Космические исследования океана

На главную страницу семинара


Тема 1      Исследования Мирового океана средствами дистанционного зондирования

    Поля и явления Мирового океана, исследуемые дистанционными методами


5. Волнение

5.1. Поверхностные волны

5.1.1. «Волны-убийцы»

5.1.2. Цунами

5.2. Внутренние волны


5.1. Поверхностные волны

Первое из явлений в океане, с которым сталкивается любой наблюдатель – это волны на воде. Ветровое волнение и зыбь постоянно видоизменяют состояние поверхности моря, влияя на формирование поверхностных признаков других явлений в океане. Для их регистрации и наблюдения возможно применение систем, работающих как в видимом диапазоне, так и в микроволновом радиодиапазоне.

Океанские волны в заливе. Хорошо видны эффекты рефракции, интерференции и обрушения волн

Фотография из статьи Dysthe et al. «Extreme, freak waves and sea wave climate»

 

Штормовое волнение в Норвежском море с хорошо выраженной групповой структурой (скорость ветра 12-15 м/с, период волн 12,5 с, длина волн около 250 м) на радиолокационном снимке, полученном со спутника «Алмаз»

© НПО машиностроения

 

Длинные поверхностные волны хорошо различимы на радиолокационных снимках в основном из-за наличия на их поверхности коротких гравитационно-капиллярных волн, которые модулируются орбитальным движением, формой волны, а также локальным ветровым потоком вдоль профиля волны.

На радиолокационных снимках можно выделить различные системы волн, распространяющихся в разных направлениях, наблюдать рефракцию волн на мелководье и интерференцию за препятствиями, иногда отдельные пятна и полосы пены, прибойную зону и другие детали. Методами спектрального анализа по радиолокационным изображениям можно определять важные параметры морского волнения: длину волны и направление распространения, а также количество систем волнения.

На различных стадиях развития волнения картина взволнованной поверхности, изменяясь со временем и в пространстве, меняет и структуру изображения, это позволяет при помощи дистанционных средств контролировать эти изменения.

Процедура формирования изображений морской поверхности в радиолокационных системах обладает рядом особенностей, связанных с перемещением морской поверхности за время формирования изображения, что приводит к искажению доплеровского спектра рассеянного сигнала и, как следствие, к существенным искажениям основных характеристик поверхностного волнения на снимках по сравнению с реальным волнением. Для интерпретации полученных данных необходимо минимизировать обусловленные этими искажениями ошибки, в том числе необходимо иметь чёткие представления о влиянии параметров радиолокатора на этот процесс.

Для изучения возможностей радиолокационной съёмки в исследованиях морского ветрового волнения и зыби неоднократно проводилось сравнение различных съёмочных систем. Основная идея этих экспериментов состояла в использовании совпадающих в пространстве и максимально близких по времени съёмок, выполненных радиолокаторами с различными характеристиками.

Среди волн, существующих в океане, наиболее опасными считаются «волны-убийцы» и волны цунами, которые представляют не только познавательный интерес.


Наверх

5.1.1. «Волны-убийцы»

Термин «волна-убийца» и его аналоги в других языках (англ. «rogue wave» – волна-разбойник, «freak-wave» – волна-придурок, отморозок; фр. «onde scelerate» – волна-злодейка, «galejade» – дурная шутка, розыгрыш) дают хорошее представление о существенных чертах этого природного явления, передают чувство ужаса и обречённости при встрече с такой волной в океане.

Волны-убийцы часто определяются как волны, высота которых более чем в два раза превышает значимую высоту волн (среднюю высоту одной трети самых высоких волн). Приведенное определение относится скорее к волнам аномально большой амплитуды (по сравнению со средней).

Волны-убийцы выделяются на радиолокационных снимках по аномально высокой яркости изображения, по которому при особых методах обработки может быть восстановлен профиль волны.

 

 

Экстремальная волна (Hmax=29,8 м, Hmax/Hs=2,9) в Южной Атлантике, обнаруженная 20 августа 1996 г. на изображении спутника ERS-2  и восстановленный профиль волны по алгоритму, разработанному в Немецком аэрокосмическом центре

© ESA/DLR

 

Настоящие «волны-убийцы», представляющие опасность для судов и морских сооружений, имеют большие абсолютные высоты. Эксперты выделяют «классические аномальные» волны, т.е. волны больших амплитуд, которые могут быть предсказаны в рамках теории однородных квазистационарных случайных процессов и собственно «волны-убийцы», появление которых не описывается существующими теориями случайных процессов. Важное обстоятельство, которое позволяет выделить феномен волн-убийц в отдельную научную и практическую тему и, таким образом, отделить от других явлений, связанных с волнами аномально большой амплитуды (например, цунами) – появление «волн-убийц» из ниоткуда. В отличие от цунами, возникающих в результате подводных землетрясений и оползней, появление «волн-убийц» не связано с катастрофическими геофизическими событиями. Эти волны могут появляться при малых ветрах и относительно слабом волнении, что приводит к идее о том, что само явление «волн-убийц» связано с особенностями динамики самих морских волн и их трансформации при распространении в океане.

Гигантская волна (высотой около 20 м) в проливе Дрейка; фотосъёмка с борта НИС «Академик Иоффе»

Фото А.В. Григорьева, ИО РАН


Наверх

К 1 теме семинара 

5.1.2. Цунами

 

Цунами – это особый класс поверхностных гравитационных волн, распространяющихся в океане на большие расстояния от места своего возникновения. Дословный перевод слова «цунами» с японского означает «большая волна в гавани». Опасность, таким образом, грозит не судам в открытом океане, а прибрежным районам суши, в первую очередь портовым сооружениям, прибрежным населённым пунктам и промышленным объектам, а также судам у причала. В глубоком океане высота волн цунами не превышает десятка сантиметров, на шельфе волны замедляются, укорачиваются, высота их увеличивается, а в прибойной зоне их высота может достигать десятков метров. Прогнозировать с достаточной точностью высоту цунами у берега современная наука пока ещё не в состоянии.

Цунами у побережья о.Шри Ланка 26 декабря 2004 г. на снимке со спутника QuickBird

© DigitalGlobe

Среди причин образования цунами в океане выделяют: подводные землетрясения (свыше 82% всех случаев), извержения вулканов, подводные и надводные оползни и обвалы, резкие флуктуации атмосферного давления, падение метеорита или астероида в океан, и, наконец, техническую деятельность человека (главным образом, при разведке и добыче нефти на шельфе и подводных атомных взрывах), вызывающую так называемые техногенные землетрясения и соответственно техногенное цунами.

Афтершоки - подземные толчки, следующие за главным толчком из одной с ним очаговой области. Число афтершоков возрастает с ростом энергии землетрясения, уменьшением глубины его очага и может достигать нескольких тысяч.

Традиционные методы предупреждения цунами основаны на сейсмической информации, получаемой сразу после землетрясения, и на расчетах времени прихода волны и её высоты. Однако эффективность этих методов снижается из-за отсутствия данных о параметрах цунами в открытом океане, что повышает уровень ложных тревог.

Космические системы дистанционного зондирования Земли в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности океана вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток. Одним из таких информативных средств является радиовысотомер или радиоальтиметр.

 

 

Цунами в Индийском океане, обнаруженное через 2 часа после индонезийского землетрясения 26 декабря 2004 г. с помощью альтиметра на спутнике Jason-1. Вдоль трассы спутника красным и синим цветами показаны положительные и отрицательные аномалии уровня океана, измеренные альтиметром. На карте нанесены изохроны изолинии времени добегания волн цунами в часах; серым цветом выделен район образования цунами

Современные радиоальтиметры, обеспечивая измерения уровня океана, дают информацию для решения широкого круга задач, связанных с уточнением формы геоида, картографированием гравитационных аномалий поля уровня океана, измерением геострофических течений, высоты приливов, штормовых нагонов, высоты морских волн. Что же касается высоты волны в глубоком океане, то именно со спутника Topex/Poseidon впервые были измерены параметры сейсмических волн. Однако в случае с цунами это чрезвычайно сложно, так как перечисленные выше процессы создают так называемый «океанский шум», который должен быть устранён, а полезный сигнал отфильтрован.

Для оценки ущерба, нанесённого цунами, с середины 70-х годов прошлого века применяются системы наблюдений в видимом диапазоне высокого разрешения с самолётов и космических аппаратов.

28 декабря 2004 г.

  23 июня 2004 г.

23 июня 2004 г.

  28 декабря 2004 г.

28 декабря 2004 г.

Пострадавший от цунами 26 декабря 2004 г. участок побережья провинции Банда-Ачех, о. Суматра, Индонезия (снимок спутника Quickbird). Рамкой на левом снимке выделен участок, представленный в более крупном масштабе до и после цунами

© DigitalGlobe

http://www.digitalglobe.com/sample_imagery.shtml детальные снимки со спутника Quickbird районов, пострадавших от цунами в декабре 2004 г.

Последствия цунами на одном из островов в Индийском океане хорошо видны на этом цветном снимке, синтезированном из двух разновременных снимков со спутников ERS-1 и ERS-2.

Снимок, окрашенный голубым, получен ERS-1 SAR 21 декабря 1992 г., а в красный цвет окрашен снимок, полученный со спутника ERS-2 12 января 2005 г. Повреждённые участки изобразились красным цветом

© ESA

Источник: http://www.esa.int/esaCP/index.html


Наверх

К 1 теме семинара 

5.2. Внутренние волны 

Внутренние волны – довольно распространённое явление, обычно встречающееся в устойчиво стратифицированных (по плотности) водах океанов, морей и крупных пресноводных озёр (например, в Ладожском озере).

Наиболее часто внутренние волны возбуждаются приливом около границы материкового склона, однако могут быть генерированы течением при обтекании неоднородностей дна, анемобарическими силами, воздействующими на стратифицированные водные массы (например, перемещающейся барической системой, создающей резкие колебания давления). Описана генерация внутренних волн интрузией мощного течения, нагонами, крупными ветровыми волнами, сдвиговой неустойчивостью течений. Высота океанских внутренних волн обычно значительно больше, чем высота типичных волн на поверхности океана. Внутренние волны в океане как правило имеют высоту 5-20 м, но иногда они достигают и больших высот. Различают высокочастотные и низкочастотные внутренние волны, причём на морской поверхности отображаются только высокочастотные. Они имеют периоды от нескольких минут до нескольких часов, длины этих волн – от нескольких метров до нескольких километров, фазовая скорость высокочастотных волн – несколько десятков см/с.

Схематическое представление эффектов на поверхности моря, обусловленных прохождением внутренней волны

Внутренние волны распространяются группами (цугами) и имеют сложную структуру; каждый цуг включает до нескольких десятков волн. Внутренние волны создают у поверхности моря поле течений, дивергентные и конвергентные компоненты которых модулируют гравитационно-капиллярные волны  и создают на морской поверхности, и соответственно на радиолокационном изображении, картину в виде квазипараллельных чередующихся (периодических) светлых (взволнованная поверхность – сулои) и тёмных (выглаженная поверхность – слики) полос.

 

Схематический рисунок пакета приливных внутренних волн и его характеристики: c0T – расстояние между последовательными цугами, λ0 – длина отдельной волны в цуге, L – ширина цуга, n – количество волн в цуге, Cr – длина гребня, l1 – характерная ширина солитона (полосы на снимке), T – период прилива (приливной цикл)

 

Из средств дистанционного зондирования Земли наиболее эффективными для обнаружения и исследования внутренних волн оказались самолётные и космические радиолокационные станции бокового обзора с реальной антенной и радары с синтезированной апертурой антенны. Только космические, прежде всего радиолокационные съёмки, позволили судить о пространственных характеристиках внутренних волн и о механизмах их генерации, причём во многом благодаря дистанционным методам изменилось представление о внутренних волнах как о линейных гармонических волнах.

Внутренние волны в Ладожском озере на радиолокационном снимке КА «Алмаз-1», 26.06.1991.

 © НПО машиностроения

Внутренние волны в Южно-Китайском море у атолла Донгша на радиолокационном снимке со спутника ERS-2 (23.06.1998). Хорошо заметна рефракция волн.

© ESA


Наверх

К 1 теме семинара     |     На главную страницу семинара

Интернет-семинары