Sopot, 21.08.2012 prof. dr hab. inŜ. Stanisław Massel Instytut

Sopot, 21.08.2012
prof. dr hab. inŜ. Stanisław Massel
Instytut Oceanologii PAN
Sopot
Opinia
o pracy doktorskiej mgr Agaty Dragan Akustyczna pasywna metoda szacowania
energii dyssypacji fal powierzchniowych w morzu
1. Uwagi wstępne i kompozycja pracy
Opinię wykonałem na podstawie zlecenia Instytutu Oceanologii PAN z dnia 2 lipca 2012
roku. Przedstawiona mi do recenzji praca liczy 141 stron, w tym 49 rysunków, 6 tabel oraz
167 pozycji współczesnej literatury przedmiotu. Całość rozwaŜań podzielono na siedem
rozdziałów. We Wstępie autorka omawia istotę zagadnienia podjętego w pracy oraz formułuje
cel i zakres pracy. Obszerny rozdział drugi zawiera krytyczny przegląd stanu współczesnej
wiedzy dotyczącej akustycznych metod obserwacji procesu załamania fal powierzchniowych
oraz szacowania energii traconej w wyniku załamania. W rozdziale trzecim przedstawiono
metodykę pomiarów i stosowaną aparaturę, zaś rozdział czwarty został poświęcony wynikom
pomiarów akustycznych. Pomiary falowania i ich wynik zostały omówione w rozdziale
piątym. ZaleŜności łączące parametry akustyczne i parametry falowania oraz prędkość wiatru
przedyskutowano w rozdziale szóstym. Rozprawę kończy rozdział siódmy zawierający
podsumowanie i wnioski.
2. Krytyczne omówienie Wstępu
Na wstępie do mojej opinii chciałbym się odnieść do tytułu rozprawy, a w szczególności do
uŜytego tam zwrotu „energia dyssypacji fal powierzchniowych”. Jest to bezpośrednie
tłumaczenie angielskiego terminu „energy dissipation of surface waves”. O ile brzmi to
poprawnie w tak zwartym języku, jakim jest język angielski, o tyle w przekładzie polskim
zwrot ten jest niezbyt udany. Prowadzi to bowiem do takich niejasnych sformułowań
spotykanych w pracy, jak na przykład „ ... napotykamy ciągle na trudności metodologiczne w
określeniu energii dyssypacji falowania w morzu” (str. 9). W istocie chodzi o straty energii
(dyssypacji) fal powierzchniowych w wyniku ich załamania. Poprawniej naleŜałoby
zatytułować pracę jako „Akustyczna pasywna metoda szacowania strat energii falowania
powierzchniowego w wyniku załamania” lub podobnie.
Obserwacje i pomiary falowania na głębokim morzu związane są zawsze z rozmaitymi
trudnościami. Te trudności zwiększają się bardzo gdy staramy się wniknąć w proces utraty
stabilności fali i jej załamania, a takŜe oceny wielkości utraconej energii. Autorka pracy
zastosowała do tych celów metodę pomiarów pośrednich. Przyjęła mianowicie hipotezę, Ŝe
wielkość szumów wywołanych załamującą się falą pozostaje w ścisłej zaleŜności od energii
fali traconej w wyniku załamania. Samo załamanie fali powierzchniowej, w szczególności
wywołanej działaniem wiatru na głębokim morzu, jest procesem niezwykle złoŜonym i
jeszcze słabo rozpoznanym. Doktorantka podjęła zatem w swej pracy nietrywialny problem,
bardzo waŜny dla zrozumienia mechaniki ruchu falowego, jednocześnie bardzo trudny ze
względów badawczych i metodologicznych. Cel swych badań określa jako „ ... znalezienie
zaleŜności pomiędzy energią falową dyssypowaną w procesie załamania fal a energią
akustyczną szumów generowanych podczas tego zjawiska, w warunkach bałtyckich”.
Przyjęta metodyka pracy jest właściwa; obejmuje ona równoczesne pomiary falowania
powierzchniowego, za pomocą boi Waverider, oraz szumów akustycznych za pomocą
zestawu pomiarowego umoŜliwiającego rejestrację generowanych szumów i obserwację
pęcherzyków gazowych pod powierzchnią.
3. Krytyczne omówienie rozdziału drugiego
Rozdział poświęcony przeglądowi literatury jest bardzo obszerny, liczący 41 stron. Sam
przegląd literatury, obejmujący równieŜ najnowsze publikacje obcojęzyczne, wykonano
bardzo starannie. Autorka omawia po kolei procesy dyssypacji energii falowania, metody
obserwacji załamania fal, szumy morza oraz statystykę falowania.
Dyssypacja energii pojawia się w równaniu bilansu energii falowania jako jeden z tzw.
członów źródłowych. Doktorantka przeanalizowała poszczególne modele teoretyczne
opisujące człon S diss słusznie zwracając uwagę na wkład pęcherzyków gazowych,
wtłaczanych pod powierzchnię, do całkowitej dyssypacji. Innym waŜnym zagadnieniem,
niestety pominiętym w przeglądzie autorki, jest odmienny wpływ fal krótkich i fal długich na
dyssypację energii w widmie falowania. Taki model parametryzacji członu S diss został
opublikowany w 1996 roku przez Tolmana i Czalikowa.
Na koniec przeglądu literatury doktorantka omawia wpływ kierunkowości falowania na
procesy dyssypacji, chociaŜ bez głębszego wyjaśnienia istoty zjawiska. NaleŜałoby tu
podkreślić dwojakie przyczyny pojawiania się bimodalnego rozkładu kierunkowego
falowania. Jedną z przyczyn jest niewątpliwie nakładanie się kilku systemów falowania
docierających z róŜnych kierunków do punktu obserwacji (patrz Pawka, 1983; Paplińska,
1994). Druga przyczyna takiego rozkładu wynika zaś ze wzajemnego, nieliniowego
oddziaływania składowych falowania. Prowadzi to do rozkładu parametryzowanego zwykle
przez sumę dwóch rozkładów normalnych w przestrzeni kątów. Dwukierunkowość rozkładu
pojawia się dla częstotliwości większych niŜ podwójna częstotliwość piku widma.
Uzasadnienie takiego zachowania rozkładu znaleźć moŜna w „starej” pracy Longuet-Higginsa
z 1976 roku.
Na zakończenie podaję wykaz drobnych potknięć językowych zauwaŜonych
w rozdziale 2:
str. 17, 6 linia od góry: lepiej ... z jej ubytkiem w systemie falowym.
str. 17, rozdz. 2.1.1: lepiej ... dyssypacji energii
str. 36, 2 linia od góry: lepiej ... oddziaływania fal z turbulencją
str. 47, 7 linia od dołu: lepiej ... o ograniczonej rozciągłości falowania, wiek falowania ...
str. 47, 5 linia od dołu: lepiej ... od wieku falowania
str. 49, 12 linia od dołu: lepiej ... w przypadku załamania przelewowego ...
str. 49, 10 linia od dołu: lepiej ... W przypadku załamania spływowego ...
str. 51, 5 linia od dołu: co oznacza ... prędkość fazowa fali, wyznaczona na podstawie
widma falowania
4. Krytyczne omówienie rozdziału trzeciego
W rozdziale trzecim omawia się metodykę pomiarów i stosowaną aparaturę. Nie mam uwag
do tego krótkiego rozdziału, poza pytaniem o ilość wykonanych prób pomiarowych. Na
stronie 56 autorka pisze bowiem, Ŝe „ ... wykonano kilka prób pomiarowych”. To znaczy ile
ich było?
5. Krytyczne omówienie rozdziału czwartego i piątego
Rozdział czwarty poświęcony został omówieniu wyników pomiarów akustycznych. Autorka
starannie przedstawiła wiele aspektów akustycznej detekcji fal załamujących się i jej
parametryzacji. Mimo tak duŜej ilości analizowanych parametrów, rozdział ten budzi pewien
niedosyt. W moim przekonaniu zagubiony został związek pomiędzy akustycznymi
właściwościami fal załamujących a fizycznymi kryteriami załamania fali. Sprowadza się to
w istocie do pytania kiedy fale się załamują? Na stronie 70 doktorantka stwierdza, Ŝe „aŜeby
dokonać detekcji pojedynczego zdarzenia załamania fali, naleŜy przyjąć pewne załoŜenia
dotyczące rozmiarów i charakterystyk kierunkowych źródła akustycznego”. Co to oznacza?
JeŜeli nawet zlokalizujemy centrum chmury pęcherzyków gazowych i jej przemieszczanie
względem zestawu hydroforów, to w dalszym ciągu niezbędne jest oszacowanie
intensywności załamania. Wydaje się, Ŝe w rozumieniu autorki pracy, obecność chmury
pęcherzyków gazowych juŜ świadczy o zaistnieniu załamania. O takim podejściu do
problemu świadczy lista wyznaczanych parametrów (patrz str. 79-80). Znajdujemy tam takie
parametry jak częstość załamania, gęstość, prędkość i kierunek propagacji fal załamujących
się, energię akustyczną wypromieniowaną podczas załamania i inne. Nie ma natomiast na tej
liście związków pomiędzy parametrami akustycznymi a parametrami fali, takimi jak
wysokość, stromość i inne.
Mimo tego braku autorka wykazała związek analizowanych parametrów akustycznych ze
stanem morza i prędkością wiatru. W szczególności ciekawe są rozwaŜania doktorantki
dotyczące dynamiki procesu załamania w róŜnych fazach sztormu, tj. w fazie narastania
i fazie zanikania prędkości wiatru.
Częściowa odpowiedź na wyraŜone wyŜej wątpliwości znajduje się takŜe w rozdziale
piątym, w którym analizowano wyniki pomiarów falowania. Analiza autorki w całości
dotyczy widmowych charakterystyk falowania. A zatem poszukuje się związków pomiędzy
parametrami sygnału akustycznego a widmowymi charakterystykami falowania, takimi jak
widmo częstotliwościowe, widmo dwuwymiarowe falowania i rozkład kierunkowy. Pewne
parametry statystyczne, takie jak częstotliwość piku widma, wysokość fali znacznej i jej
stromość, wysokość fali dominującej zostały zaś wyznaczone w oparciu o charakterystyki
widmowe. W pracy przyjęto do rozwaŜań dwa modele widmowej dyssypacji energii, tj.
model Hasselmanna (1974) oraz model Ardhuina (2010). Drugi model jest propozycją
półempiryczną. Nie jest całkowicie prawdą, Ŝe funkcja widmowa Ardhuina nie posiada z góry
ustalonego kształtu. Przyjęto w nim mianowicie rozkład kierunkowy energii falowej według
klasycznej funkcji cos2θ.
Na zakończenie podaję wykaz drobnych potknięć językowych i błędów zauwaŜonych
w rozdziałach czwartym i piątym:
str. 66, 3 linia od góry: odsłuch – to Ŝargon fachowy?
str. 96, rys. 5.1c – jaka jest skala kolorów
str. 97, wielkość ε jest stromością fali znacznej a nie znaczną stromością fali
str. 99, rys. 5.2 - symbol ω winien być zamieniony na ε
6. Krytyczne omówienie rozdziału szóstego i siódmego
Rozdział 6 został poświęcony omówieniu zaleŜności pomiędzy parametrami akustycznymi
i parametrami falowania oraz prędkością wiatru. Według autorki, zaleŜność taką moŜna
wyznaczyć poprzez obserwowany kierunek i prędkość propagacji fali załamującej się.
KaŜdemu wykrytemu i zlokalizowanemu źródłu akustycznemu przypisano dwie wielkości –
kierunek propagacji i częstotliwość fali załamanej. Doktorantka stwierdza, Ŝe znając te
wartości moŜna pokazać, które składowe widma falowania uległy załamaniu. Co do tego
mam wątpliwości, ale wierzę, Ŝe problem ten autorka wyjaśni w czasie publicznej obrony. W
moim przekonaniu z kierunku propagacji i częstotliwości fali załamanej nie wynikają
bezpośrednio wiarygodne kryteria świadczące o załamaniu, w szczególności kryteria
energetyczne.
Z tekstu rozprawy nie wynika przejrzysty sposób określenia lokalizacji kolorowych
kropek na rys. 6.1, świadczących o załamaniu. Doktorantka jedynie podkreśla, Ŝe „za pomocą
metod akustycznych moŜna nie tylko dokonywać detekcji procesu załamania, lecz równieŜ
prawidłowo parametryzować załamujące się fale, tj. określić ich częstotliwość i kierunek
propagacji”. Oznacza to jednocześnie, Ŝe współczesne metody akustyczne nie pozwalają
jeszcze na oszacowanie właściwości energetycznych fal załamujących się, tj. wielkości
redukcji energii, zmianę wysokości fali, przesunięcie energii do innych częstotliwości i inne.
Tym niemniej, z pracy doktorantki wynikają poŜyteczne wnioski odnośnie samego
procesu załamania. Na przykład, na rys. 6.4 pokazano klarownie połoŜenie obszaru energii
dyssypowanej w przestrzeni częstotliwości, w odniesieniu do częstotliwości piku. Innym
waŜnym wnioskiem autorki jest oszacowanie relacji pomiędzy energią dochodzącą od wiatru i
energią traconą w wyniku załamania. Daje to pogląd na wagę obu członów w spektralnym
bilansie energii.
Na rys. 6.6 przedstawiono szeregi czasowe kilku interesujących parametrów.
W szczególności, jakościowa zgodność pomiędzy poziomem gęstości widmowej mocy
szumów a wysokością fali dominującej i energią fali jest ewidentna. PoniewaŜ wysokość fali
dominującej i energia fali są wielkościami całkowymi, nie wydaje się moŜliwe otrzymanie z
porównania obu energii informacji o załamaniu poszczególnych fal.
W pracy waŜne są wnioski autorki odnośnie związków parametrów akustycznych od
prędkości wiatru w odniesieniu do Bałtyku. Często parametry falowania stanowią ogniwo
pośrednie w tych relacjach. Tak się dzieje w przypadku prędkości przemieszczania się źródeł
akustycznych i prędkości propagacji fal załamujących się.
W rozdziale siódmym doktorantka dokonuje podsumowania rozprawy. Stwierdza na
początku, Ŝe dysponowała serią danych pomiarowych trwającą łącznie około 120 godzin.
Wśród najistotniejszych rezultatów wynikających z analizy danych pomiarowych wymienia
doktorantka uzyskane relacje pomiędzy dyssypacją energii falowej i energii akustycznej oraz
zaleŜności poziomu gęstości widmowej szumów od prędkości wiatru. Na podkreślenie
zasługuje takŜe próba akustycznego oszacowania parametrów pojedynczych zdarzeń
załamania fali a takŜe związków parametrów akustycznych z prędkością wiatru. Pozwala to
na łączną analizę układu łączącego szumy akustyczne, proces załamania fali i wymuszenie
wiatrem. Te trzy elementy są powiązane ze sobą wieloma wielokierunkowymi zaleŜnościami.
7. Podsumowanie i wniosek końcowy
W podsumowaniu opinii o rozprawie doktorskiej mgr Agaty Dragan stwierdzam, Ŝe:
•
rozprawa doktorska dotyczy waŜnego problemu badawczego dyssypacji energii
falowej wskutek załamania fali
•
dla oszacowania strat energii, autorka zastosowała z powodzeniem metody detekcji
akustycznej
•
autorce udało się udowodnić związki
z właściwościami spektralnymi falowania
•
na szczególną uwagę zasługuje wyznaczenie zaleŜności funkcyjnej dyssypacji energii
falowej i energii akustycznej emitowanej w czasie załamania fali oraz wyznaczenie
zaleŜności poziomu gęstości widmowej szumów od prędkości wiatru
•
praca potwierdziła odmienny charakter
w porównaniu z szumami w oceanach
•
poziom pracy jest wysoki i nie budzi zastrzeŜeń
•
autorka wykazała się bardzo dobrą znajomością współczesnej literatury fachowej
•
zademonstrowała ona równieŜ umiejętność prowadzenia skomplikowanych badań
w naturalnych warunkach morskich
•
podniesione uwagi krytyczne nie umniejszają mojej pozytywnej opinii, a wątpliwe
kwestie winny być wyjaśnione w czasie publicznej obrony.
wielu
szumów
parametrów
akustycznych
akustycznych
w
Bałtyku
Biorąc pod uwagę powyŜsze względy stwierdzam, Ŝe praca doktorska mgr Agaty Dragan
„Akustyczna pasywna metoda szacowania energii dyssypacji fal powierzchniowych
w morzu” spełnia wszystkie wymagania stawiane pracom doktorskim w myśl ustawy
o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z
dnia 14 marca 2003 i uzasadnia dopuszczenie mgr Agaty Dragan do dalszych etapów
przewodu doktorskiego.
prof. dr hab. inŜ. Stanisław Massel
Instytut Oceanologii PAN