их гашения пленками ПАВ. В разделе 5.4.1 приведены данные измерений доплеровских сдвигов частоты радиолокационных сигналов Ка-диапазона, по которым определялись фазовые скорости ГКВ с брэгговской длиной волны около 5 мм. На основе выражения для результирующей фазовой скорости cp=(cpk+Vdr)+R(cpkm-cpk) ГКВ (cpkm - фазовая скорость вынужденных волн, которая полагается равной скорости энергонесущих см-дм-волн, cpk - фазовая скорость свободных линейных ГКВ, Vdr - скорость ветрового дрейфа) сделаны оценки относительной интенсивности R паразитной ряби в спектре мм-ветровых волн. Получено, что доля паразитной ряби возрастает с ростом скорости ветра и с разгоном, а также с концентрацией ПАВ и может составлять значения порядка 0,5. В разделе 5.4.2 приведены результаты оптических измерений фазовых скоростей ГКВ в широком диапазоне длин см-мм-ГКВ. Скорости ГКВ измерялись с использованием ОСА и градиентного подводного источника, дающего изображение ГКВ в преломленном свете. Для “тестовой” квазипериодической дм-ГКВ получено, что ее высшие гармоники имеют фазовые скорости несущей ГКВ, а их амплитуды удовлетворяют теории Стокса. Фазовые же скорости ветровых ГКВ см-мм-диапазонов не удовлетворяют линейному дисперсионному уравнению, превышая фазовую скорость линейных ГКВ и увеличиваясь с ростом фазовой скорости ветровых энергонесущих дм-ГКВ. Даны оценки относительной интенсивности вынужденных компонент в спектре ветровых ГКВ см-мм-диапазонов. В разделе 5.4.3 представлены результаты лабораторных измерений гашения волн см-мм-диапазона пленками ПАВ. Дано экспериментальное подтверждение существования максимума спектрального контраста в области длин волн порядка 5-8 мм, что согласуется с данными натурных экспериментов (см. гл.3) и, очевидно, является следствием вклада паразитной ряби в спектр ветровых ГКВ. Раздел 5.5 посвящен натурному исследованию доплеровских сдвигов частоты радиолокационных сигналов Ka- и Х-диапазонов в пленочных сликах. Обнаружено, что доплеровский сдвиг в пленочных сликах может как уменьшаться, так и возрастать по сравнению с его величиной в отсутствие пленки, причем разность доплеровских сдвигов в сликах и на чистой воде зависит от упругости пленки (рис.7).

Рис. 7. Разность доплеровских сдвигов Ка-диапазона в сликах и фоне. Скорости ветра 5-8 м/с.

Качественное объяснение эффекта основано на предположении об изменении относительной интенсивности вынужденных компонент ГКВ в сликах и изменении результирующей фазовой скорости ГКВ.

В разделе 5.6 исследована каскадная модуляция паразитной ряби в поле внутренних волн. Раздел 5.6.1 посвящен результатам лабораторных исследований модуляции паразитной ряби под действием ВВ (в отсутствие пленок ПАВ). Исследован характер модуляции амплитуд основной ГКВ и ее высших гармоник мм-диапазона – паразитной ряби в зависимости от средней крутизны несущей ГКВ, получено, что коэффициент модуляции интенсивности паразитной ряби может на порядок превышать коэффициент кинематической модуляции несущих ГКВ (см. рис. 8).

Рис. 8. Синхронные записи ВВ и интенсивностей основной гармоники ГКВ с длиной 10 см и ее 17 гармоники с длиной волны 5 мм.

В разделе 5.6.2 приведены результаты натурных наблюдений модуляции в поле ВВ, в ходе которых регистрировались вариации мощности сигнала локатора Ка-диапазона, спектра ГКВ в диапазоне длин волн 8-130 см с помощью ОСА, колебаний изотерм в поле ВВ. Проанализированы величина и временной сдвиг максимума коэффициента взаимной корреляции сигналов скаттерометра и ОСА, а также максимума коэффициента взаим­ной корреляции горизонтальной компонен­ты орбитальной скорости ВВ с сигналами ОСА. Установлено, что коэффициент взаимной корреляции интенсивностей ряби и см-дм-ГКВ слабо зависит от длины ГКВ; при этом имеет место синфазность вариаций интенсивности ряби лишь с ГКВ с длинами менее 40 см, что согласуется с результатами лабораторных исследований паразитной ряби (см. раздел 5.2).

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»