Обрушающиеся морские волны: структура, геометрия, электродинамика

Настоящая монография представляет собой первое в русскоязычной научной литературе детальное аналитическое описание состояния дистанционных исследований (в оптическом и микроволновом диапазонах электромагнитных волн) одного из важнейших нелинейных элементов динамики морского волнения - процесса обрушения гравитационных волн и последующих за ним эволюции и динамики дисперсных пенных систем различных классов и капельно-брызговой фазы.

Рассмотрены вопросы методологии многомасштабных оптических и микроволновых дистанционных измерений; описаны методики изучения индивидуальных обрушений, а также методики изучения мезомасштабных точечных дискретных случайных полей обрушений.

Детально описаны в книге последние экспериментальные и теоретические достижения электродинамики излучения и рассеяния электромагнитных волн полидисперсными плотноупакованными полиэдральными системами и концентрированными потоками водных сферических частиц.

Монография является обобщением и развитием научно-исследовательских работ, выполненных в рамках проектов РФФИ № 05-02-16384-а 05-05-64451-а, 05-05-08033-офи, 05-05-79113к, 05-02-31011к, 06-05-64600, а также в рамках Программы фундаментальных исследований РАН ОФН-14.

Для специалистов, занимающихся проблемами дистанционной диагностики океанической поверхности, нелинейными волновыми процессами, интересующихся собственным излучением и рассеянием электромагнитных волн сложными полидисперсными системами.
Может быть использована студентами и аспирантами.

This book represents the first comprehensive description of the physical findings of an investigation into the spatio-temporal characteristics of the gravity wave breakings and the foam activity in open sea by methods and instruments of optical and microwave remote sensing. The study of physical and electrodynamics' properties of the gravity wave breaking processes and the foam spatio-temporal activity is a important problem of satellite oceanography, ocean engineering, air-sea interaction and ocean remote sensing. The statistical characteristics of wave breaking and attendant foam forming are very important to ocean wave dynamics (wave generation, transformation and dissipation). The monograph is the extension and development of scientific works supported by the Russian Foundation for Basic Research.

The book will be useful for researchers, university teachers, and undergraduate and post-graduate students working in the remote sensing and geophysical areas.

Содержание

Предисловие

Глава 1. Научные и прикладные основы изучения
обращающихся океанических волн
1.1. Обрушающиеся океанические волны в системе океан - атмосфера
1.1.1. Волновая динамика при обрушении волн
1.1.2. Энергообмен при обрушении волн
1.1.3. Газообмен в системе океан - атмосфера
1.2. Обрушающиеся океанические волны и дистанционное микроволновое зондирование
1.3. Классификация методов исследований
Выводы
Глава 2. Пространственно-стохастическая структура полей обрушающихся волн в системе океан - атмосфера
2.1. Постановка задачи по изучению пространственно-стохастической структуры полей обрушающихся волн
2.2. Методика и условия выполнения натурных экспериментов
2.2.1. Гидрометеоусловия проведения эксперимента и методика выполнения полетов
2.2.2. Методика проведения и обработки данных контактной части эксперимента
2.2.3. Состояние стратификации и турбулентный режим приводного слоя. Условия "чистого" разгона
2.2.4. Восстановления спектральных характеристик морской поверхности по ее оптическим изображениям
2.2.5. Пространственно-спектральная структура волнения
2.3. Пространственно-статистические свойства поля обрушений волн развитого морского волнения
2.3.1. Методика формирования и обработки случайно-точечного поля
2.3.2. Законы распределения удельной плотности
2.3.3. Пространственная однородность и репрезентативность поля обрушений
2.3.4. Линейная некоррелированность поля обрушений
2.3.5. Азимутальная однородность поля обрушений
2.3.6. Марковское свойство поля обрушений
2.4. Пространственно-статистические свойства поля обрушений развивающегося морского волнения
2.4.1. Методика формирования и обработки случайно-точечного поля в условиях развивающегося волнения
2.4.2. Марковское свойство поля обрушений в условиях развивающегося волнения
2.4.3. Законы распределения удельной плотности в условиях развивающегося волнения
2.4.4. Линейная некоррелированность удельной плотности центров обрушения в условиях развивающегося волнения
2.4.5. Пространственная однородность удельной плотности центров обрушения в условиях развивающегося волнения
2.5. Фрактальные свойства зон обрушений волн стационарного и развивающегося морского волнения
2.5.1. Методики формирования случайно-точечного поля для фрактальной обработки
2.5.2. Фрактальные свойства полей обрушений в условиях развитого волнения
2.5.3. Фрактальные свойства полей обрушений в условиях развивающегося волнения
Выводы
Глава 3. Линейная и площадная геометрии гребневой и полосовой пенных полей
3.1. Постановка задачи по изучению пространственно-стохастической структуры индивидуальных обрушающихся волн
3.2. Методика дистанционного исследования индивидуальных пенных структур в процессе обрушения волн
3.3. Методика обработки данных дистанционного зондирования индивидуальных пенных структур в процессе обрушения волн
3.4. Статистика элементов линейной геометрии индивидуальных пенных
структур в процессе обрушения волн
3.5. Статистика элементов двумерной геометрии индивидуальных пенных структур в процессе обрушения волн
3.6. Статистика удельной плотности центров обрушения
3.6.1. Пуассоновское приближение для поля центров обрушения
3.6.2. Поле центров обрушения как процесс Паскаля
3.7. Пространственное поле обрушений волн и теория выбросов случайного гауссового поля
3.7.1. Свойства потока пересечений гауссовым полем фиксированного уровня
3.7.2. Интенсивность потока пересечений гауссовым полем фиксированного уровня и экспериментальные наблюдения
3.7.3. Области выбросов изотропного гауссового поля и экспериментальные наблюдения
3.7.4. О соотношении интервалов диссипации и прозрачности в спектрах высот морского волнения
Выводы
Глава 4. Временная динамика процесса обрушения морских волн
4.1. Постановка задачи
4.2. Методика и условия выполнения натурных экспериментов
4.2.1. Методика оптических наблюдений временнбй эволюции процесса обрушения
4.2.2. Методика обработки оптических изображений
4.3. Временная эволюция процесса обрушения
4.4. Пространственно-временные характеристики мезообрушений
4.5. Спектральные характеристики аэрированного слоя
Выводы

Глава 5. Капельно-брызговая фаза над морской поверхностью
5.1. Физические механизмы генерации капельно-брызговой фазы
5.2. Дисперсные характеристики капельно-брызговой фазы
5.2.1. Лабораторные измерения характеристик капельно-брызговой фазы
5.2.2. Натурные измерения характеристик капельно-брызговой фазы
Выводы
Глава 6. Электродинамика грубодисперсных плотноупакованных сред
6.1. Пена как коллоидная система: физические и структурные свойства
6.2. Физико-химические свойства морской пены
6.3. Дисперсная структура морской пены в акватории Черного моря
6.4. Первые дистанционные эксперименты и "наивные" электромагнитные модели
6.5. Экспериментальные исследования характеристик грубодисперсных систем радиофизическими методами
6.5.1. Лабораторные аналоги пенных систем и их дисперсные характеристики
6.5.2. Спектральные и поляризационные свойства радиотеплового излучения дисперсных систем
6.5.3. Отражательные свойства дисперсных систем в микроволновом диапазоне
6.6. Теория собственного излучения дисперсных плотноупакованных систем
6.6.1. Неоднородный диэлектрический слой, отвечающий гетерогенной смеси воды и воздуха
6.6.2. Модели переходного слоя и слоисто-неоднородные модели
6.6.3. Электромагнитные свойства пузырька в микроволновом диапазоне
6.6.4. Оптическая модель дисперсной среды
6.6.5. Дифракционные модели дисперсных систем
6.6.6. Слоисто-неоднородная дифракционная модель
Выводы
Глава 7. Электродинамика концентрированных потоков с водяными каплями
7.1. Электромагнитные свойства уединенных частиц
7.1.1. Сечение рассеяния и амплитуда рассеяния
7.1.2. Сечение поглощения
7.1.3. Полное сечение
7.1.4. Альбедо однократного рассеяния
7.1.5. Индикатриса рассеяния
7.2. Основные положения теории Ми
7.2.1. Параметры теории Ми
7.2.2. Основные результаты теории Ми
7.2.3. Три области в теории рассеяния Ми
7.3. Особенности рассеяния водных частиц
7.4. Электромагнитные свойства полидисперсных сред
7.4.1. Функция плотности частиц
7.4.2. Объемная плотность частиц
7.4.3. Интегральная функция распределения частиц
7.4.4. Относительная функция распределения частиц
7.4.5. Плотность распределения частиц
7.4.6. Полная масса и относительная концентрация воды
7.4.7. Радиолокационная отражаемость
7.4.8. Интенсивность осадков
7.4.9. Аналитические формы функции плотности
7.4.10. Параметры ослабления и поглощения полидисперсных сред
7.5. Обратное рассеяние естественных полидисперсных объемных сред
7.6. Особенности радиационного переноса в плотных средах
7.6.1. Дисперсные среды и их характеристики
7.6.2. Экспериментальные методы и аппаратура
7.6.3. Средние значения электромагнитных характеристик
7.6.4. Флуктуационные моды экстинкции сред
Выводы

Глава 8. Натурные оптико-микроволновые дистанционные исследования переходной зоны в системе океан-атмосфера
8.1. О проблемах аэрокосмической океанографии
8.2. Оптико-радиофизические исследования процесса обрушения гравитационной океанической волны
8.2.1. Аппаратура, методика и условия проведения эксперимента
8.2.2. Экспериментальные исследования естественного обрушения
8.2.3. Экспериментальные исследования обрушения бортовых волн
8.2.4. Интерпретация результатов: капельно-брызговая модель и "радиопортрет" обрушающейся морской волны
8.3. Радиоизлучение гребневой и полосовой пены: натурные корабельные исследования
8.4. Радиоизлучение поля обрушений волн: натурные самолетные исследования
8.5. Нелинейная динамика гравитационных волн в поле обратного рассеяния от обрушающихся волн
8.5.1. Район и условия проведения эксперимента
8.5.2. Методика радиолокационных измерений
8.5.3. Анализ пространственно-временных диаграмм
8.5.4. Анализ пространственно-частотных спектров
Выводы
Заключение
Литература