Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году была проведена модернизация сканирующего лазерного волнографа, которая расширила диапазон метеорологических условий, при которых возможны измерения параметров морского волнения. Частота работы видеокамеры составила 90 Гц, что позволило измерять частотные спектры в области капиллярных волн. Реализована возможность удаленного управления лазерным сканатором и видеокамерой по сети интернет. При этом возможно дистанционное переключение режимов сканирования, загрузки новых программ сканирования, коррекция расписания работы. Модернизирована и система регистрации. По сети интернет можно изменять настройки видеокамеры: оптическое увеличение (зум), фокусировку, частоту кадров, проводится управление установкой или удалением интерференционного фильтра и поляризатора перед объективом камеры. Удаленное управление позволяет подстраивать параметры работы под ночные или дневные условия, проводить измерения при сильном или слабом волнении. Для проведения одновременных ветровых измерений рядом со сканатором был размещен ультразвуковой анемометр с частотой измерений 1 Гц, что позволило сравнивать ветровые пульсации и короткоживущие капиллярные колебания. Комплексные измерения ветра и видеозаписи лазерных измерений проводятся с июля 2024 года по настоящее время в автоматическом режиме. Объём накопленных данных на дату написания отчета превышает 4 Тb. Видеозаписи имеют длительность 10 минут, повторяются 3 раза в час и имеют открытый доступ. Ссылка на видео 3 точечных лазера: https://disk.yandex.tm/d/zp-fy0MRlEebvA . Файлы ветровых измерений: https://disk.yandex.tm/d/1S37XpEGFZLtCQ . Решена обратная задача определения направление и величины волнового вектора капиллярной волны, а также ее профиля по видеоизображению лазерных лучей, падающих на взволнованную морскую поверхность. Показано, что данная методика измерений позволяет в натурных условиях измерять капиллярные колебания морской поверхности амплитудой в 30 мкм с расстояния 5-6 метров. Для исследования влияния капиллярных волн на собственное микроволновое излучение взволнованной поверхности был разработан и создан макет уникальной лабораторной установки. Она позволила создавать на водной поверхности мелкомасштабную (с периодом менее 15 мм и амплитудой порядка 0.1 – 0.5 мм) периодическую волновую структуру с контролируемыми параметрами; изменять взаимное расположение радиометрического приемника и созданной гравитационно-капиллярной волны в широком диапазоне вертикальных и азимутальных углов визирования. Впервые, в рамках одного эксперимента, удалось продемонстрировать смещение положения резонансного максимума излучения в сторону надирных углов при уменьшении соотношения длины волны электромагнитного излучения и пространственного периода неровностей, предсказываемое теорией «критических явлений». В отличие от натурных морских измерений, проводимых при наличии всех частотных компонент волнения, данная методика позволяет раздельно измерять вклад каждой компоненты в радиометрический сигнал. Это позволит рассчитывать радиометрический сигнал для произвольной заданной структуры волнения. При микроволновых радиометрических измерениях из космоса восстановление скорости ветра основывается на тонких различиях яркостной температуры морской поверхности при зондировании вдоль и поперек ветровых волн. Исследование связи этих азимутальных зависимостей с характеристиками морского волнения проводится на морской платформе. При этом к точности юстировки углов поляризации радиометров предъявляются очень высокие требования: отклонения от уровня горизонта при всех переключениях плоскости поляризации не должны превышать 0.5 градуса. Участникам проекта удалось провести необходимые настройки ячейки Фарадея в лабораторных условиях по оригинальной методике. Был предложен метод формирования строго горизонтального микроволнового излучения при его отражении от водной поверхности под углом Брюстера. На основе данного метода точность настройки углов поляризации составила 0.3 градуса. Исследовались статистические связи между различными параметрами частотного спектра мощности гравитационно-капиллярных волн и скоростью ветра. Оказалось, что коэффициент корреляции между скоростью ветра и параметрами частотного спектра не превышает 0,6. По нашему мнению это факт означает, что частотные спектры не являются оптимальным индикатором капиллярных составляющих волнения. Авторы проекта предлагают сместить акцент на новые индикаторы состояния морской поверхности, который в мировой практике пока не использовались. А именно, на искажение лазерных лучей, вошедших в воду и пространственное распределение их интенсивности, которое регистрируется видеокамерой. Предварительные оценки показывают, что изображение лазерного луча мгновенно реагирует на появление капиллярной структуры на поверхности, что позволит оценивать интенсивность капиллярного волнения по нескольким видеокадрам за 0.1 – 0.2 с. Проведена серия электродинамических расчетов по оценке влияния асимметрии распределения уклонов ветровых волн на результаты электродинамического моделирования излучательных характеристик морской поверхности. Для этого, в существующую двухмасштабную модель формирования излучения были внесены изменения, позволяющие учитывать пространственную неоднородность волнения. На основе данных экспериментальных измерений определены параметры Гамма распределения (формы, масштаба и сдвига) уклонов волн длиннее 10 см, которые описывают асимметрию волновых профилей и негауссовость соответствующих статистик. Сравнение результатов моделирования с данными спутниковых измерений показало, что угловая зависимость третьего параметра Стокса радиотеплового излучения имеет форму, определяемую вкладом длинноволновых компонент ветровых волн при учете асимметричности распределения уклонов в генеральном направлении их распространения. На следующем этапе работ планируется накопить статистику обработанных данных и получить статистически обеспеченные зависимости между ветровым полем, формой морской поверхности и ее радиометрическим портретом.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Выполнение задач проекта опирается на комплексные натурные измерения трех физических величин: направления и скорости ветра, параметров морского волнения и радиометрического микроволнового портрета морской поверхности. Были проведены две экспедиции на морскую гидрофизическую платформу Морского гидрофизического института РАН. Получены продолжительные (более месяца) ряды синхронных измерений ветра, параметров волнения и радиометрического поляризационного портрета морской поверхности. Отлажена круглосуточная работа анемометров, радиометров и волнографа. Смена режимов работы волнографа и настройка видеокамеры могут управляться дистанционно в зависимости от поставленной задачи. Также дистанционно изменяется расписание измерений. Была модернизирована методика проведения радиометрических измерений, что позволило резко уменьшить флуктуации, связанные с длинными гравитационными волнами и повысить точность измерения радиометрических сигналов. Решение задачи по построению физической модели формирования собственного микроволнового излучения взволнованной морской поверхности основывается на измерении структуры морской поверхности. До последнего времени это являлось весьма сложной проблемой. Самым слабым звеном в измерении структуры морского волнения являлись трудности измерения коротковолновых гравитационно капиллярных волн в натурных условиях. В 2025 году нам удалось решить эту проблему. Разработан принципиально новый метод измерения гравитационно капиллярных волн, основанный на анализе формы лазерного луча, падающего на морскую поверхность сверху вниз. В воде тонкий луч распространяется по прямой линии, но на видеокамере, расположенной сбоку от точки падения изображение луча искажается, поскольку проходит через взволнованную морскую поверхность. При появлении интенсивного капиллярного волнения изображение лазерного луча превращается в световой конус, который мы назвали лазерной «юбкой». По анализу распределения яркости в сечении лазерных «юбок» можно рассчитывать распределения уклонов капиллярных волн на морской поверхности по оси, перпендикулярной оси видеокамеры. Эффективность нового метода подтверждена как теоретически, так и в серии лабораторных экспериментов, Метод позволяет проводить «мгновенные» измерения распределение уклонов капиллярных волн за время экспозиции одного видеокадра 0,01 с на участке поверхности площадью от 10 см*10 см. В отличие от известных методов измерений уклонов (струнных волнографов, буев и др.) метод лазерных «юбок» позволяет обрезать распределение уклонов не сверху, со стороны высоких частот, а снизу, обрезая вклад низких частот. Выбирая различное время накопления видеокадров, мы получаем возможность разделения вкладов различных компонент волнения в общее распределение уклонов. Нам не известны другие методы измерений, которые позволяют проводить такое разделение. Это открывает перспективы для детального исследования процессов рассеяния электромагнитных волн на взволнованной морской поверхности. Особенно важной мы оцениваем возможность измерения только капиллярной фракции морского волнения. Сравнение результатов натурных измерений с соотношениями Кокса Манка подтвердило корректность предложенного метода. Нашей группе удалось добиться возможности проведения измерений в любое время суток, даже при дневной засветке, за счет использования интерференционных фильтров и поляризаторов, а также за счет выбора угла наблюдения близкого к условию Брюстера. В течение 2025 года было накоплено порядка 12 Тb видеоданных, из которых обработана лишь малая часть. Планируется продолжить обработку и накопление статистического материала по особенностям формирования микроволнового излучения различными фракциями ветровых волн. Проводилась обработка и систематизация данных комплексных измерений. Создано программное обеспечение для полуавтоматической обработки распределения двумерных уклонов морской поверхности на базе трехточечных измерений. Основным достоинством данного метода являлась возможность получения данных в условиях яркой дневной засветки, когда ветер изменялся в широком диапазоне от 1 до 15 м/c. В режиме трехточечных измерений волнограф обеспечивает всепогодное и круглосуточное определение полного набора статистических параметров распределения уклонов длинноволновой части волнения. Благодаря этому режиму работы удалось экспериментально обнаружить ряд особенностей формирования излучения морской поверхности, главными из которых являются: каскадный режим формирования собственного излучения взволнованной морской поверхности; определяющий вклад длинноволновых компонент волнения в излучение при скоростях ветра менее 5 м/с; смена доминирующего механизма формирования излучения при интенсивности ветрового потока 5 м/с вне зависимости от степени развитости волнения. На основе модельных электродинамических расчетов было продемонстрировано, что для корректного учета эффекта азимутальной анизотропии излучения морской поверхности требуется учет асимметрии уклонов длинноволновых компонент ветровых волн. Все перечисленные факты являются важным дополнением модели формирования излучения взволнованной морской поверхности. Дальнейшее изучение особенностей формирования излучения волнения, по мнению коллектива авторов, заключается в разделении вкладов в излучение длинноволновых и коротковолновых частей спектра волнения. Были продолжены исследования с помощью лабораторной установки, позволяющей генерировать монохроматические капиллярные волны на поверхности мини бассейна и регистрировать их микроволновое излучение под различными углами азимута и места. Измерения в целом подтвердили наличие критических явлений и их качественную зависимость от углов наблюдения и параметров капиллярной волны. Однако в процессе измерения выяснилось, что для получения надежных количественных данных требуется повысить оперативность и точность регистрации профиля создаваемых капиллярных волн. Был разработан новый метод, основанный на регистрации на фото или видеокамеру изображения прямой линии, находящейся на дне мини бассейна. По форме искажений можно определять форму волны. Погрешности определения амплитуды капиллярных волн в данном методе оказались на уровне 30 мкм, что в 5 раз превышает возможности предыдущего метода измерений. Данный метод позволит надежно контролировать форму поверхности и избирательно исследовать вклады различных капиллярных фракций в микроволновое излучение поверхности. Эти исследования планируется продолжить. Опубликованы или приняты к публикации 6 статей. Результаты исследований представлены в 6 докладах на конференциях. Все поставленные на 2025 год задачи удалось выполнить.