Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Линейные гравитационно-капиллярные волны на поверхности воды, покрытой пленкой поверхностно-активного вещества (ПАВ) 27
1.1. Введение 27
1.2. Теория затухания гравитационно-капиллярных волн на поверхности воды, покрытой упругой пленкой 31
1.2.1. Гравитационно-капиллярные волны и волны Марангони 31
1.2.2. Коэффициент затухания гравитационно-капиллярных волн 37
1.3. Лабораторные исследования затухания гравитационно-капиллярных волн 41
1.3.1. Затухание волн в бассейне конечных размеров 41
1.3.2. Метод параметрически возбуждаемых волн 44
1.3.3. Измерения коэффициента затухания гравитационно-капиллярных волн 45
1.4. Лабораторные исследования характеристик мономолекулярных пленок на
поверхности воды методом параметрически возбуждаемых волн 49
1.4.1. Коэффициент поверхностного натяжения 49
1.4.2. Коэффициент затухания волн и динамическая упругость пленок 51
1.5. Выводы к главе 1 56
ГЛАВА 2. Упругие свойства морских поверхностных пленок 58
2.1. Введение 58
2.2. Методики взятия проб морских пленок 61
2.3. Изотермы и упругий гистерезис в морских пленках 65
2.3.1. Изотермы морских пленок 66
2.2.1. Упругий гистерезис в пленках ПАВ 73
2.4. Упругость пленок и коэффициент поверхностного натяжения в сликах на морской поверхности 77
2.5. Выводы к главе 2 85
ГЛАВА 3. Спектры ветровых гравитационно-капиллярных волн в присутствии пленок ПАВ 87
3.1. Введение. Общая формулировка задачи 87
3.2. Натурные эксперименты с искусственными сликами 92
3.3. Гашение пленками ветровых волн сантиметрового диапазона 98
3.3.1. Результаты экспериментов 98
3.3.2. Модель локального баланса 106
3.4. Гашение пленкой ветровых волн миллиметрового диапазона 109
3.5. Изменчивость ветровых волн дециметрового диапазона в присутствии пленок ПАВ 113
3.5.1. Эффект усиления дециметровых волн в слике. Эксперимент 113
3.5.2. Физический механизм эффекта усиления и модель спектрального контраста дециметровых волн в сликах 118
3.6. О возможностях радиолокационной диагностики пленок 127
3.7. Выводы к главе 3 132
ГЛАВА 4. Динамика гравитационно-капиллярных волн и пленок ПАВ в поле переменных течений. Слики на морской поверхности 134
4.1. Введение. Общая формулировка задачи 134
4.2. Динамика пленок ПАВ в поле поверхностных течений 138
4.2.1 .Пленка в поле стационарных неоднородных течений 139
4.2.2.Пленка в поле внутренних волн 140
4.3. Механизмы изменчивости спектров ветровых волн в поле неоднородных течений в присутствии пленок ПАВ 153
4.4. Лабораторное моделирование кинематического механизма модуляции гравитационно-капиллярных волн внутренней волной 157
4.4.1. Модуляция регулярных гравитационно-капиллярных волн 159
4.4.2. Модуляция ветровых волн 170
4.5. Лабораторное моделирование механизма модуляции концентрации ПАВ внутренней
волной 176
4.6. Натурные наблюдения проявлений внутренних волн на морской поверхности в присутствии пленок ПАВ 182
4.7. Радиолокационные спутниковые изображения внутренних волн на морской поверхности 196
4.8. Натурные наблюдения пленочных сликов в поле неоднородных течений и ветрового дрейфа 209
4.8.1. "Слик-сулой" в поле неоднородного океанического течения 209
4.8.2. Слики в поле неоднородного ветрового дрейфа 216
4.9. Выводы к главе 4 221
ГЛАВА 5. Сильнонелинейные гравитационно-капиллярные волны и влияние на них пленок ПАВ 225
5.1. Введение. Физический механизм генерации паразитной капиллярной ряби крутыми
гравитационно-капиллярными волнами 225
5.2. Лабораторное исследование характеристик паразитной капиллярной ряби,
возбуждаемой периодическими гравитационно-капиллярными волнами 23 0
5.2.1. Характеристики паразитной капиллярной ряби 230
5.2.2. Влияние паразитной ряби на радиолокационное рассеяние 236
5.3.Лабораторное исследование кривизны гравитационно-капиллярных волн 241
5.4. Лабораторные исследования фазовой скорости мелкомасштабных ветровых волн см-мм диапазона и их гашения поверхностными пленками 252
5.4.1. Радиолокационные измерения фазовых скоростей мм-волн 252
5.4.2. Оптические измерения фазовых скоростей см-мм-волн 259
5.4.3. Гашение пленками ветровых волн см-мм-диапазонов 267
5.5. Эффект изменения доплеровского сдвига частоты радиолокационных сигналов мм-диапазона в сликах на морской поверхности г. 270
5.6. Каскадная модуляция паразитной ряби в поле внутренних волн 281
5.6.1 .Лабораторное исследование каскадной модуляции 281
5.6.2. Натурные наблюдения каскадной модуляции 286
5.7. Модуляция ветровых волн мм-диапазона в поле длинных волн в сликах 289
5.7.1. Модуляционная передаточная функция и доплеровские сдвиги 290
5.7.2. Натурные исследования сильной модуляции радиолокационных сигналов под действием длинных волн на воде с пленкой ПАВ 294
5.7.3. Лабораторные исследования сильной модуляции радиолокационных сигналов длинными волнами в присутствии пленки ПАВ 303
5.8. Выводы к главе 5 313
Заключение 316
Список цитированной литературы 319
- Теория затухания гравитационно-капиллярных волн на поверхности воды, покрытой упругой пленкой
- Изотермы и упругий гистерезис в морских пленках
- Гашение пленками ветровых волн сантиметрового диапазона
- Механизмы изменчивости спектров ветровых волн в поле неоднородных течений в присутствии пленок ПАВ
Введение к работе
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 развития 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 (существование 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 интенсивному гашению 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, получаемых с помощью РСА [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 дистанционных 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 ветровых ГКВ. При этом известные ранее данные об особенностях спектров ГКВ в пленочных сликах (см. [19-21, 30] и цитированную литературу) были явно недостаточны для развития количественных методов дистанционной диагностики пленок. 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, соответственно, 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 и 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 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 механизма каскадной модуляции в натурном эксперименте.
15. Обнаружен эффект усиления модуляции радиолокационных сигналов СВЧ-диапазона, обусловленной длинными поверхностными волнами в присутствии пленки ПАВ на морской поверхности, 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 по характеристикам 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.
Полученные в диссертации результаты использовались в следующих исследовательских проектах, выполненных и выполняющихся под руководством автора: в проектах Российского фонда фундаментальных исследований 93-05-08126-а (1993-1995 гг.), 96-05-65087-а (1996-1998 гг.), 99-05-64797-а (1999-2001гг.), 01-05-79035-к (2001г.), 02-05-65102-а (2002-2004 гг.), 03-05-79053-к (2003г.), 04-05-79015-к (2004г.), 05-05-64137-а (2005-2007гг.), 05-05-79045-к (2005г.), 06-05-79018-к (2006г.), 07-05-10030-к (2007г.); Международного научно-технического центра (МНТЦ Р1774, 2000-2001гг.); INTAS (№96-1665 "Organic slicks on the sea surface and their remote sensing", 1997-1999rr.; №03-51-4987 "Slicks as Indicators of Marine Processes", 2004-2007rr.; №8014 "Bound waves: dynamics and impact on remote sensing of the sea surface" 2006-2009rr.); INTAS-GMES ("OSCSAR", "DeCOP", 2004-2005rr.); INTAS-ESA ("MOPED", "DEMOSSS", 2006-2008гг.); а также при участии автора в проектах CRDF- Grant Assistant Program RGO-655; ФЦНТП Миннауки РФ (Госконтракт N 40.020.1.1.1171); ФЦП Миннауки РФ "Мировой океан" (II этап, 2003-2007 гг., госконтракт N 43.634.11.0014), ОФН РАН «Проблемы радиофизики» (2004-2006 гг.), научной школы акад. В.И Таланова (2005-2007гг.).
Апробация результатов работы и публикации.
Основные результаты диссертации докладывались на меэюдународных конференциях: Генеральной океанографической ассамблее (Акапулько, Мексика, 1988), Симпозиуме "Взаимодействие океана и атмосферы" (Марсель, Франция, 1993), II Европейской конференции по механике жидкости (Варшава, Польша, 1994), коллоквиуме Евромех №287 "Поверхностные слики и мониторинг взаимодействия между океаном и атмосферой" (Ворвик, Великобритания, 1997), Международных симпозиумах по наукам о Земле и дистанционному зондированию - IGARSS (Сиэтл, США, 1998; Гамбург, Германия, 1999; Гонолулу, США, 2000; Сидней, Австралия, 2001;Торонто, Канада, 2002), симпозиуме Европейского космического агентства "Совместное использование MERIS/ASAR для наблюдения морских сликов и мелкомасштабных процессов" (Италия, 2003), Международном симпозиуме "Тематические проблемы физики нелинейных волн" (Нижний Новгород, Россия, 2003), Международном американско-балтийском симпозиуме (Клайпеда, Литва, 2004), Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (Ницца, Франция, 2004; Вена, Австрия, 2006), Международной конференции "Современные проблемы оптики естественных вод" (Нижний Новгород, 2007); на российских конференциях:
Всероссийской Юбилейной конференции РФФИ (Москва, 2002), Юбилейной всероссийской научной конференции (10 лет РФФИ) "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы" (Москва, 2002), Школах по нелинейным волнам (Нижний Новгород, 2004, 2006), Открытых Всероссийских конференциях "Дистанционное зондирование Земли из космоса" (Москва, 2003, 2004, 2006); межведомственных конференциях "Проявления глубинных процессов на морской поверхности" (Н. Новгород, 2003,2005,2007); на приглашеных семинарах:
в Университете Гамбурга (Германия, август, 1990; февраль, 1991; апрель, 2004), в Университете Флоренции (Италия, апрель, 1993; ноябрь, 1998), в Университете Саутгемптона (Великобритания, июнь, 1995; декабрь, 2003), в Военно-морской исследовательской лаборатории (США, Вашингтон, июнь, 1998), в Технологическом центре Винфрича (Великобритания, июль, 1999), в Университете Лиссабона (Португалия, ноябрь, 2000; ноябрь, 2002), в Университете Порту (Португалия, ноябрь, 2000), в Университете Гейдельберга (Германия, январь, 2002), в Университете Осло (Норвегия, апрель, 2007), в ИКИ РАН (Москва, апрель, 2003), а также на семинарах в ИПФ РАН.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [48-111], из них 20 статей в рецензируемых российских журналах, 12 статей в зарубежных рецензируемых журналах и изданиях, 22 работы в трудах конференций, 8 статей в тематических сборниках и 2 препринта.
Структура и объем работы.
Диссертации состоит из Введения, 5 глав и Заключения. Общий объем - 335 страниц, включая 144 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 232 наименования, в том числе 64 работы по результатам диссертации.
Теория затухания гравитационно-капиллярных волн на поверхности воды, покрытой упругой пленкой
Как уже отмечалось в разделе 1.1, экспериментальные исследования затухания монохроматических ГКВ на пленках ПАВ проводились, в основном, для ГКВ с частотами 100-200 Гц (см. обзор [22]) и, соответственно, с длинами волн порядка Змм и менее. Для ГКВ в этой частотной области, как следует из теории, наиболее интересные особенности в поведении коэффициента затухания, в частности, максимум последнего, отвечают пленкам с довольно малыми значениями упругости, которые не представляют большого практического интереса. Кроме этого, для задач дистанционной, в т.ч., радиолокационной диагностики морской поверхности интересен диапазон ГКВ с меньшими частотами (порядка 5-20 Гц). Единичные измерения затухания ГКВ в области частот порядка 10 Гц, выполненные в [129-133] были в значительной мере качественными и преследовали, в основном, цель показать существование максимума относительного коэффициента затухания от частоты. Измерения затухания ГКВ в отмеченных выше лабораторных экспериментах выполнялись, как правило, для бегущих ГКВ, возбуждаемых механическими волнопродукторами. При этом, однако, встает проблема неоднородности пространственного распределения концентрации ПАВ (см. [134]) из-за средних течений, индуцированных бегущими ГКВ, что может приводить к большим ошибкам при оценках коэффициента затухания ГКВ.
В предложенном нами методе измерения коэффициента затухания ГКВ удается избежать ошибок из-за неоднородности концентрации ПАВ, обусловленной средними индуцированными течениями. Метод основан на измерения затухания стоячих ГКВ, параметрически возбуждаемых в кювете с водой, установленной на вибрирующем основании. Ниже дан анализ затухания стоячих ГКВ в ограниченном бассейне и приведены результаты экспериментального исследования затухания ГКВ на поверхности чистой воды и в присутствии пленки ПАВ.
В кювете возбуждались параметрические стоячие ГКВ с частотой, равной половине частоты колебаний вибростенда (частоты накачки). Коэффициент затухания ГКВ определялся по измерениям порогового ускорения пьезоакселерометром, сам режим возбуждения регистрировался лазерным наклономером, либо визуально, по возникновению картины стоячих ГКВ. Вначале частота накачки выбиралась на основе оценки частоты резонансной моды ГКВ с соответствующим номером т, а затем экспериментально проводилась тонкая подстройка вблизи выбранного значения частоты из условия минимума порога возбуждения при точном параметрическом резонансе. На практике процедура подстройки к резонансу требовалась лишь на низких частотах ГКВ (ниже 10-15 Гц), для достаточно высокочастотных ГКВ, особенно при наличии сильного затухания, обусловленного пленкой, частоты накачки могли выбираться практически произвольно ввиду перекрытия резонансных кривых соседних мод ГКВ. Режим параметрического возбуждения в таких условиях является квазилокальным в пространстве и практически не подвержен влиянию границ бассейна. Картина стоячих волн в кювете регистрировалась цифровой фотокамерой, и по фотоснимкам определялась длина ГКВ. По длине стоячей волны, согласно дисперсионному уравнению для ГКВ, рассчитывался коэффициент поверхностного натяжения. Ошибка в измерении длины волны не превышала 5-7 %. Ошибка при измерениях длины волны определялась ошибкой в определении положений гребней и склонов на изображении ГКВ. Так, например, при освещении поверхности воды источником света, расположенным сверху, и наблюдении вертикально вниз положения ярких полос в изображении ГКВ отвечают гребням стоячих волн вблизи оси наблюдения и смещаются на склоны ГКВ при достаточном удалении от оси. В условиях экспериментов такое смещение не превышало четверть длины ГКВ. Учитывая, что измерения проводились по 4-5 длинам волн получаем указанную выше величину ошибки.
Как следует из рис. 1.3.3 результаты измерений хорошо согласуются с экспериментом. Это указывает, во-первых, на оправданность принятого предположения о слабом влиянии эффектов гистерезиса краевых углов для условий данных лабораторных экспериментов и, во-вторых, на возможность использования предложенной методики для измерения коэффициента затухания ГКВ из-за пленки ПАВ. Ошибка в измерениях коэффициента затухания ГКВ, определяемая, в основном, эффектом гистерезиса порога их параметрического возбуждения не превышает 10 %.
Затухание в присутствии пленки ПАВ. Рассмотрим теперь результаты измерений зависимости коэффициента затухания ГКВ при наличии пленки. Измерения проводились для ряда нерастворимых в воде органических жирных кислот и спиртов, образующих, как известно (см [112, 113]), мономолекулярные пленки на поверхности воды, а именно, олеилового спирта (OLA), олеиновой кислоты (OLE) и додецилового спирта (DA). Кроме этого изучались пленки, образуемые жирным полимерным ПАВ — полиоксиалкиленгликолем (коммерческое название Emkarox). Заметим, что для корректного определения декремента по измерениям порога параметрического возбуждения ГКВ необходимо знание коэффициента поверхностного натяжения, определяемого для исследуемой пленки по измерениям длины волны ГКВ. Результаты исследования зависимостей к.п.н. и параметра упругости пленок данных органических веществ от поверхностной концентрации ПАВ подробно представлены в следующем разделе. Здесь же рассмотрим лишь характер частотных зависимостей измеренного коэффициента затухания ГКВ с целью продемонстрировать возможности восстановления упругости пленок ПАВ.
Зависимости, полученные после вычитания из измеренных значений полного декремента затухания у% теоретически рассчитанных величин yw представлены в качестве примера на рис. 1.3.4 для пленок олеиновой кислоты и олеилового спирта при нескольких поверхностных концентрациях ПАВ. На этом же рисунке построены теоретические зависимости коэффициента затухания при разных упругостях пленок.
Изотермы и упругий гистерезис в морских пленках
Состояние пленки как двумерной формы вещества характеризуется видом ее изотермы - зависимостью давления пленки Щ=ОО- У на ограничивающий ее барьер от площади А пленки, или от концентрации Г ПАВ при постоянной температуре ( здесь его и а- соответственно коэффициенты поверхностного натяжения чистой воды и воды с пленкой). По изотерме можно найти параметр статической упругости пленки Est = -Adnf I dA. Хотя затухание ГКВ определяется, вообще говоря, динамической упругостью Е, величины Е и Esl зачастую оказываются близкими, например, для случая ненасыщенных мономолекулярных слоев чистых ПАВ (см. раздел 1.4). Поэтому исследование изотерм пленок весьма важно при анализе механизмов изменчивости спектров ветрового волнения и формирования сликов на морской поверхности.
Изотермы морских пленок изучались в ряде работ (см., например, [142-147, 149, 150]. В работах [142, 143, 145] анализируется, в частности, возможность описания изотерм пленок эмпирическим "вириальным" уравнением состояния, хотя этот анализ и основан на довольно ограниченном объеме данных, что, как уже отмечалось выше, связано с трудностями взятия проб пленок.
Важным фактором, который влияет на концентрацию ПАВ и, соответственно, на упругость пленок является перемешивание, обусловленное ветровым волнением. Связь состояния морских пленок с интенсивностью ветрового волнения в упомянутых выше работах не изучалось. В то же время, учет влияния ветрового волнения на состояние пленок может оказаться важным, например, в задачах о модуляции ветровых волн в поле неоднородных поверхностных течений (см. гл.4).
Другой особенностью морских пленок, которая также не учитывалась при построении моделей их изотерм в упомянутых выше работах является не чисто упругий характер их деформации, проявляющийся в обнаруженном в нашей работе [59] эффекте гистерезиса изотерм и релаксации давления пленки.
В настоящем разделе приведены результаты экспериментальных исследований изотерм морских пленок, выполненных в прибрежной зоне Черного моря при различных скоростях ветра с использованием описанной в разделе 2.2 методики взятия проб модифицированной ванной Ленгмюра. Получено, в частности, что с ростом интенсивности ветрового волнения происходит переход пленки в более разреженное состояние, например, из конденсированного в газообразное; при уменьшении интенсивности волнения пленка релаксирует к конденсированной фазе. Показано также, что в морских пленках наблюдаются релаксационные эффекты, связанные с вязкопластичностью пленок, что проявляется в виде гистерезиса в цикле "сжатие-растяжение" пленки.
Как известно [112, 113, 138], состояние мономолекулярных пленок, образованных амфифильными молекулами (молекулами, имеющими гидрофильную концевую группу и длинную углеводородную гидрофобную цепь) во многом аналогично двумерному газообразному или конденсированному состоянию вещества. В газообразном состоянии молекулы ПАВ "лежат" на поверхности воды, практически не взаимодействуя между собой. Изотермы таких пленок приближенно могут быть описаны уравнением состояния идеального двумерного газа , nfAm=kT, (2.3.1) где Т — температура, к- постоянная Больцмана, Ат - значение площади, приходящейся на одну молекулу. Для пленки ПАВ массы т, занимающей площадь А уравнение (2.3.1) эквивалентно 7TjA=mRT, (2.3.1а) (R- газовая постоянная) или, учитывая, что т/А=Г(Г— поверхностная концентрация) it f = RJT (2.3.16) Для более корректного описания газообразных пленок с ростом их давления используют уравнение состояния, аналогичное уравнению Ван-дер-Ваальса вида (л/+а/А2т)(Ат-АтЫ) = кТ, (2.3.2) где учитьшается дополнительное давление, обусловленное межмолекулярным взаимодействием и конечные размеры молекул, или, эквивалентно l-Г/Г, RTmmol Здесь mmol, Amol - масса и площадь молекулы ПАВ, Fs = mmol I Amol - концентрация предельного (насыщенного) монослоя, а - эмпирический коэффициент.
При сжатии пленки, подобно обычному трехмерному веществу, возможна конденсация ПАВ и переход из газообразного состояния в конденсированное (жидкое или твердое). В "жидких" пленках молекулы расположены более упорядоченно, их полярные группы притягиваются к воде, и взаимодействие молекул друг с другом определяется расположенными над водой углеводородными концами. В "растянутой жидкой" пленке (двумерной изотропной жидкой фазе, см. [138]) молекулы уже достаточно сильно взаимодействуют между собой, хотя положения углеводородных цепочек практически неупорядочены по отношению к поверхности воды; изотермы таких пленок подобны изотермам газообразных пленок, но упругость жидко-растянутых пленок выше, чем у газообразных. Кроме того, в отличие от изотерм газообразных пленок, давление в которых с ростом площади асимптотически стремится к нулю, изотермы растянутых пленок при очень низких давлениях характеризуются наличием максимальной площади (около 48 А на молекулу при комнатной температуре [112]). Для полутвердых, или жидкокристаллических, пленок взаимодействие гидрофобных цепей более значительно, что приводит к ориентации хвостов молекул под небольшими углами к нормали к поверхности, хотя эти хвосты и сохраняют достаточную гибкость; изотермы таких пленок близки к линейным. Конденсированные пленки характеризуются плотной упаковкой молекул, для их изотерм характерен резкий рост давления, начиная с площади, при которой молекулы приходят в состояние с плотной упаковкой (площади на молекулу порядка 20-25 А ), изотермы таких пленок близки к прямым, наклон которых значительно больше, чем жидких пленок.
Гашение пленками ветровых волн сантиметрового диапазона
Несмотря на значительный интерес к проблеме, объем экспериментальных данных по изменчивости ветрового волнения в пленочных сликах в разных диапазонах длин волн довольно ограничен. Влияние пленок ПАВ на спектры волнения исследовалось, в частности, в ряде натурных экспериментах с искусственными пленочными сликами (см. [21, 25, 30, 55, 57, 61, 62, 65, 156-159, 161], а также обзор [160]). Анализ частотных спектров ветровых волн, выполненный в ходе ранних экспериментов с искусственными сликами показал, что в области, занимаемой пленкой ПАВ, заметно уменьшается интенсивность волнения как в высокочастотной части спектра (на частотах порядка нескольких герц и выше) [57, 157-159], так и в гораздо меньшей степени для энергонесущих компонент (доли герца) [158]. Одновременно трансформиру ется и поле ветра над сликом, в частности, согласно [156], наблюдается уменьшение параметра шероховатости и некоторое увеличение средней скорости ветра в области слика. В то же время, для задач дистанционной диагностики наиболее важными являются результаты измерений пространственных спектров (спектров волновых чисел), для использования же в этих задачах частотных спектров, полученных на основе измерений волнения в точке и интегрирующих волны, распространяющиеся в разных направлениях, необходимы дополнительные предположения об угловом распределении ветрового волнения. Кроме этого, интерпретацию частотных спектров, в частности, в сантиметровом диапазоне, существенно усложняют эффекты движения коротких волн в поле орбитальных скоростей более длинноволновых компонент (см. ниже). Наиболее интересные результаты, касающиеся особенностей изменений пространственного спектра коротких ветровых волн см-диапазона в сликах были получены в [30, 161] с использованием многочастотного радиолокатора L-C-X-Ku-диапазонов (длины радиоволн, соответственно, от 20 см до 2 см). Из полученных в [30, 161] данных следовало, что степень гашения волнения (контраст) монотонно растет с уменьшением длины волны радиолокатора и, соответственно, длины ветровых волн (эксперименты проводились в условиях, отвечающих Брэгговскому механизму рассеяния). В ходе этих измерений, однако, ввиду ограниченности объема экспериментальных данных не удалось выявить количественных зависимостей спектрального контраста от длины ветровых волн, скорости ветра, физических характеристик пленок.
В наших работах [55, 57, 61, 62, 65,] были выполнены измерения волнения в искусственных сликах с использованием как радиолокационных, так и оптических методов, позволяющих изучать изменчивость спектра волн в широком диапазоне волновых чисел, а также проведены контактные измерения волнения струнными волнографами и анализ частотных спектров волнения. В результате данных экспериментов были установлены новые закономерности изменчивости спектров ветровых волн в присутствии пленок ПАВ и предложены основные механизмы этой изменчивости. Так, было установлено, что в сликах небольшого размера (размеры менее 10 м) влияние пленки проявляется, в основном, как эффект гашения ГКВ сантиметрового и частично дециметрового диапазонов (длины волн 15-20 см), степень гашения при этом возрастает с ростом волнового числа ГКВ. Механизм такого гашения связан с линейной вязкой диссипацией волн в присутствии упругой пленки (см. гл.1). В сликах большого размера (порядка 102— 103 м), наряду с подавлением сантиметровых и частично дециметровых волн наблюдалось также сравнительно слабое гашение метровых волн. Кроме этого, был обнаружен новый, весьма неожиданный эффект воздействия пленки на ветровое волнение: в пленочных сликах большого размера имеет место усиление волн дециметрового диапазона (длины волн от 20-30 см до 1-1,5 м) [55, 57, 61]. Заметим, что данный эффект меняет сложившееся представление о пленочных сликах как об областях только выглаживания волнения и представляет несомненный интерес как с точки зрения изучения механизмов генерации и диссипации ветровых волн, так и в прикладном аспекте - идентификации сликов дистанционными методами. Обнаруженные эффекты уже не могут непосредственно определяться малой для волн дециметрового и метрового диапазонов вязкой диссипацией и, очевидно, должны быть связаны с особенностями нелинейных взаимодействий различных спектральных компонент волнения, а также с возможной трансформацией поля ветра над пленочными сликами. Нелинейность волн играет важную роль и в изменчивости спектра волнения миллиметрового диапазона, в частности, обнаруженный нами эффект максимума гашения волн с длинами порядка 5-7 мм связан, как предполагается, с "паразитной капиллярной рябью", возбуждаемой дециметровыми и сантиметровыми волнами большой крутизны (см. [44-47]).
Анализ результатов экспериментов с искусственными сликами, таким образом, позволяет заключить, что имеется целый ряд различных механизмов воздействия пленок на короткие ветровые волны. Один из них - линейный механизм вязкой диссипации гравитационно-капиллярных волн сантиметрового диапазона, другие связаны с изменением режима поступления энергии от ветра и нелинейными взаимодействиями волн различной длины и проявляются как в капиллярной (миллиметровой) области спектра, так и для более длинных гравитационных волн дециметрового и метрового диапазонов. Трудности построения модели изменчивости волнения в сликах как раз и заключаются в сложности и недостаточном уровне исследованности процессов возбуждения, распространения и диссипации ветрового волнения и, соответственно, в недостаточном уровне развития адекватной модели коротких ветровых волн в целом.
Механизмы изменчивости спектров ветровых волн в поле неоднородных течений в присутствии пленок ПАВ
Слики на морской поверхности как области "выглаживания" коротких ветровых волн вызываются различными физическими процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы и характеризуются большим разнообразием геометрических форм (одиночные или периодические полосы, спирали, "нитевидные" структуры сложной формы и пр. [10, 11, 175]). Геометрия сликов обусловлена структурой неоднородных приповерхностных течений, которые связаны с фронтальными зонами, внутренними волнами, океаническими и атмосферными вихрями и т.д. и которые оказывают влияние на характеристики ветровых волн как непосредственно, так и за1 счет перераспределения концентрации ПАВ. В связи с этим в литературе обсуждаются возможности использования сликов как индикаторов атмосферных и океанических процессов при дистанционной диагностике последних (см., например, [19]).
Механизмы воздействия неоднородных течений на характеристики ветровых волн и образования сликов (областей гашения волн) и сулоев (зон усиления волнения) на морской поверхности рассматривались в целом ряде работ (см., [10-12] и цитированную литературу). Значительное развитие получил т. наз. кинематический механизм трансформации ГКВ на неоднородных течениях, который теоретически анализировался (без учета влияния пленок ПАВ) в работах [36, 37, 176-178], а ряд его проявлений в натурных условиях исследован в [36, 178]. Что касается механизма изменчивости коротких ветровых волн в присутствии пленок ПАВ - "пленочного механизма", то первое качественное его рассмотрение было дано в работе [179], где анализировалось перераспределение ПАВ под действием внутренних волн для объяснения их проявлений в виде полосовых структур на морской поверхности. Следует подчеркнуть, что проблема воздействия неоднородных течений на характеристики ветровых волн в присутствии пленок ПАВ и формирования пленочных сликов включает два, вообще говоря, взаимосвязанных аспекта. Один из них — исследование неоднородных и нестационарных распределений концентрации ПАВ, обусловленных поверхностными течениями, связанными с динамическими процессами в океане и атмосфере. Другой - анализ трансформации спектров ветровых волн в присутствии неоднородных распределений концентрации ПАВ и неоднородных течений. Частично последний аспект уже рассматривался в гл. 3, где исследовалось влияние пленок с заданными физическими характеристиками на спектр ветровых волн без учета непосредственного влияния течений на волнение. Количественное описание пленочного механизма изменчивости ветровых волн на неоднородных течениях было дано впервые в [48, 49, 52, 56] и использовано затем для объяснения поверхностных проявлений внутренних волн, а также проявлений неоднородных течений и ветрового дрейфа [67, 69, 72, 74]. Особенности модуляции концентрации ПАВ течениями теоретически рассматривались в [32, 33, 48, 49, 56, 68], где было установлено, в частности, что существенную роль могут играть эффекты нестационарности ВВ [32, 68], а также наличие постоянного дрейфового течения [68]. Количественные наблюдения проявлений пленочного механизма в натурном эксперименте, так же как и само подтверждение связи пленочных сликов с динамическими процессами, ранее фактически отсутствовали (исключение составляли лишь слики в поле ленгмюровской циркуляции, а также слики, образующиеся за движущимся судном, изучавшиеся в [180, 35] ) и были даны лишь в ходе комплексных экспериментов, выполненных в Институте прикладной физики РАН и описанных в наших работах (см. [67, 69, 72, 74, 86]).
Общая формулировка задачи. Анализ изменчивости характеристик ветровых волн действием неоднородных течений и внутренних волн в присутствии пленок ПАВ может быть проведен на основе кинетического уравнения для спектральной плотности волнового действия ветровых волн, уравнения баланса для концентрации Г ПАВ и уравнений состояния пленки: —Чг = - Г+(с г +u --ki T- - = Q(N u E (T ?) 4-1.1) at dt Si l ax. l ax . ж. J J + div (T.U ) = W (T,N ,..) (4.1.2) dt E = E(JT,o),...) , а = а(Г) (4.1.3) 135 Здесь, как и ранее (см., гл.З), N(k,x,t) = E(k,x,t)/o)(k) = F(k,x,t)o)(k)/\k\ -спектральная плотность волнового действия, E(k,x,t) - спектр энергии, a F(k,x,t) -спектр возвышений ветровых волн, a (k) = {gk + cr Iр -к3У 2 - частота гравитационно-капиллярных волн, сК групповая скорость ГКВ. Отличие (4.1.1) от уравнения для спектра волнового действия, ранее использовавшегося в гл. 3, состоит в том, что здесь присутствуют слагаемые, содержащие горизонтальную скорость течения Ut как медленно меняющуюся функцию горизонтальных координат Xi=(x,y) и времени t, неоднородность течения по глубине не учитывается.
В уравнении баланса (4.1.2) для концентрации правая часть описывает процессы поступления ПАВ из приповерхностных слоев воды и воздуха, а также эффекты перемешивания ПАВ и пр. Данные процессы зависят, вообще говоря, от характеристик поверхностного волнения, поэтому правая часть (4.1.2) является функцией N Отметим, кроме этого, что скорость на поверхности U в уравнении (4.1.2), в общем случае, не может считаться заданной и зависит как от характеристик пленок, так и от характеристик поверхностных волн (например, при учете индуцированных волнами средних течений). Поэтому, уравнения (4.1.1) - (4.1.3) должны решаться в общем случае как самосогласованная система. Ниже, однако, при анализе изменчивости спектров ветрового волнения в поле неоднородных течений будем полагать скорости течений в уравнениях (4.1.1) и (4.1.2) заданными. Такое предположение оказывается оправданным, если не учитывать эффекты обратного воздействия пленки на структуру течения в приповерхностном пограничном слое, которые могут оказаться заметными лишь на пространственно-временных масштабах лабораторных экспериментов, причем для пленок с большими упругостями (порядка и 50 мН/м). Можно также не учитывать вклад в поле скорости U нелинейных течений, индуцированных поверхностным волнением, что справедливо, если эти индуцированные течения и их градиенты малы по сравнению с соответствующими величинами, непосредственно связанными с динамическими процессами вблизи поверхности. Наконец, не будет приниматься во внимание зависимость правой части (4.1.2), описывающей процессы релаксации и диффузии ПАВ от характеристик ветровых волн, ввиду отсутствия в литературе соответствующих теоретических моделей и экспериментальных данных.
