Исследование асимметрии распределения уклонов крупных волн в экспериментах CAPMOS

Асимметрия уклонов морской поверхности, обнаруженная в пионерской работе Кокса и Манка, демонстрирует нарушение гауссовости волнения и свидетельствует о нелинейных взаимодействиях между волнами. Лонге-Хиггинс, выполнив анализ возможных механизмов нарушения симметрии, заключил, что доминирующий вклад в асимметрию уклонов дает модуляция коротких волн длинными. Выполненные позже оценки показывают, что укручения волн перед их обрушением также могут объяснить данные Кокса и Манка. По-видимому, при различных состояниях поверхности моря или различных скоростях ветра, доминирующий вклад в асимметрию уклонов могут давать различные механизмы. Отсюда следует, что асимметрия уклонов морской поверхности может оказаться информативным параметром, важным как для верификации физических моделей, так и для дистанционного мониторинга поверхности моря. Данные Кокса и Манка описывают «интегральную» асимметрию уклонов, относящуюся к волнам всех длин. Однако возможно изучать асимметрию уклонов в различных диапазонах длин волн с целью извлечь полезную информацию о нелинейных процессах и их механизмах для конкретного диапазона. Данное сообщение представляет предварительные результаты такого исследования.
Измерения уклонов морской поверхности в различных диапазонах длин волн были выполнены в рамках проекта CAPMOS в 2005, 2007 и 2009 годах со Стационарной океанографической платформы Экспериментального отделения Морского гидрофизического института НАН Украины. Платформа расположена напротив пос. Кацивели (южный берег Крыма) в полукилометре от берега, где глубина моря около 30 м. Регистрация волнения проводилась одновременно двумя волнографическими решетками. Первая из них была специально разработана в ИКИ РАН и представляла собой пять струнных волнографов, составляющих решетку с максимальным расстоянием между датчиками 15 см в двух перпендикулярных направлениях. Во второй решетке, традиционно использующейся при волнографических исследованиях МГИ НАНУ, струнные волнографы расположены в вершинах и центре правильного пятиугольника с внешним радиусом 25 см.
Уклоны определялись по разности возвышений морской поверхности для каждой пары датчиков одной решетки. При этом подавляются вклады в измеряемый уклон поверхности от наиболее коротких волн, причем, чем больше база (расстояние между датчиками), тем больше граничная длина волны исследуемого диапазона. Две решетки позволяли выполнять измерения в четырех диапазонах, соответствующих базам 5, 15, 25 и 50 см. Если считать коротковолновой границей диапазона длину волны, для которой коэффициент передачи уклона в измеряемый сигнал спадает до 90%, то граничные длины волн равны соответственно 0.2, 0.6, 1 и 2 м. Будем обозначать эти диапазоны номерами от 1 до 4, так что более высокий номер соответствует диапазону более длинных волн. Пространственное расположение датчиков позволяло вычислять вектор уклона поверхности – величину и азимут градиента возвышений. Регистрация выполнялась с частотой 10 Гц. В результате были получены двумерные плотности распределения векторов уклона для четырех диапазонов волн при различных скоростях ветра.
Полученные азимутальные распределения уклонов соответствуют традиционным представлениям. Дисперсия уклонов в заданном направлении имеет максимум на азимуте близком к направлению ветра. Дисперсия уклонов при заданной скорости ветра ниже, чем полученная Коксом и Манком, она падает с ростом номера диапазона и примерно линейно растет с ростом скорости ветра. Асимметрия распределения уклонов рассчитывалась как третий центральный момент. Она максимальна в направлении максимума дисперсии, растет с ростом скорости ветра и ростом дисперсии уклонов. Асимметрия падает с ростом номера диапазона и становится слабо выраженной для наиболее длинноволнового диапазона.
Полученные результаты планируется использовать для совершенствования метода нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии для определения дисперсии уклонов и спектра гравитационно-капиллярного волнения с помощью угловых радиометрических измерений.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ № МК-865.2012.5.