Экспериментальное исследование затухания волн на поверхности воды, покрытой несплоченным льдом в приложении к проблеме дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование ветровых волн, распространяющихся в областях водной поверхности, покрытых льдом на начальных этапах его формирования, является актуальной задачей для картографирования ледовых зон и их динамики. Другой аспект проблемы - изучение возможности различия ледовых зон и разливов нефти и нефтепродуктов, а также зон локального уменьшения скорости приводного ветра на радиолокационных изображениях.
Настоящее исследование направлено на моделирование процесса затухания поверхностных волн имитаторами льдин в лабораторных и натурных экспериментах. Лабораторные эксперименты проводились в контейнере, наполненном дистиллированной водой, с целью исключения влияния пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ) на затухание волн. Контейнер устанавливался на вибростенде, и поверхностные гравитационно-капиллярные волны (ГКВ) заданных частот параметрически генерировались при амплитуде колебаний, превышающей некоторый пороговый уровень. По измеренному значению пороговой амплитуды методом параметрически возбуждаемых волн [1] восстанавливались коэффициенты затухания волн. В лабораторном эксперименте в качестве имитаторов льдин использовались тонкие губки из целлюлозы двух разных размеров. Относительная площадь покрытия «льдинами» водной поверхности варьировалась в экспериментах. Были получены зависимости коэффициента затухания при различных соотношениях между длиной волны на поверхности и размерами льдины в зависимости от площади покрытия. Было получено, что затухание ГКВ при наличии льдин, сопоставимых по размеру с длиной ГКВ, может быть на один-два порядка больше, чем затухание волн за счет нерастяжимой пленки [2].
Натурные эксперименты были проведены на Горьковском водохранилище с использованием исследовательского судна-тримарана ИПФ РАН «Геофизик». Куски фанеры с размерами около 20х30 см использовались как имитаторы льдин и размещались между двумя баллонами тримарана. Рассматривалось затухание поверхностных волн на ветровом волнении и волнении, генерируемом вертикально осциллирующим моторным катером. Амплитуда волн измерялась волнографами, установленными на носу и корме тримарана. Полученное расстояние затухания механически возбуждаемых волн в присутствии льдин составляет примерно 6 длин волн, что указывает на то, что подавление волн льдинами больше, чем, например, вязкое затухание волн на чистой или загрязненной водной поверхности. Первые измерения затухания в спектре ветровых волн дали, однако, существенно меньшие величины коэффициенты затухания, чем для механически генерируемых волн, что указывает на необходимость проведения дальнейших экспериментов и выяснения причин данного расхождения.
Как показали исследования, затухание волн на льдинах, наблюдаемое как в лабораторных, так и в натурных экспериментах, может быть сопоставимо или больше затухания волн из-за пленок сырой нефти / нефтяной эмульсии, что указывает на то, что проблема различения, например, ледяного сала и разливов нефти на радиолокационных изображениях может оказаться достаточно сложной.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 20-05-00561), Государственного задания (0035-2019-0006), а также Русского географического общества (Проект “Экспедиция “Плавучий университет Волжского бассейна” № 07-2020-Р).