Лабораторный эксперимент по исследованию излучения гравитационно-капиллярных волн

Работа посвящена описанию эксперимента, направленного на исследование закономерностей формирования собственного излучения периодически неровной водной поверхности в микроволновом диапазоне. Эксперимент был проведен в сентябре 2024 года на крыше здания Института космических исследований РАН. Основными целями эксперимента являлись: отработка нового метода генерации коротких гравитационно-капиллярных волн на водной поверхности; апробация методики определения параметров волнения на основе лазерного сканатора; измерение яркостной температуры возмущенной поверхности на длине волны 8 мм в широком диапазоне вертикальных и азимутальных углов наблюдения для последующего сравнения с результатами моделирования в рамках теории «критических явлений».
Объектом исследования была ванна с дистиллированной водой, на поверхности которой генерировалось волнение. Одним из основных условий эксперимента было наличие стабильной волновой структуры, характеристики которой можно было бы менять в соответствии с программой исследования. Генерация волнения производилась волнопродуктором, построенным на базе громкоговорителя. Горизонтальный поплавок длиной 30 см был закреплен на его диффузоре. Изменение частоты и амплитуды колебаний поплавка приводило к образованию на поверхности воды системы затухающих стоячих волн с плоским фронтом. Переотражение от стенок круглой ванны дополнительно гасилось демпферной лентой.
Для контроля формируемого профиля использовалась оптическая система, ключевыми элементами которой являлись лазерный сканатор и фотокамера с высоким пространственным и временным разрешением. Измерение проводились в плоскости волнового вектора создаваемых колебаний, в разных точках ванны. Это позволило получить изображения профиля волнения, с учетом его пространственной неоднородности. В настоящее время методика обработки этих измерений еще требует доработок. Ее основной целью является восстановление спектральной структуры волнения, формируемой на поверхности ванны. К настоящему моменту можно с уверенностью утверждать, что в рамках эксперимента на поверхности (в разное время) были успешно созданы две системы волнения, отличающиеся по амплитуде и пространственному периоды. Периоды составили ориентировочно 12 и 9 мм, амплитуды – в районе 0.1 – 0.3 мм. Эти данные еще будут уточнятся.
Измерения радияркостной температуры выполнялось радиометром-поляриметром с рабочей длиной волны 8 мм. Прибор устанавливался на поворотное устройство, позволяющее изменять вертикальный угол наблюдения поверхности воды. Изменение азимутальной ориентации плоскостей визирования и волнового вектора неровностей выполнялось путем вращения самой ванны. Для корректного учета вклада переотраженного излучения атмосферы, отдельно выполнялось ее сканирование в диапазоне углов от зенита до горизонта. Измерения сопровождались контактными измерениями температуры воды и воздуха.
Детальный анализ полученных результатов еще продолжается. К настоящему моменту можно с уверенностью сказать, что угловые зависимости измеренных яркостных температур, на всех поляризациях демонстрируют основные закономерности в излучении, предполагаемые в рамках теории «критических явлений».

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №23-17-00189).