Волны на поверхности океана

Постоянный интерес и внимание гидрофизиков ИПФ РАН привлекает наиболее известный и доступный для наблюдения тип морских волн – поверхностные волны.

Природные морские катастрофы

Самые длинные поверхностные волны в открытом океане – цунами – имеют, как правило, сейсмическое происхождение. Под руководством Е. Н. Пелиновского развиты методы оценки цунами-риска морского побережья, основанные на численном моделировании уже прошедших и прогнозируемых событий в рамках нелинейной теории волн на воде и методов экстремальной статистики. Выполнен анализ и моделирование разрушительных цунами, случившихся за последние 10 лет в Тихом и Индийском океанах, в частности, проведено сопоставление данных расчетов и наблюдений высот волн вдоль побережья Японии во время катастрофического цунами 11 марта 2011 года. Распределения высот волн вдоль побережья хорошо аппроксимируются логнормальной кривой, полученной в рамках теории лучевого распространения волн над статистически неровным дном. Результаты численного моделирования используются для оценки прогностических высот волн цунами на побережье в различных бассейнах Мирового океана, в том числе в российских морях.

Внезапно появляющиеся на морской поверхности и так же быстро исчезающие аномально большие ветровые волны в океане, превышающие фоновые волны в два и более раз (волны-убийцы, rogue waves), представляют значительную опасность для судоходства, нефтяных платформ и прибрежных сооружений.

В ИПФ РАН составлен каталог наблюдений волн-убийц в Мировом океане за 2005–2010 годы, демонстрирующий их распространение как в открытом океане, так и в береговой зоне, выполнены экспериментальные исследования характеристик волн-убийц в Черном, Охотском и Балтийском морях, разработаны физические модели формирования аномально больших волн (дисперсионное и геометрическое фокусирование волновых пакетов, модуляционная неустойчивость, взаимодействие с течениями и ветровым потоком). Для их описания использованы математические модели, основанные на нелинейных эволюционных уравнениях (уравнение Кортевега – де Вриза, нелинейное уравнение Шредингера и др.) и на полных по нелинейности гидродинамических уравнениях, позволивших учесть эффекты обрушения ветровых волн. Развитые модели сопоставлены с данными лабораторных исследований, выполненных в бассейнах Ганновера и Марселя с участием специалистов ИПФ.

В настоящее время проводятся расчеты различных сценариев появления волн-убийц в океане для оценки вероятностных характеристик аномально больших волн и их времени жизни. Сотрудниками ИПФ РАН написаны первые в мировой литературе монографии по волнам-убийцам, их исследования по этой тематике удостоены наград для молодых ученых.

Моделирование волновых явлений

Создание на базе Большого термостратифицированного бассейна (БТСБ) ИПФ РАН уникального прямоточного высокоскоростного ветроволнового канала стало началом нового этапа комплексных исследований волновых процессов, протекающих вблизи океанской поверхности. Построенная под руководством Ю. И. Троицкой установка обеспечена оборудованием для проведения измерений параметров ветра, волнения и течений и позволяет проводить физическое моделирование взаимодействия океана и атмосферы для широкого диапазона скоростей ветра вплоть до ураганных условий. В ее возможности входят измерение тепло-, массо- и энергообмена в атмосферном пограничном слое при ураганном ветре в условиях образования пены и брызг, слежение за процессом формирования коротковолновой части спектра поверхностных волн, а также моделирование динамики верхнего слоя океана в ураганных условиях с учетом плотностной стратификации морской воды (В. И. Казаков, Д. А. Сергеев).

В лабораторных экспериментах по моделированию гидрофизических процессов в пограничных слоях атмосферы и океана на экспериментальных гидрофизических стендах, в БТСБ широко используются современные оптические методы, основанные на визуализации, в том числе Particle Image Velocimetry (PIV-метод). В институте создан уникальный измерительный комплекс, предназначенный для измерения формы взволнованной поверхности, полей скорости воздушных и подводных течений (Д. А. Сергеев). Он основан на использовании подсветки лазерным ножом. Для определения формы поверхности в воду добавляется флуоресцирующий краситель, чтобы создать контраст на границе раздела. Для визуализации течений в воздухе и жидкости используются частицы (10–50 мкм). Граница раздела и движение частиц в плоскости подсветки снимаются цифровыми видеокамерами, в том числе высокоскоростными, и обрабатываются с помощью специальных алгоритмов на компьютерах. Эти методы существенно превосходят контактные способы измерения (трубки Пито, термоанемометры). Они позволяют проводить измерения с высоким пространственным и временным разрешением в широком диапазоне изменения скоростей потоков (0–20 м/с) и успешно используются в моделировании ветроволнового взаимодействия при сильных ветрах с регулярным обрушением волн и образованием брызг, исследованиях подводных турбулентных течений и их проявлений на свободной поверхности.

Отработанные средства измерений и экспериментальные методики позволили существенно продвинуться в исследовании статистических свойств воздушного потока над волнами для тех случаев, когда на мгновенных полях наблюдается отрыв пограничного слоя за гребнями волн. Статистический ансамбль векторных полей скорости был получен с помощью высокоскоростной съемки c применением PIV-алгоритма. Было обнаружено, что осредненное поле скорости характеризуется безотрывным обтеканием волновых гребней даже для самых жестких штормовых условий. В лабораторном эксперименте по изучению аэродинамического сопротивления поверхности воды при сильном ветре обнаружена тенденция к насыщению коэффициента сопротивления при эквивалентной скорости ветра, превышающей 25 м/с. Предложено объяснение эффекта стабилизации аэродинамического сопротивления поверхности моря при ураганных условиях экранированием ветрового потока во впадинах поверхностных волн. Результаты измерения коэффициента аэродинамического сопротивления поверхности воды хорошо согласуются с расчетами в рамках квазилинейной модели турбулентного пограничного слоя над взволнованной водной поверхностью с учетом вклада высокочастотной части спектра волнения.

Помимо развития экспериментальных методик и теоретических моделей большое значение имеет также прямое численное моделирование гидродинамических процессов вблизи границы океан – атмосфера. В связи с быстрым развитием современных компьютеров и появлением в ИПФ РАН кластера параллельных вычислений стала возможной и показала свою высокую эффективность реализация прямых численных схем гидродинамики. Методом прямого численного моделирования в рамках полных трехмерных уравнений Навье – Стокса рассчитаны турбулентные пульсации в воздушном потоке над взволнованной водной поверхностью, которые вблизи гребней волн имеют отрывный характер. В то же время осредненные по ансамблю поля течения имеют безотрывную структуру.