Measurement of capillary oscillations of the sea surface

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Capillary waves on the sea surface have a significant effect on the scattering of both optical and microwave radiation. Although the amplitude of capillary waves is fractions of a millimeter, the slopes formed on capillary waves often exceed 30°, which leads to a strong change in the effective reflection, absorption, and backscattering cross sections. Capillary waves are studied in detail in pools; however, in natural marine conditions, they could only be measured indirectly, usually by reflections or glare. In this paper, a remote method for measuring slopes, amplitudes, and direction of the wave vector of the capillary wave structure in natural conditions is proposed and applied. In the proposed method, distortions of laser beams falling from top to bottom on the sea surface are recorded on a video camera. The authors managed to solve the inverse problem of calculating all the parameters of a capillary wave based on the shape of a capillary comb in video frames. The sensitivity of the method for measuring the wave amplitude is 30 µm at a distance to the surface of over 4 m.

About the authors

V. V. Sterlyadkin

MIREA – Russian Technological University

Email: sterlyadkin@mail.ru

K. V. Kulikovsky

MIREA – Russian Technological University

A. A. Zadernovsky

MIREA – Russian Technological University

References

  1. Басс Ф.Г., Брауде С.Я., Калмыков А.И. и др. Методы радиолокационных исследований морского волнения (радиоокеанография) // Успехи физических наук. 1975. Т. 116. С. 741–743. https://doi.org/10.3367/UFNr.0116.197508j.0741
  2. Ермаков С.А., Рувинский К.Д., Салашин С.Г., Фрейдман Г.И. Экспериментальное исследование генерации капиллярно-гравитационной ряби сильнонелинейными волнами на поверхности глубокой жидкости // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986. Т. 22. № 10. С. 1072–1080.
  3. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Щегольков Ю.Б. Лабораторные исследования кривизны гравитационно-капиллярных волн конечной амплитуды // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1997. Т. 33. № 3. С. 394–401.
  4. Садовский И.Н., Сазонов Д.С. Экспериментальные исследования эффективной излучательной способности взволнованной морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 6. С. 234–246. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2023-20-6-234-246
  5. Стерлядкин В.В. Сканирующий лазерный волнограф с регистрацией “мгновенной” формы поверхности. Патент РФ № 2749727. 16.10.2020.
  6. Стерлядкин В.В., Куликовский К.В. Измерение капиллярных волн лазерным волнографом // Российский технолог. журн. 2022. Т. 10. № 5. C. 100–110. https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/571/415
  7. Стерлядкин В.В., Сазонов Д.С., Кузьмин А.В., Шарков Е.А. Наземные радиометрические измерения эффективной излучательной способности морской поверхности без абсолютной калибровки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 2. С. 29–41. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2018-15-2-29-41
  8. Donelan M.A., Pierson W.J. Jr. Radar scattering and equilibrium ranges in wind-generated waves with application to scatterometry // J. Geophysical Research. 1987. V. 92. Iss. C5. P. 4971–5029. https://doi.org/10.1029/JC092iC05p04971
  9. Ebuchi N., Kawamura H., Toba Y. Fine structure of laboratory wind-wave surfaces studied using an optical method // Boundary-Layer Meteorology. 1987. V. 39. P. 133–151.
  10. Ermakov S.A., Makarov E.V., Sergievskaya I.A. Radar scattering on gravity-capillary waves: Laboratory investigation // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2007. V. 43. P. 243–249. https://doi.org/10.1134/S0001433807020119
  11. Ermakov S.A., Sergievskaya I.A., Dobrokhotov V.A., Lazareva T.N. Wave tank study of steep gravity-capillary waves and their role in Ka-band radar backscatter // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2022. V. 60. P. 1–12. Article 4202812. https://doi.org/10.1109/TGRS.2021.3086627
  12. Fedorov A.V., Melville W. Rozenberg K.A. An experimental and numerical study of parasitic capillary waves // Physics of Fluids. 1998. V. 10. P. 1315–1323. https://doi.org/10.1063/1.869657
  13. Perlin M., Lin H., Ting C.-L. On parasitic capillary waves generated by steep gravity waves: Аn experimental investigation with spatial and temporal measurements // J. Fluid Mechanics. 1993. V. 2. P. 417–445. https://doi.org/10.1017/S0022112093002605
  14. Sterlyadkin V.V. Some aspects of the scattering of light and microwaves on non-spherical raindrops // Atmosphere. 2020. V. 11. Iss. 5. Article 531. https://doi.org/10.3390/atmos11050531
  15. Sterlyadkin V.V. The problem of reconstructing the profile of the sea surface from the video image of laser beams // Oceanology. 2024. V. 64. № 3. P. 342–352.
  16. Sterlyadkin V.V., Kuzmin A.V., Sharkov E.A., Likhacheva M.V. Scanning laser wave recorder with registration of “Instantaneous” sea surface profiles // Atmospheric and Oceanic Technology. 2021. V. 38. № 8. P. 1415–1424. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-21–0036.1
  17. Yurovsky Y.Y., Kudryavtsev V.N., Grodsky S.A., Chapron B. Ka-band dual copolarized empirical model for the sea surface radar cross section // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. № 3. P. 1629–1647. https://doi.org/10.1109/TGRS.2016.2628640

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».