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

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).