Файл: Океанография и морская метеорология учебник..pdf

Рассеяние света. Часть светового потока, не погло­ щенного морской водой, при распространении подвер­ гается рассеянию: световой поток определенного на­ правления преобразуется в потоки всевозможных на­ правлений, создавая освещенность там, куда прямые солнечные лучи не проникают. С точки зрения волновой оптики свет представляет собой электромагнитные вол­ ны. Эти волны, распространяясь в морской воде, вызы­ вают вынужденные колебания атомов и молекул воды, которые поэтому излучают вторичные световые волны той же частоты, что и вынуждающие колебания. Так как вода примерно в 700 раз плотнее воздуха, то рас­ сеяние света, связанное с движением атомов и молекул воды, происходит значительно интенсивнее. Однако мор­ ская вода не является химически чистым веществом, а характеризуется наличием оптических неоднородно­ стей: взвесей органического и неорганического происхо­ ждения, микроорганизмов (фито- и зоопланктон), пу­ зырьков воздуха, а также микронеоднородностей пока­ зателя преломления, обусловленных флуктуациями плотности морской воды. Оптические неоднородности также вызывают дополнительное рассеяние света.

Зависимость ослабления света вследствие молеку­ лярного рассеяния от расстояния установлена в 1871 г. английским ученым Д. Релеем и для элементарного слоя описывается уравнением

висящему от размеров рассеивающих частиц. Для есте­ ственных водоемов, содержащих оптические неоднород­ ности, модуль рассеяния а' во много раз превышает модуль молекулярного рассеяния а, а показатель сте­ пени п оказывается значительно меньше 4. Поэтому принято считать, что модули рассеяния естественных вод достигают величины 0,03, а показатели степени п ле­ жат в пределах 4—1,5,

Установлено также, что распределение световой анергии вокруг рассеивающей частицы происходит не­ равномерно. Функция, выражающая пространственное распределение интенсивности рассеянного света, а также графическое представление этой функции, называется индикатрисой рассеяния. Индикатриса (рис. 2 8)— это векторная диаграмма, на которой длина радиуса-век­ тора в каком-либо направлении пропорциональна ин-

Рис. 28. Индикатрисы рассеяния света:

а — молекулярного: б, в — крупными частицами (по В. В. Шулейкину)

тенсивности рассеяния в этом направлении, а концы векторов соединены кривой. Анализ индикатрис позво­ ляет сделать следующие выводы.

При размере рассеивающих частиц много меньше длины световой волны молекулярное рассеяние в на­ правлении падающих лучей примерно в два раза боль­ ше, чем в перпендикулярном.

С увеличением размеров рассеивающих частиц отме­ чается значительное увеличение рассеяния вперед и ос­ лабление рассеяния по другим направлениям.

Ослабление света (экстинкция). В природе процессы поглощения и рассеяния света *в изолированном виде никогда не существуют; наблюдения фиксируют сум­ марный эффект ослабления света вследствие его погло­ щения и рассеяния. В океане, как правило, рассеяние света значительно интенсивнее поглощения: каждый фо-

146

тон успевает несколько раз изменить направление своего движения, прежде чем будет поглощен средой. С уве­ личением глубины количество прямого солнечного све­ та уменьшается, рассеянный свет становится преобла­ дающим.

Суммарное относительное ослабление светового по­ тока в элементарном слое можно представить в виде

выражение (3.90) от 0 (поверхность моря), где световой поток Фо, до глубины Z, где световой поток Ф, можно найти величину светового потока, достигающего глуби­ ны Z при вертикальном падении света на поверхность океана:

Выражение (3.92), которое оказывается справедли­ вым для широких пределов изменения Ф0, показывает, что световой поток в морской воде изменяется по экспо­ ненциальному закону Бугера — Ламберта: убывает в геометрической прогрессии по мере увеличения глубины

или, перейдя от натуральных логарифмов к десятичным,

Если световой поток падает на поверхность океана под углом ІфО, то в формулу (3.94) вместо глубины Z необходимо подставить значение пути I, проходимого светом в воде и вычисляемого по формуле (3.87).

где Ѳ прозрачность морской воды, однозначно связан­ ная с другой гидрооптической характеристикой — коэф­ фициентом (показателем) ослабления.

Обычно прозрачность выражают в процентах:

Следовательно, прозрачность морской воды, или, точнее, коэффициент пропускания есть выраженное в

процентах отношение светового потока Ф')7_, , прошед- 2=1

шего без изменения направления через слой воды тол­ щиной, равной 1, к световому потоку Ф0, входящему в этот слой. Воды различных естественных водоемов ха­

рактеризуются следующими ориентировочными дан­ ными:

В формулах (3.94) — (3.97) коэффициент а исполь­ зуется для оценки ослабления направленного светового пучка, распространяющегося в каком-то одном направ­ лении, например лучей прожектора, лазера. Для есте­ ственного дневного света в океане, представляющего собой нисходящий световой поток, состоящий как бы из множества «элементарных» световых пучков различ­ ных направлений, вводится понятие коэффициента вер-

тикального^ ослабления а. Исследования показывают, что значения а оказываются в несколько раз меньшими по

величине, чем я. На величину показателя ослабления «'

148

влияют и характер освещения поверхности океана, и глубина, и неоднородности оптических свойств воды, и изменчивость спектрального состава света с глубиной. Но это справедливо лишь до некоторой глубины, ниже которой наступает так называемый глубинный режим, где показатель вертикального ослабления а' не меняет­ ся и его значение зависит только от оптических свойств среды [43].

Подводная освещенность. Разделив обе части равен­ ства (3.94) на площадь 5, получим величину светового потока, падающего на единицу поверхности, т. е. осве­ щенность

Из уравнения (3.100) следует, что подводная осве­ щенность с глубиной также убывает по экспоненциаль­ ному закону, это и обусловливает интенсивное исчезно­ вение света с глубиной.

Пример. В пасмурный день освещенность поверхно­ сти Черного моря составляла £,0=ЮО лк. Значение коэффициента ослабления а'»:0,12. Требуется опреде­

Я ^ Ю М О " 0,12'10« ^ 0,8.

lg Ei = 0,8 lg 10 = 0,8. Ei = б лк.

Е2= ІО2- іо~0,12'100 = 10-10 лк (света практически нет).

Относительная прозрачность. Под относительной прозрачностью в гидрооптике условно подразумевают выраженную в метрах глубину, на которой перестает быть видимым ' белый (стандартный) диск диаметром 30 см. Установлена эмпирическая зависимость между глубиной исчезновения белого диска Ze и коэффициен­ том ослабления света с:

149

где 1V — эмпирический коэффициент, изменяющийся в пределах от 1,5 до 8,0 для различных районов Мирового океана.

т. е. цвета моря, и зависимость этой изменчивости от внешних условий:

—угла зрения и коэффициента отражения;

— цвета неба;

—наличия облаков;

—состояния поверхности моря.

Цвет моря в значительной степени определяется и собственным цветом воды, который не зависит от влия­ ния внешних факторов, а определяется исключительно оптическими свойствами самой воды.

Световой поток, излучаемый морем и попадающий в глаз наблюдателя, включает два основных компонен­ та. Во-первых, это отраженные поверхностью моря пря­ мые и рассеянные солнечные лучи, имеющие такой же спектральный состав, что и падающие. Именно эта часть светового потока зависит от внешних факторов и определяет изменчивость окраски морской поверхности. Например, при возникновении волн море начинает бы­ стро синеть, при плотных облаках кажется более тем­ ным. Во-вторых, это вышедший из глубин моря восхо­ дящий поток света, спектральный состав которого опре­ деляется процессами поглощения и рассеяния света, происходящими в толще воды. Так как красные и жел­ тые лучи поглощаются морской водой почти полностью, а голубые и синие подвергаются интенсивному рассея­ нию, в вышедшем из глубин потоке света максимум спектрального распределения приходится на голубую часть спектра, соответствующую длинам волн порядка 0,48 мкм. Голубой цвет является собственным цветом абсолютно чистой, без примесей, морской воды, он об­ условливается только молекулярным рассеянием. В от­ крытых частях океана наиболее чистые воды имеют го­ лубой и синий цвет, доля зеленого цвета не превышает 10%, желтые лучи практически отсутствуют. В мутных прибрежных водах, где рассеяние света обусловлено на­ личием примесей, максимум спектрального распределе­

но

>