Экспериментальные исследования морского волнения и загрязнений дистанционными оптическими и контактными методами

Разработан комплекс оптических устройств дистанционной диагностики приповерхностного слоя океана. Комплекс состоит из набора линеек ПЗС фотоприемников для регистрации пространственно – временных изображений (ПВИ) поверхности океана по оптическим сечениям морской поверхности [1] и некогерентного двумерного оптического спектранализатора ДОСА [2] для регистрации спектров короткомасштабных волн длиной от нескольких сантиметров до метра путем спектрального анализа изображения поверхности моря в реальном времени. Два ПВИ изображения с разным направлением наблюдения позволяют получить полную информацию о кинематических характеристиках аномалий на поверхности моря (сликах, проявлений внутренних волн и ветровых потоков) благодаря возможности “разделять” аномалии по их скоростям. В экспериментах синхронно с оптическими измерениями проводился сбор метеорологической информации многофункциональным комплексом Davis 6152EU и регистрация характеристик поверхностного волнения с помощью струнных волнографов.
В комплект метеостанции входят измеритель скорости и направления ветра, датчики атмосферного давления, температуры воздуха и воды (на глубине 3 м), и влажности. Измерения метеопараметров осредняются за 1 мин.
Характеристики поверхностного волнения регистрировались с помощью решетки из шести струнных волнографов, расположенных в центре и вершинах правильного пятиугольника с радиусом описанной окружности 0.25 м. Расстояние решетки волнографов до ближайшего элемента платформы превышает 10 м. В результате обработки волнографических данных методом максимальной энтропии рассчитываются частотно-угловые спектры возвышений морской поверхности. Решетка волнографов дает частотно-угловые спектры (верхний предел по частоте до 3х частот пика) и частотные спектры до 1 Гц.
В работе представлены результаты исследования поля длинных волн, трансформации спектров короткомасштабных поверхностных волн при различных ветрах и в сликах, обусловленных загрязнениями ПАВ, проявлений нестационарных ветровых потоков на морской поверхности.
На основе модели однократного рассеяния солнечного света предложен алгоритм оценки оптической толщины атмосферы по угловому положению пригоризонтного максимума яркости неба [5]. Приводится пример восстановления оптических толщин атмосферы по фотоснимку для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм. Полученные значения оптических толщин можно использовать в моделях углового распределения яркости безоблачного неба для оценки статистических характеристик волнения дистанционным оптическим методом.
Развита теория видимости аномалий на морской поверхности в рассеянном свете неба при скользящих углах наблюдения с учетом явления затенения волн [1]. При уменьшении угла наблюдения наблюдается инверсия контрастов аномалий: уменьшение яркости моря при выглаживании волнения (в сликах). Эффект инверсии контраста обусловлен конкуренцией двух механизмов, определяющих яркость поверхности моря: затенением уклонов волн и нелинейностью зависимости яркости поверхности от уклонов волн [4].
Приводится сравнение спектров короткомасштабного волнения, полученных ДОСА, со спектрами, полученными радиометрическими методами во время совместных экспериментов [3]. Получено хорошее совпадение спектров волнения, полученных разными методами.

Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 19-05-00547 а "Развитие новых оптических методов исследования приповерхностных слоев и загрязнений в прибрежной зоне океанов и внутренних водоемах", темы «Мониторинг» (Государственное задание № 01.20.0.2.00164)" и гранта РФФИ № 18-02-01009-а.