Prof. Uniwersytetu Gdańskiego Gdynia Dr hab. Natalia Gorska Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego

Transkrypt

1 Prof. Uniwersytetu Gdańskiego Gdynia Dr hab. Natalia Gorska Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego Recenzja pracy doktorskiej mgr Agaty Dragan Akustyczna pasywna metoda szacowania energii dyssypacji fal powierzchniowych w morzu Informacje wstępne. Wykonanie recenzji pracy doktorskiej zostało mnie powierzone przez Radę Naukową Instytutu Oceanologii PAN w Sopocie na posiedzeniu w dniu 26 czerwca 2012 roku. Praca doktorska mgr Agaty Dragan Akustyczna pasywna metoda szacowania energii dyssypacji fal powierzchniowych w morzu liczy 159 stron tekstu z rysunkami i tabelami oraz 167 pozycji literatury fachowej, spis rysunków i fotografii oraz spis tabel. Pracę podzielono na 7 rozdziałów, w tym: - Wstęp (rozdział 1) i Podsumowanie (rozdział 7) - rozdział 2, dotyczący uzasadnienia przeprowadzonych badań i wprowadzający czytelnika w fizykę zjawiska załamania fal wiatrowych oraz generacji szumów akustycznych towarzyszących procesowi załamania, - rozdział 3 metodyki pomiarów i obróbki danych - rozdziały 4-6 zawierające opis wyników pomiarów akustycznych i hydrodynamicznych oraz interpretację otrzymanych wyników. Krytyczne omówienie poszczególnych rozdziałów pracy Załamujące się fale wiatrowe spełniają istotną rolę w dynamice górnej warstwy oceanu i oddziaływania jej z atmosferą, wnosząc wkład w dyssypację fal powierzchniowych oraz w wymianę gazu, ciepła i masy przez powierzchnię morza. Zjawisko załamania od wielu lat skupia uwagę badaczy, jednak jego znajomość nadal nosi charakter fragmentaryczny i wymaga dalszych badań. Zjawisko załamania fal wiatrowych nadal pozostaje wyzwaniem dla badaczy, ponieważ fizyka jego ma skomplikowany charakter i nie jest łatwa do uchwycenia w modelach teoretycznych. Z kolei, badania na głębokim morzu nie są łatwe, ponieważ zjawisko to występuje w warunkach sztormowych, gdy stosowanie wielu metod badawczych jest utrudnione. Spowodowało to dalsze poszukiwanie nowych metod badawczych, a od lat dziewięćdziesiątych badacze zwrócili się do metod akustycznych, demonstrując szeroki zakres ich możliwości. Akustyczne badania w ostatnich latach rozpoczęto na Morzu Bałtyckim. W ten światowy nurt wpisują się badania przeprowadzone przez Doktorantkę dla warunków bałtyckim. Rozdział 1 W rozdziale 1 Doktorantka formułuje cel i zakres pracy (podrozdział 1.1). W podrozdziale 1.2 demonstrując trudności interpretacji danych pomiarów szumów akustycznych związanych z procesem załamania fal wiatrowych, wykonanych przez poprzedników na Morzu Bałtyckim, Doktorantka dobrze uzasadnia potrzebę prowadzenia dalszej analizy dla Bałtyku wpływu sytuacji falowo-wiatrowej na charakterystyki pola szumów. Jednak przedstawione argumenty nie są, jak sugeruje autorka w ostatnim akapicie, uzasadnieniem dla istotności sprawdzania głównej (patrz podrozdział 1.1) hipotezy

2 badawczej, że energia szumów akustycznych wypromieniowana przez chmury pęcherzyków gazowych powstałych w wyniku załamania fal wiatrowych jest wskaźnikiem efektywności dyssypacji energii tych fal. Uważam, że wszechstronne uzasadnienie Doktorantka przedstawiła dopiero w rozdziale drugim. Rozdział 2 W związku z tym, że jako podstawowy cel pracy określono znalezienie zależności pomiędzy energią falową ulegającą dyssypacji w procesie załamania fal a energią akustyczną szumów generowanych podczas tego zjawiska, w warunkach bałtyckich w rozdziale drugim na podstawie szerokiego przeglądu literatury Autorka: 1. wszechstronnie uzasadnia potrzebę pogłębienia wiedzy o procesie dyssypacji energii fal wiatrowych. Wynika ona nie tylko z ważności tego procesu dla interpretacji szeregu istotnych procesów fizycznych i biochemicznych zachodzących na granicy morza i atmosfery oraz fragmentaryczności wiedzy jest to najmniej poznany proces zachodzący w polu falowym. Kandydatka również demonstruje trudności w badaniu tego zjawiska: - analizując szczegółowo zalety i wady istniejących modeli teoretycznych, opisujących tak złożony pod względem fizyki proces załamania fal wiatrowych (podrozdział 2.1.1), - sygnalizując trudności techniczne w prowadzeniu pomiarów, wynikające ze skrajnych warunków pogodowych (warunki sztormowe, wysokie stany morza), w których załamanie fal jest na głębokim morzu intensywne. 2. uzasadnia również potrzebę usprawnienia istniejących metod eksperymentalnych stosowanych w badaniach efektywności dyssypacji energii falowej w warunkach laboratoryjnych i in situ (podrozdziały 2.1.2, 2.1.3). Udowadnia to przez szczegółowy przegląd możliwości i ograniczeń istniejących metod pomiarowych jak bezpośrednich tak i pośrednich (w tym metody akustycznej). 3. demonstruje także możliwości metody związanej z pomiarami akustycznymi. Metoda ta jest oparta, z jednej strony, na pomiarach energii akustycznej pola szumów wygenerowanych przez powstające podczas procesu załamania fal wiatrowych chmury pęcherzyków gazowych; natomiast z drugiej na modelowaniu procesu dyssypacji energii fal. Wszechstronnie uzasadniając potrzebę pogłębienia wiedzy o procesie dyssypacji energii fal wiatrowych, usprawnienia istniejących metod eksperymentalnych i teoretycznych stosowanych w badaniach oraz demonstrując możliwości metody akustycznej autorka nie pozastawia czytelnikowi wątpliwości o istotności dalszych badań w kierunku rozwoju metod akustycznych. Zasługuje na uwagę fakt, że autorka syntetycznie zestawiła i porównała wyniki pomiarów prędkości dyssypacji energii przeprowadzone przez różnych autorów z zastosowaniem metody akustycznej (Tabela 2.1). Doktorantka podejmuje próbę interpretacji tych wyników, jednak nosi ona raczej charakter formalny. Interpretacja ta powinna być pogłębiona przez szczegółową analizę różnicy: - warunków hydrodynamicznych, batymetrycznych i geologicznych, w których zostały przeprowadzone pomiary akustyczne, - stosowanych technik zebrania danych akustycznych i metod ich analizy, - zastosowanych metod określenia strat energii falowej. Takie podejście pozwoliłoby nie tylko zweryfikować i zinterpretować w sposób dokładniejszy wyniki własnych badań doktorantki, przedstawionych w następnych rozdziałach, ale również wniosłoby istotny wkład w określenie kierunku dalszego rozwoju metod akustycznych. Widzę to jako możliwy kierunek dalszych działań Doktorantki.

3 Ponieważ zamierzeniem Doktorantki było również określenie na podstawie pomiarów akustycznych innych (poza prędkością dyssypacji energii falowej) charakterystyk pola falowego w warunkach bałtyckich, Doktorantka w podrozdziale 2.2 oraz 2.4 dokonała przeglądu metod kontaktowych i zdalnych stosowanych do obserwacji procesu załamania fal. Przedyskutowała ich ograniczenia i zalety. Uzasadniła potrzebę dalszego rozwoju zdalnych metod akustycznych demonstrując z jednej strony ich możliwości, w tym nie tylko możliwość oszacowania prędkości dyssypacji energii fal wiatrowych, ale również: - detekcję załamującej się na powierzchni fali wiatrowej, - przestrzenną lokalizację zjawiska, - prawdopodobieństwa występowania procesu załamania w przestrzeni i czasie, - pomiar czasu trwania zjawiska załamania, - określenie prędkości fazowej załamującej się fali i jej kierunku propagacji. Z drugiej natomiast, strony zwróciła uwagę na inny, w porównaniu do oceanu, gdzie została przeprowadzona większa część badań, mniej poznany charakter szumów na Bałtyku i mniej zbadany proces załamania się fal wiatrowych na tym akwenie (podrozdział 2.3.4). Ponieważ jednym z celów rozprawy jest również określenie związków pomiędzy poziomem szumów morza, prędkością wiatru oraz parametrami pola falowego, Autorka również przedstawia aktualny stan wiedzy dotyczący tego zjawiska, w tym dla warunków bałtyckich. Informacja ta jest zamieszczona w kilka podrozdziałach rozdziału 2. Rozdział 2 zawiera nie tylko szczegółowe i głębokie uzasadnienie badań prowadzonych przez doktorantkę, ale także daje czytelnikowi niezbędne podstawy fizyczne dotyczące: - generacji szumów akustycznych przez pęcherzyki gazowe powstające w wyniku procesu załamania fal wiatrowych (podrozdział 2.3), - procesu załamania fal wiatrowych (podrozdział 2.1). Podrozdział 2.4 syntezuje na podstawie szczegółowego przeglądu literatury dane dotyczące statystyki fal wiatrowych do tej części nie mam zastrzeżeń. Podsumowując, w rozpatrywanym rozdziale autorka na podstawie obszernej analizy literatury tak z dziedziny hydroakustyki jak i hydrodynamiki przedstawiła wszechstronne uzasadnienie istotności swoich badań leżących w głównym nurcie badań światowych. Doktorantka również przygotowała czytelnika do dalszych rozdziałów rozprawy. Chciałabym zwrócić również uwagę na szereg nieścisłości, utrudniających czytanie tego rozdziału, między innymi: 1. ten sam symbol n został zastosowany do opisu różnych parametrów we wzorach 2.8 i przedstawione na str. 38 uzasadnienie istnienia niskoczęstotliwościowego szumu (o częstotliwości poniżej 400 khz) na podstawie oscylacji chmur pęcherzyków, nie jest przekonywujące i spójne z informacją podaną na poprzedniej stronie, dotyczącą zakresu promieni pęcherzyków generowanych przez załamujące się fale. 3. Wzór 2.9 nie jest spójny ze wzorem Jaką wysokość fali wiatrowej ma na myśli Autorka cytując wzór 2.12? Rozdział 3 Dotyczy przede wszystkim opisu metodyki pomiarów akustycznych i pomiarów parametrów falowania oraz stosowanej aparatury. Zabrakło w tym rozdziale uzasadnienia wyboru miejsca badań oraz opisu charakterystycznych dla wybranej stacji badawczej warunków hydrodynamicznych, batymetrycznych i geologicznych, które, jak słusznie podkreślała Doktorantka w rozdziale 2, mogą wpływać na charakterystyki szumów akustycznych generowanych w wyniku procesu załamania fal. Proszę również o uzasadnienie, dlaczego opis akustycznej metody detekcji załamujących się fal autorka zamieściła w rozdziale 4 (podrozdziały ), dotyczącym wyników pomiarów akustycznych. Czy to

4 jest związane z trudnościami adaptacji metody pomiarowej opracowanej przez Dinga i Farmera (1994) w warunkach bałtyckich? Także proszę wyjaśnić, dlaczego metoda opracowania danych pomiarowych falowania została przedstawiona w późniejszym rozdziale (rozdział 5)? Rozdział 4 Rozdział 4 przedstawia wyniki pomiarów akustycznych. Należy zwrócić uwagę, że w podrozdziale 4.2.3, gdzie został przedstawiony algorytm detekcji zjawiska załamania fal oraz jego lokalizacji przestrzennej na podstawie pomiarów akustycznych, przeanalizowano (na poziomie jakościowym) czynniki wpływające na możliwości lokalizacyjno-detekcyjne zestawu hydrofonów. Natomiast obliczając stosunek liczby wszystkich wykrytych załamań fal do liczby załamań fal, które udało się zlokalizować w przestrzeni, oceniono efektywność metody. W następnych podrozdziałach przedstawiono statystyczne charakterystyki opisujące pole załamujących się fal wiatrowych, informację o których otrzymano za pomocą pomiarów z wykorzystaniem układu czterech hydrofonów, w tym: - częstość występowania zjawiska załamania na całkowitej powierzchni obserwacji dla różnych okresów obserwacji - histogram prędkości propagacji załamującej się fali oraz zmiany dobowe prędkości - rozkład kierunków propagacji załamujących się fal wiatrowych - histogramy czasu trwania aktywnej akustycznie fazy załamania - dobowe zmiany prawdopodobieństwa występowania zjawiska załamania fal wiatrowych - czasowe zmiany poziomu gęstości widmowej mocy szumów - czasowe zmiany momentów częstotliwościowego widma szumów akustycznych oraz jego nachylenia. Autorka przedstawiając wyniki przeniosła dyskusję nad nimi do następnych dwóch rozdziałów, za wyjątkiem wyników dotyczących nachylenia obwiedni widma energetycznego szumów akustycznych. Doktorantka zwraca uwagę na szerszy zakres nachylenia w porównaniu z wynikami otrzymanymi w pracy (Means i Heitmeyer, 2002), brakuje natomiast przekonywującego wyjaśnienia tej różnicy. Mam do tego rozdziału szereg uwag natury redakcyjnej: 1. uważam, że skala czasowa (dni), którą doktorantka zastosowała na osi poziomej na rysunkach zamieszczonych w tym oraz w dwóch następnych rozdziałach nie jest udana w przypadku analizy zmian czasowych o skali mniejszej od doby i należałoby odpowiednie rysunki zaopatrzyć również w oś o mniejszej skali czasowej (godziny) 2. jeden ze wzorów (równanie 4.8) musi dotyczyć współrzędnej y s opisującej pozycję źródła akustycznego na osi y 3. wyrażenie natężenie jednostkowej powierzchni nie jest zgodne z definicją natężenia fali akustycznej 4. współrzędne hydrofonu H4 są (-d,0,0) (str. 75). Rozdział 5 Rozdział 5 jest poświęcony wynikom pomiarów z wykorzystaniem boi falowej Directional Waverider. W części 5.2 podano: - przykładowe częstotliwościowe widmo falowania; dwuwymiarowe, częstotliwościowokierunkowe, widmo falowania oraz znormalizowany rozkład częstotliwościowo-kierunkowy falowania w postaci cieniowanego obrazu - zestawione dobowe zmiany wysokości fali dominującej, częstotliwości przy której jest obserwowane maksimum widma, stromości składowej widma o tej częstotliwości oraz jej kierunku rozprzestrzeniania się. Zastrzeżenie moje jest związane z brakiem skali kolorów dla znormalizowanego rozkładu częstotliwościowo-kierunkowego falowania w postaci cieniowanego obrazu oraz

5 szeregiem niedokładności stylistycznych jak, np. obrazy są opisane osiami, kolor na obrazie odpowiada wartości rozkładu i przyjmuje maksymalną wartość równą 1 (str. 96). W podrozdziałach 5.3 oraz 5.4 przedstawiono modele wybrane w celu oszacowania funkcji dyssypacji energii. Przedstawiono również przebiegi czasowe tych funkcji. Wykazano wysoką korelację przebiegów dla dwóch wybranych modeli. Uważam, że Autorka w sposób nieuzasadniony przy opisie zjawiska dyssypacji energii załamującej się fali operuje dla tego samego symbolu S diss różnymi nazwą nazwami energia dyssypacji lub funkcja dyssypacji energii. W równaniu 2.1, zacytowanym z monografii (Massel, 1996) funkcja S diss opisuje zmiany energii w procesie załamania. Rozdział 6 Rozdział 6 zawiera dyskusję o zależnościach między parametrami akustycznymi oraz falowania i prędkością wiatru, a także oraz pomaga zinterpretować i zrozumieć wyniki otrzymane na podstawie pomiarów akustycznych i przedstawione w rozdziale 4. W części 6.1 zademonstrowano zbieżność wyników dotyczących dwuwymiarowego widma falowania otrzymanego na podstawie pomiarów z boi falowej oraz wyznaczonych akustycznie częstotliwości i kierunków propagacji załamujących się fal. Porównanie wykonano dla dwóch momentów czasu, ale doktorantka zakomunikowała, że ta zbieżność jest charakterystyczna dla całego zakresu pomiarów. Oznaczałoby to, że jest to pomyślna weryfikacja możliwości stosowania metody akustycznej do wyznaczania częstotliwości i kierunku propagacji załamującej się fali. Przy dalszym wykorzystaniu materiału do publikacji radziłabym podać statystykę udowodniającą, że ww. zbieżność jest typowa dla przeprowadzonych pomiarów. W części 6.2 przedstawiono korelację między wypromieniowaną podczas załamania energią akustyczną oraz funkcją dyssypacji energii falowej (Rys. 6.2 oraz 6.3), zaproponowano również wzór analityczny opisujący związek tych dwóch wielkości (równanie 6.2). Niestety, Autorka zajmowała się wyłącznie znormalizowanymi wartościami energii (rysunek 6.2), co nie pozwala odnieść otrzymanych przez nią wyników do danych pomiarów syntetycznie zestawionych przez nią w tabeli 2.1. W podrozdziale 6.2 została również przeanalizowana zależność stopnia dyssypacji energii od doprowadzonej do pola falowego energii wiatru. Zależność została zweryfikowana na podstawie porównania z wynikami Dinga i Farmera (1993). W podrozdziale 6.3 stosując analizę głównych składowych (PCA) zbadano wpływ wybranych parametrów falowych na poziom gęstości widmowej mocy szumów, określając te, dla których związek statystyczny jest najsilniejszy. Analiza wykonana została dla dwóch okresów wzrastającej i malejącej prędkości wiatru. Brakuje w tym podrozdziale odniesienia do wyników innych autorów, co pomogłoby zweryfikować otrzymane wyniki. W części 6.4 przedstawiono szczegółową, konsekwentnie i profesjonalnie przeprowadzoną analizę zależności poziomu gęstości widmowej mocy szumów od prędkości wiatru dla dwóch okresów wzrastającej i malejącej prędkości wiatru oraz porównano wyniki z wynikami pomiarów przeprowadzonych na Bałtyku w latach wcześniejszych, wyjaśniając różnicę. Nie mam zastrzeżeń do tego podrozdziału. W podrozdziałach Autorka zajmuje się określeniem na podstawie pomiarów akustycznych zależności prędkości propagacji załamującej się fali od prędkości wiatru, nawiązując do badań przeprowadzonych przez Dinga i Farmera (1994) i do tej części również nie mam zastrzeżeń. Interesujące wyniki dotyczące stosunku prędkości załamującej się fali do prędkości fazowej fali na częstotliwości maksimum widma częstotliwościowego fal wiatrowych, Doktorantka otrzymała również w następnym podrozdziale. Niestety, nie porównała ich z licznymi danymi w tabeli 2.2.

6 W rozdziale Doktorantka zajmuje się charakterystyką stopnia pokrycia powierzchni morza pianą. Autorka nie opisuje szczegółowo dostatecznie jasno, w jaki sposób otrzymała krzywe (linie przerywane) na rysunku Można jedynie domyślać się, że wykorzystała wyniki dotyczące prawdopodobieństwa występowania zjawiska załamania opisane w podrozdziale i Interesujące jest przedstawione na rysunku porównanie krzywych autorki z krzywymi otrzymanymi przez innych badaczy oraz interpretacja różnicy, czyli przedstawiona tu dyskusja jest swoistą weryfikacją wyników otrzymanych w ww. podrozdziałach Części 4. Brakuje w rozdziale 6, poświęconym m.in. interpretacji wyników zamieszczonych w części 4, weryfikacji pomiarów akustycznych czasu trwania procesu załamania fali (podrozdział 2.4.4). Myślę, że dobrze byłoby skorzystać przy tym z przeglądu literatury dotyczącej pomiarów tego parametru z wykorzystaniem różnych metod, przedstawionego w podrozdziale Rozdział 7 Nie budzi moich zastrzeżeń. PODSUMOWANIE: 1. Opiniowana praca nosi charakter interdyscyplinarny i dotyczy ważnych zagadnień z zakresu hydrodynamiki załamujących się fal wiatrowych oraz hydroakustyki szumów w morzu i jest umiejscowiona w nurcie badań światowych. 2. Celem rozprawy było zbadanie związków pomiędzy charakterystykami pola szumu akustycznego powstającego podczas załamania fal i pola fal wiatrowych ze szczególnym rozpatrzeniem możliwości wykorzystania szumów akustycznych do badań dyssypacji energii falowania wiatrowego podczas załamania. Autorka zrealizowała ten cel na podstawie przeprowadzonych jednocześnie w morzu pomiarów akustycznych szumów i pomiarów pola falowego oraz statystycznej analizy porównawczej zebranych danych i obliczeń teoretycznych. 3. Otrzymano szereg wyników o charakterze oryginalnym i nowatorskim. Do nich należą po raz pierwszy zaproponowane dla Morza Bałtyckiego: - zależność funkcji dyssypacji energii falowej i energii akustycznej generowanej w trakcie załamania, - związek poziomu gęstości widmowej szumów z prędkością wiatru dla różnych tendencji jej zmian. Istotne również są wyniki szczegółowych badań statystycznej zależności parametrów szumów akustycznych oraz parametrów pola falowego podczas procesu załamania. Służy to dla uzasadnienia i dalszego rozwoju metod akustycznych stosowanych do badań fal wiatrowych w warunkach bałtyckich. Przypuszczam, że parametry, opisujące pojedyncze zdarzenia załamania fal wiatrowych, oraz statystyka występowania zjawiska załamania, określone z zastosowaniem metody akustycznej, wnoszą również wkład w wiedzę o procesie załamania fal wiatrowych na Morzu Bałtyckim. 4. W rozprawie Doktorantka zademonstrowała wszechstronną wiedzę dotyczącą różnych dziedzin fizyki morza hydrodynamiki i hydroakustyki, co czyni monografię źródłem informacji na temat rozpatrzonych zagadnień. 5. Przedstawiona do recenzji praca świadczy, że Autorka dobrze opanowała nie tylko metodykę pomiarów szumów akustycznych w warunkach morskich, co jest trudnym wyzwaniem, ale również potrafi w sposób konsekwentny i fachowy wykorzystać

7 zaawansowane techniki statystycznej obróbki zebranych danych pomiarowych oraz nie boi się przeprowadzenia oszacowań teoretycznych. 6. Godne uwagi jest, że Doktorantka dąży do interpretacji i weryfikacji otrzymanych wyników, co nie jest łatwe i nie jest często spotykano u młodszej generacji fizyków morza. Pewne braki i luki dotyczące interpretacji wykazałam w recenzji i myślę, że mogą one być wykorzystane jako wskazówka do dalszego kierunku działań Autorki oraz uwzględnione przy opracowaniu publikacji. Uważam, że na podstawie przeprowadzonych badań powinny powstać przynajmniej dwie publikacje w czasopiśmie o dobrym impact-factor. 7. Dobór i wykorzystanie licznych i aktualnych literaturowych źródeł fachowych jest prawidłowy i nie budzi zastrzeżeń. 8. W recenzji zwracałam uwagę na brak precyzji w sformułowaniach, na korzystanie z żargonu naukowego, czasem na niedbałość w opracowaniu rysunków i wzorów. Zdaję sobie sprawę, że Doktorantka korzystała głównie z literatury anglojęzycznej i mogła mieć problem z odpowiednikami terminologii angielskiej w języku polskim. Te uchybienia Doktorantka powinna naprawić przy opracowaniu publikacji. Nie wpływają one na wysoki poziom merytoryczny pracy. Biorąc pod uwagę powyższe względy stwierdzam, że praca doktorska Pani mgr Agaty Dragan Akustyczna pasywna metoda szacowania energii dyssypacji fal powierzchniowych w morzu spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim w myśl ustawy o stopniach i tytułach naukowych i uzasadnia dopuszczenie Pani mgr Agaty Dragan do dalszych etapów przewodu doktorskiego.