Юлен Очаковский - Свет в море

• Название: Свет в море
• Автор: Юлен Очаковский
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1970

Книга посвящена одному из сложных и интересных разделов науки — гидрооптике которая изучает проникновение и распространение света в море.

В настоящее время знать физические законы, определяющие эти процессы, особенно необходимо в связи с решением такой важной и актуальной проблемы, как освоение ресурсов Мирового океана.

Человек начал наступление на водную целину. Но для успешного его завершения следует разобраться в массе трудных вопросов гидрооптики.

Чем объясняется цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет? От чего зависит прозрачность морской воды и несколько глубоко проникает свет в океанские глубины? Почему море светится? Ответы на все эти вопросы и дает настоящая книга.

Она написана легко, физическая сущность процессов объяснена весьма доступно. Издание рассчитано на широкие круги читателей.

---

«Собственный» цвет моря определяется спектральным составом светового потока, выходящего из толщи моря. Он зависит от того, каким светом освещается поверхность, и от оптических свойств морской воды. Различием этих свойств в разных водах и объясняется многообразие в цвете морей.

Свет, «возвращенный» морем

В 1903 г., исследуя воды баварских озер, немецкий исследователь Ауфзесс пришел к выводу, что все оттенки их цвета объясняются красящими веществами, примешанными к воде; все дело лишь в избирательном поглощении.

Но ведь мы знаем, что без рассеяния ни один луч света вообще бы не вышел из-под поверхности моря. Тогда Черное море вполне бы оправдало свое название, да и поверхность других морей и океанов (не учитывая отраженный свет) представлялась бы абсолютно черной.

Так значит главное — рассеяние? Подобное мнение высказывали некоторые ученые во главе с Рэлеем, однако и эта точка зрения была ошибочной.

Если бы не было поглощения, практически весь свет, попавший в море, выходил бы в конце концов из-под его поверхности и, следовательно, окраска выходящего светового потока совпадала бы с окраской падающего света. Ни о каком «собственном» цвете моря не было бы и речи.

А истина находилась между этими двумя мнениями. В 1922 г. Ч. Раман и В. В. Шулейкин одновременно и независимо один от другого пришли к выводу, что цвет моря обусловлен совместным действием рассеяния и поглощения.

Солнечный свет, распространяющийся в глубь моря, по пути рассеивается морской водой. Большая его часть по-прежнему движется в глубь моря, а небольшая доля рассеяна назад и образует восходящий световой поток.

Раман, изучавший прозрачные воды Бенгальского залива, учитывал рассеяние лишь самой воды, а рассеянием взвешенными в морской воде частицами пренебрегал. Выведенная им формула применима лишь к чистым океанским водам.

Теория Шулейкина, включающая формулу Рамана как частный случай, более общая. Она учитывает световые потоки, пришедшие к поверхности моря с различных горизонтов, а также вторично рассеянный свет (т. е. ту часть восходящего светового потока, которая, двигаясь к поверхности, была сначала отброшена назад в глубь моря, а потом в результате вторичного рассеяния снова стала двигаться к поверхности) и свет всех больших кратностей рассеяния. При выводе формулы предполагалось, что море освещается потоком параллельных лучей, отвесно падающих на его поверхность.

В 1923 г. А. Г. Гамбурцев дал более строгий и более общий вывод формулы цвета моря. Он составил систему двух дифференциальных уравнений для нисходящего и восходящего световых потоков, решение которой позволяет найти спектральное распределение этих потоков на любой глубине, в том числе и на поверхности. Подставляя в формулы Гамбурцева соответствующие значения оптических характеристик морской воды (показателей поглощения и рассеяния, индикатрисы рассеяния), можно получить спектральную кривую распределения выходящего из моря излучения для любой точки Мирового океана.

Формулы Гамбурцева достаточно сложны, и мы не будем их приводить. Рассмотрим лишь качественную картину явлений, обуславливающих различия в цвете морей и океанов.

Как известно, в морской воде происходит рассеяние двух типов: молекулярное и частицами.

Индикатриса молекулярного рассеяния симметрична относительно плоскости, перпендикулярной направлению падающего луча, — назад рассеивается ровно столько света, сколько вперед. При рассеянии частицами количество света, рассеянного вперед, почти в 50 раз превышает световой поток, рассеянный назад.

Интенсивность молекулярного рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (например, синий свет с длиной волны 440 нм рассеивается в 5 раз интенсивнее красного с длиной волны 660 нм). Рассеяние частицами морской взвеси слабоселективно: его интенсивность почти не зависит от длины волны.

Индикатриса рассеяния морской воды также резко вытянута в направлении падающего света: угловое распределение рассеянного света определяется главным образом взвешенными частицами. Даже в чистой океанской воде рассеяние молекулами воды составляет всего лишь 7 % от общего, однако на углах, больших 90°, оно играет первостепенную роль, создавая около 2/3 общей интенсивности. В чистых океанских водах для угла 90° интенсивность молекулярного рассеяния составляет 70 % от общей интенсивности, а для угла 135° — даже 83 %. В таких водах рассеяние назад, а стало быть, и восходящий световой поток создаются в основном молекулярным рассеянием. Окраска потока благодаря резкой селективности молекулярного рассеяния фиолетово-синяя.

Двигаясь к поверхности, этот свет подвергается фильтрующему действию морской воды. Максимум пропускания в чистых океанских водах приходится на синий-сине-зеленый участок спектра (см. рис. 33). В результате совместного действия рассеяния и поглощения световой поток, вышедший из моря, в чистых океанских водах имеет насыщенную синюю окраску.

В мутных водах, содержащих большое количество взвешенных частиц, роль молекулярного рассеяния невелика даже при больших углах рассеяния. Для угла 90° интенсивность молекулярного рассеяния составляет лишь 13 % общей интенсивности, а для угла 135° — 25 %. Восходящий световой шток в таких водах создается главным образом рассеянием на взвешенных частицах, которое неселективно. Максимум пропускания у мутных вод смещен в желто-зеленую область спектра. В результате совместного действия этих эффектов в менее прозрачных водах поверхность моря кажется серо-зеленой, а в очень мутных имеет даже желтоватую окраску.

Если синий цвет — это цвет «океанской пустыни», т. е. вод, бедных планктоном и питательными веществами, то желтовато-зеленая окраска морской поверхности свидетельствует о «плодородных океанских почвах». Многочисленные экспедиционные измерения на практике подтвердили существование самой тесной зависимости между цветом моря и его прозрачностью. Рис. 46 иллюстрирует эту зависимость.

Рис. 46. Спектральное распределение коэффициентов диффузного отражения

1 — открытый океан; 2 — залив Майзуру; 3 — река Юра

Рис. 47. Спектральная зависимость коэффициента яркости для вод Тихого океана 1, Средиземного 2 и Черного 3 морей

На нем изображены спектральные распределения коэффициента диффузного отражения моря ζ для чистых океанских вод, менее прозрачных вод залива Майзуру и очень мутных вод реки Юра. Кривые построены по данным измерений японского исследователя Хишида. Хорошо видно, как смещается максимум распределения от синего (у прозрачной воды) до желтого (у мутной). Подобным же образом изменяется и спектральная зависимость коэффициента яркости моря (рис. 47). Эта величина равна отношению яркости излучения В(θ, φ), выходящего из толщи моря в направлении, определяемом углами θ и φ (где θ — зенитное расстояние, а φ — азимут), к яркости В0 идеально рассеивающей не погруженной в море горизонтальной поверхности, освещаемой естественным светом:

Спектральная зависимость коэффициента яркости точнее всего отображает «собственный» цвет моря. Эта величина не зависит от спектрального состава падающего на поверхность моря излучения и полностью определяется лишь значениями спектральных показателей поглощения и рассеяния света морокой водой.

Коэффициент яркости моря ρ весьма тесно связан с коэффициентом диффузного отражения моря ζ под поверхностью. Их спектральные зависимости почти совпадают друг с другом.

Мы упустили из виду еще один фактор, который может влиять на видимый цвет моря, — это отражение от морского дна. Если для глубин в несколько сотен метров его влиянием можно пренебречь, то на мелководье окраска дна оказывает существенное воздействие на цвет поверхности. Дно, покрытое зелеными водорослями, придает зеленоватый оттенок и цвету моря, светлая галька уменьшает насыщенность его окраски. Обычно в мелководных водоемах вода всегда сильно взмучена, так как волнение поднимает со дна ил, песок и другие мелкие частички. Окраска таких водоемов резко отличается от окраски глубоководных бассейнов. Например, Азовское море, глубина которого нигде не превышает 14 м, имеет бледный серо-зеленый цвет.

Измерение цвета моря

«…Замечать надлежит, в какой мере странный или переменный цвет моря происходит от перемены глубины, от цвета морского дна или неба и облаков, от света солнечного или же от находящихся на поверхности воды инородных веществ…»[26] — так записано в инструкции, составленной О. Е. Коцебу во время его кругосветного плавания. Однако если для прозрачности воды Коцебу придумал количественную характеристику — глубину исчезновения белого диска, погружаемого в море, то цвет моря он определял лишь качественно — по цвету волн.