Этап 2020–2021

1. В ходе научно-исследовательских экспедиций, проведенных на Горьковском водохранилище и в Арктическом регионе, получен значительный объём новых данных по структуре течений, характеристикам искусственных и естественных сликовых полос, плёнок, ветровых волн с использованием развитых в проекте методик и имеющегося аппаратурного комплекса.

2. Проанализированы данные лабораторных экспериментов, полученные на втором этапе выполнения проекта, а также проведены дополнительные лабораторные эксперименты по исследованию радиолокационного рассеяния на ветровых волнах. На основе анализа доплеровского сдвига радиолокационного сигнала обратно рассеянного от ветровых волн на водной поверхности определены скорости рассеивателей. В предположении, что спектр ветрового волнения представляет собой сумму свободных, возбуждаемых ветром волн и вынужденной ряби, возбуждаемой в силу нелинейности более длинными волнами см-дм-диапазонов, оценены относительные вклады свободных и вынужденных волн в полный спектр волнения. Показано, что вынужденная рябь возбуждается начиная с небольших скоростей ветра (при достижении энергонесущими волнами некоторых пороговых наклонов), свободная рябь возбуждается при бо̀льших скоростях ветра, когда инкремент ветрового возбуждения превышает коэффициент вязкого затухания; т. е. начиная с некоторых скоростей ветра доля вынужденных волн в спектре начинает уменьшаться. Показано, что при наличии плёнки для одной и той же скорости ветра вклад свободных волн в полный спектр ветрового волнения меньше, чем на чистой поверхности. Оценена степень нелинейности вынужденной капиллярной ряби, т. е. степень зависимости интенсивности вынужденной ряби от возвышений дм волн. Показано, что степень нелинейности слабо зависит от наличия плёнки на водной поверхности. Оценён вклад Брэгговского и неполяризованного рассеяния в полное радиолокационное рассеяние от взволнованной водной поверхности в зависимости от концентрации плёнки поверхностно-активного вещества.

3. На основе детального анализа данных лабораторных экспериментов развита полуэмпирическая модель спектра ветровых гравитационно-капиллярных волн с учётом двух волновых систем – свободных, возбуждаемых ветровым источником, и вынужденных, возбуждаемых в силу нелинейности более длинными волнами см-дм-диапазона. Спектр волнения представляется как сумма спектров свободных и вынужденных волн, относительная спектральная интенсивность которых определялась эмпирическим параметром, найденным в ходе лабораторных экспериментов в отсутствии плёнки на водной поверхности (см. п. 2). Вид каждого из спектров определяется уравнением баланса, включающего источники и стоки, характерные для данной системы волн. Предполагается, что свободные волны возбуждаются только в случае, когда инкремент возбуждения ветром превосходит затухание волн из-за вязкости. Вынужденные волны, возбуждающиеся при превышении наклонов дм волн некоторой пороговой величины, определяются источником, который задаётся эмпирической зависимостью, также полученной в ходе лабораторных экспериментов. Изменение вклада свободных и вынужденных волн в полный спектр ветрового волнения в областях, покрытых плёнкой ПАВ, по сравнению с чистой поверхностью, определяется в основном эффективными коэффициентами возбуждения ветровых волн в дециметровом и миллиметровом диапазонах и затуханием миллиметровых волн из-за вязкости. Развитая модель волнения с учётом небрэгговской компоненты радиолокационного рассеяния описывает изменение доплеровских сдвигов в присутствии плёнки ПАВ на водной поверхности.

4. Выполнены систематизация, анализ и обобщение данных всех натурных, лабораторных и теоретических исследований динамики сликовых полос в поле морских течений, ветрового волнения и приводного ветра и развиты физические механизмы проявления сликовых полос на водной поверхности.

В частности, выполнен анализ данных подспутникового эксперимента по исследованию пенных структур на водной поверхности, наблюдавшихся визуально и на оптическом спутниковом изображении и преимущественно вытянутых вдоль ветра. Показано, что вблизи наиболее массивной пенной полосы наблюдается система двух встречных потоков и зона конвергенции, приводящие к компрессии пены. Предложены возможные физические механизмы формирования структуры такого течения.
В ходе лабораторных экспериментов продолжено исследование компрессии плёнок течениями, индуцированными поверхностными волнами. Показано, что в зависимости от амплитуды волны возможен различный характер движений в области «разреженной» плёнки, в частности при средних значениях амплитуд волн наблюдается максимальная поперечная компрессия, связанная с развитием объёмных роликовых течений. Характер этих течений объясняет расхождение измеренного стационарного распределения плёнки с выводами развитой ранее самосогласованной модели компрессии плёнок.
Для описания кинематики распространения плёнок поверхностно-активных веществ в стационарных полях однородного ветра и спирального морского вихря развито аналитическое описание и показано, что центр сликовой спирали не совпадает с центром морского вихря, а разница между ними может достигать масштаба ядра вихря. Показано наличие «пороговой» скорости ветра, при превышении которой спиральная сликовая структура не может образоваться при неизменных параметрах вихря. Получено, что присутствие ненулевого ветра, необходимого для дистанционного наблюдения сликов на радиолокационных изображениях морской поверхности, может приводить к появлению двух особенностей структуры течений в приповерхностном слое типа «седло» и «фокус». На основании полученных результатов сделан вывод о том, что масштаб проявляемой сликовой структуры при сохранении параметров вихря сильно зависит от положения источника плёнки относительно центра вихря и величины фоновой скорости ветра.
Восстановлены поля скоростей течений по смещению биогенных сликовых структур на последовательных спутниковых радиолокационных и оптических изображениях. Получено, что структура течения лишь частично согласуется с геометрией биогенных «нитевидных» структур. В других случаях вектора скоростей течений направлены под достаточно большим углом к «нитевидным» полосам. Анализ полного поля течений и поля течений за вычетом ветровой компоненты показал, что центры вихревых структур могут быть смещены друг от друга на достаточно большое расстояние, что говорит о необходимости учёта ветра при интерпретации различных динамических процессов, происходящих в приповерхностном слое океана, по их отображению в структуре сликовых образований. В ходе анализа полей течений, восстановленных по оптическим изображениям в зелёном и ближнем инфракрасном диапазонах, показано, что приповерхностный слой движется медленнее поверхностного микрослоя, что хорошо согласуется с литературными данными и натурными измерениями.
В результате детального анализа данных натурного эксперимента 2019 года по наблюдению трансформации искусственной сликовой полосы в поле пакета внутренних волн и численного моделирования показана принципиальная возможность наблюдения неоднородных течений от внутренних волн развитым методом сликовой полосы.

5. На основе комплексирования данных натурных, лабораторных и теоретических исследований предложен новый способ картографирования структуры течений и оценки скорости течения на ограниченной акватории, основанный на данных радиолокационных и оптических средств дистанционного зондирования и физических свойствах и геометрии сликовых полос как биогенной, так и антропогенной природы. Новый способ базируется на двух независимых методах, развитых и экспериментально апробированных при наблюдении различных динамических процессов. На основании обобщения результатов проекта исследованы возможные ограничения и условия применимости предлагаемого метода. Поставлены новые перспективные задачи для возможного продления проекта.