Наблюдать обрушение волн из космоса

Ученые из Морского гидрофизического института РАН (МГИ) (г. Севастополь) исследуют процесс обрушения волн (в активной фазе так называемые «барашки» или по англ. «белые шапки»), основываясь на спутниковых оптических данных высокого разрешения Landsat-8. Применение спутниковых измерений позволяет получить новые данные о закономерностях обрушения и диссипации волновой энергии в системе Мирового океана и способствует корректному построению современных теоретических моделей

Обрушение поверхностных волн – физическое явление, которое играет важную роль в процессах, связанных с диссипацией энергии морского волнения, газообменом между океаном и атмосферой. Кроме этого, обрушение волн вносит существенный вклад в сигналы, полученные при радиолокационном или оптическом зондировании океана из космоса. Их учет необходим для корректной интерпретации различных спутниковых измерений. Дистанционное исследование Земли из космоса позволяет изучать роль обрушений поверхностных волн в их динамике. Сбор метеорологической и волновой информации с помощью спутников дает подробные и точные сведения о местоположении, размерах, скорости, направлении распространения обрушений, для выделения которых на морской поверхности применяются различные математические методы.

Российские специалисты предложили новаторское решение для идентификации обрушения волн, используя зарегистрированные спутниковые данные Landsat-8. Ученые МГИ и Российского государственного гидрометеорологического университета (РГГУ) в Санкт-Петербурге представили результаты исследования в рецензируемом международном журнале REMOTE SENSING OF ENVIRONMENTHTTPS (//doi.org/10.1016/j.rse.2020.112144).  Работа была выполнена при поддержке проекта РНФ «Система морской лед-океан-атмосфера в Арктике по данным спутниковых наблюдений и моделирования», который недавно завершился (с 2017 по 2020 гг.).

Соавтор исследования, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией инновационных методов океанологических исследований Федерального исследовательского центра «Морской гидрофизический институт РАН» (ФГБУН ФИЦ МГИ) (г. Севастополь) – Арсений Александрович Кубряков – рассказал, в чем состоят особенности обрушения волн и что вызывает такие явления, а также что представляет собой авторский оригинальный метод, опирающийся на спутниковые данные.

«Волны представляют угрозу для судоходства, нефтяных платформ, прибрежных структур. Чтобы понимать, какие риски существуют при строительстве берегоукрепительных сооружений и волнозащитных платформ, нужно знать, какие волны в этом районе действуют. Для этого используют методы моделирования, которые основаны на знании баланса энергии волны. Основной приток энергии идет от ветра, дальше, в зависимости от интенсивности ветра, времени его действия и разгона волны, растет энергия волн. Существуют факторы, которые влияют на энергию ослабления волны. Одним из важных таких факторов является обрушение волн. Когда крутизна волны достигает определенного критического значения, волна обрушивается, происходит диссипация волновой энергии и волны затухают.  Чтобы правильно моделировать волны, нужно знать, как идет накачка энергии и ее диссипация», – Арсений Кубряков уточнил, чем вызван научный интерес к обрушению и рассеиванию волн в открытом океане/атмосфере.

Ученый МГИ обратил внимание на то, что «обрушение волн влияет на газообмен. Волна обрушивается и захватывает воздух, приводя к вовлечению кислорода, необходимого для развития экосистем. В момент обрушения возникают очень большие скорости, что вызывает резкое увеличение турбулентности и перемешивание вод. Обрушение влияет на альбедо Земли, поскольку способствует отражению солнечного света. Чем больше обрушений, тем меньше солнечной энергии проникает в океан. Этот эффект имеет значение, несмотря на маленькую площадь, обыкновенно занимаемую обрушениями. Мы изучаем океан из космоса, чтобы исследовать оптические свойства воды. Но когда появляется обрушение, сигнал искажается и наши модели не работают. Есть коррекции, но они достаточно плохо проработаны и нуждаются в серьезной доработке. Поэтому нужно создать метод определения и обнаружения обрушений и использовать его для коррекции других спутниковых данных – оптических и радиолокационных».

Обрушение волн изучается по оптическим данным, на основе которых определяются различные параметры (площадь, гребень, скорость, геометрические характеристики).

По словам Арсения Кубрякова, «сложность заключается в том, чтобы найти экспериментальные материалы в определенных условиях: например, шторм в районе действия внутренней волны или мощного вихря. Аэро-, фотосъемка, видеокамеры, лотки – дают сведения об ограниченном пространстве и зачастую это дорогой способ получения информации. Сейчас в МГИ используются беспилотники, которые снимают обрушения и представляют собой промежуточный вариант между спутниками и камерами».

Исследование севастопольских ученых по гранту РНФ опирается на данные спутника Landsat-8, взятые за период с 2013 по 2017 гг. Они доступны и открывают возможность выбирать самые интересные объекты.

Как отметил Арсений Кубряков, «спутниковые данные сейчас в свободном доступе и дают информацию покрытия всего Земного шара каждые 1-3 дня, причем с высоким разрешением от 10-30 метров и в любом районе Мирового океана в самых экстремальных условиях. Имея этот огромный статистический материал, можно исследовать детали на больших площадях (один снимок охватывает 200 км): например, можно увидеть, как обрушения распределены по пространству в зоне фронтов, интенсивных внутренних волн, в Арктике и Антарктиде. Мы видим влияние разных динамических процессов на поля обрушения».

Ученые использовали снимки, сделанные в разных частях Земли и в разное время года, чтобы продемонстрировать влияние множества динамических или других процессов на неоднородность обрушения.

Российские специалисты наблюдали за обрушением волн, например в таких акваториях, как Тихий океан (течение Куросио), Средиземное море (Мистраль), Черное море, Азовское море, мыс Доброй Надежды, залив Фанди у восточного побережья Канады, в районе мыса Нао в Испании, Гибралтарский пролив, Гренландия.

Чем они привлекли внимание ученых?

  «В этих районах происходили какие-либо необычные события в момент съемки. Например, в районе реки Рона во Франции, когда пролетал спутник, случился шторм. При этом во втекающих речных водах обрушений было значительно меньше, чем в окружающих водах. Это связано с тем, что зимой речные воды были холоднее. Над холодными областями эффект трения слабее, что связано с особенностями пограничного слоя атмосферы. В то же время на фронте речных вод обрушения резко усиливались. Дело в том, что на границе между пресными и солеными водами происходило столкновение течений (или конвергенция). В результате в местах соприкосновения фронтов волны резко вырастают и обрушиваются», – объяснил Арсений Кубряков.

По замечанию севастопольского исследователя, «при описании волн необходимо учитывать их взаимодействие с течениями, в результате чего они могут обрушиваться или трансформироваться.  В научном сообществе ранее такое взаимодействие часто не включалось в волновые модели. Мы даем теоретическое пояснение к существующим данным и предлагаем методы для объяснения наблюдающихся эффектов влияния течений на волны. В первую очередь, скорость течения и описание этих процессов позволит улучшить качества волновых моделей».

«Считается, что в упрощенных моделях площадь обрушения зависит от скорости ветра в определенной степени, около 2-3. Однако, разные авторы получали разные коэффициенты. Используя спутниковые данные, мы показываем, что не только скорость ветра, но и многие другие процессы лежат в основе изменчивости обрушения волн», – уточнил Арсений Кубряков.

Специалисты МГИ – заведующий лабораторией дистанционных методов исследования Сергей Станичный и заведующий лабораторией инновационных методов океанологических исследований Арсений Кубряков – разработали метод определения доли обрушений по спутниковым снимкам, а также исследовали их связь с характеристиками ветра и течений.   

Теоретическая модель описания влияния течений на обрушения представлена Владимиром Кудрявцевым, доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником отдела дистанционных методов исследования Морского гидрофизического института РАН и заведующим лабораторией спутниковой океанографии Российского государственного гидрометеорологического университета в Санкт-Петербурге.  Предложенное решение основывается на более ранних исследованиях, в том числе, проведенных в экспедициях в открытом океане, которые были начаты в отделе ДМИ МГИ РАН еще в 80-е годы двадцатого  столетия. Основная идея состоит в том, что обрушения волн на морской поверхности («барашки») связаны не только с потерями энергии, проступающей от ветра, но и от поверхностных течений.

Владимир Кудрявцев дал развернутый комментарий к авторской разработке: «Очень грубо эту модель можно описать так. Если течения горизонтально неоднородны, то на поверхности океана появляются зоны конвергенции (или дивергенции), где происходит скопление (или разрежение) любых «плавучих материалов» биологического/природного или искусственного происхождения. В первом случае – это планктон и иные биологические или биохимические субстанции, а во втором случае – поверхностные загрязнения, включая пластиковый мусор. Здесь интересно то, что ветровые волны также выступают в роли «частиц» (вспомним школьную волновую и корпускулярную теорию света), которые также переносятся океаническими поверхностными течениями, и скапливаются (разряжаются) в зонах конвергенции (дивергенции). При скоплении (разряжении) волн увеличивается (уменьшается) их энергия, что сопровождается увеличением (уменьшением) интенсивности обрушений волн и числа белых барашков на поверхности океана. Аномалии барашков на поверхности океана указывают на наличие и положение зон конвергенции/дивергенции течений. Амплитуда аномалий пропорциональна величине конвергенции/дивергенции течений. Важно, что с величиной конвергенции/дивергенции связана и вертикальная скорость опускания/подъема океанических вод, которые обеспечивают вертикальную «вентиляцию» океана, перенос тепла и соли, а также химических и биологических субстанций. Таким образом, наблюдаемые нами из космоса барашки дают ключ к пониманию того, что происходит на поверхности океана и в его толще, и это может быть далее использовано при решении фундаментальных задач океанологии.

Чем это полезно или важно с практической точки зрения? На основании этой статьи («APPLICATION OF LANDSAT IMAGERY FOR THE INVESTIGATION OF WAVE BREAKING» REMOTE SENSING OF ENVIRONMENTHTTPS (//DOI.ORG/10.1016/J.RSE.2020.112144)) по наблюдаемым из космоса аномалиям барашков мы можем идентифицировать внутренние волны, неоднородности донной топографии и фронтальные разделы в океане.  Эта возможность имеет исключительно важное значение для обеспечения безопасности судоходства. В мелководных районах суда двигаются по фарватерам. Под воздействием течений и волн фарватеры «засыпаются» и меняют свое положение. Использование наших результатов позволит развивать спутниковый мониторинг изменчивости рельефа дна в мелководных районах для обеспечения безопасности прибрежного судоходства.

Как показано, пространственные изменения барашков трассируют зоны конвергенции и дивергенции поверхностных течений. В зонах конвергенции скапливается планктон и другие питательные вещества, которыми питаются пелагические рыбы. Т.е. зона конвергенции (где мы из космоса наблюдаем много белых барашков) является зоной скопления рыбы, потенциально имеющей рыбопромысловое значение. С другой стороны, в зонах дивергенции (где в поверхностном слое уменьшается концентрация планктона) происходит подъем глубинных вод, богатых питательными веществами. В этих зонах скапливаются другие виды рыб, которые также имеют промысловое значение.

То есть, наблюдая из космоса над пространственным распределением барашков, мы можем находить зоны конвергенции/дивергенции течений в открытом океане, которые являются биологически активными зонами, имеющими важное рыбопромысловое значение. Положение этих зон в океане сильно изменчиво в пространстве и времени. Оперативный мониторинг таких зон из космоса позволит радикально увеличить эффективность рыбного промысла и значительно сократить непроизводительные потери судового времени (которые очень дороги) в океане на поиск рыбы, которые могут занимать дни и недели.

Отметим также, что полученные здесь результаты по наблюдениям барашков будут перенесены на спутниковые радиолокационные методы. Обрушения волн видны не только в оптическом диапазоне (как барашки), но также влияют на обратное рассеяние радиоволн от поверхности океана, регистрируемое спутниковыми радиолокаторами. Радиолокационные методы являются всепогодными и не зависят от условий освещенности и времени суток. Поэтому, перенос результатов работы на спутниковые РЛ методы позволит создать надежный и эффективный инструмент спутникового мониторинга неоднородностей поверхности океана».

Итак, с появлением новых спутниковых данных наблюдений появляется возможность детальной метрологической проработки новых теоретических положений об обрушениях волн. Это позволяет качественно и количественно оценить особенности поля волн и возникновения разного рода аномалий в океане и описывать механизм диссипации волн на морской поверхности.