• 5

7.1. Характеристики, используемые для описания оптических свойств морской воды

Вопросы методики измерений. Измерение оптических свойств морской воды представляет собой трудную задачу. Морская вода — это сложная физико-химико-биологическая система. Она содержит в себе растворенные вещества, взвесь, множество мельчайших организмов. Из-за всех этих оптических неоднород- ностей морская вода сильно рассеивает свет. С точки зрения физической оптики она является мутной средой. «Деликатные» компоненты, содержащиеся в морской воде, такие, как живые частицы или желтое вещество, существуют в определенном диа­пазоне концентраций и температур и разлагаются и гибнут при попытке их изучать в чистом виде. Поэтому оптические свойства морской воды стремятся изучать in situ, т. е. прямо в море. Биолюминесценция и некоторые другие оптические явления, про­исходящие в море, изменяются во время самого процесса изме­рения, и часто нельзя сказать, как происходят эти явления в ес­тественных условиях при отсутствии возмущения, вызванного измерительным устройством. К тому же добавим, что морская вода ведет себя как химически агрессивная среда, и требуются специальные приспособления, чтобы оптические приборы могли долго в ней работать и выдерживали большие давления на глу­бинах.

Большие трудности связаны с изучением светового поля в океане. Хотя формально характеристики поля при известных свойствах морской воды и условиях облучения могут быть точно рассчитаны, фактически провести такой расчет невозможно. По­этому до сих пор источником наших знаний о световом поле в океане являются данные эксперимента in situ.

Основные характеристики. Наиболее полно оптические свой­ства морской воды описываются ее матрицей рассеяния. Такое полное описание, учитывающее изменение всех поляризацион­ных свойств светового пучка при рассеянии, применяется не­давно. До этого времени в оптический океанологии рассматри­валась более простая система характеристик, описывающих про­цесс изменения яркости пучка при рассеянии и поглощении.

Речь идет о двух числах — показателях поглощения х и рассея­ния а и одной функции — индикатрисе рассеяния х (у).

Эта система характеристик получила название собственных или первичных гидрооптических характеристик морской воды1. Ниже ограничимся анализом только этих характеристик. Физи­ческий смысл введенных величин, так же как и некоторых про­изводных от них ясен из формул, приведенных в табл. 24.

Таблица 24 Оптические характеристики морской воды

 

«»

S

 

 

 

Накыянояяния

9

m

л

S

о

Формула

Размер­ность

Единица

измерения

Показатель поглощения излучения в водной среде

Показатель рассеяния излучения в водной среде

Индикатриса рассеяния

Основные характеристики 1

 

dl йФо

Ф

 

dl 4яо (i)

Показатель ослабления излучения в водной среде

Вероятность выживания фотона

Показатель рассеяния в данном направлении

Оптическая толщина слоя водной среды

Коэффициент пропуска­ния слоя водной среды

Производные характеристики 1 <*Ф,

■ (Т)

Ф

Л = — s

«(7)'

dl а

* + о

1 did) En dv

s (дг) dx

Ф(0 Ф(0)

£-> Безразм.

£-> Безразм. £->.ср-> Безразм. Безразм.

 

м-'

 

М-,.ср-

В таблице использованы обозначения: Ф — поток практиче­ски параллельного монохроматического излучения, облучающий элементарный объем dv, толщина которого в направлении рас­пространения исходного пучка излучения равна dl, <2Ф0

1 В гидрооптике наряду с первичными характеристиками изучаются раз­личные параметры, описывающие состояние естественного светового поля в море. Они называются вторичными гидрооптическими характеристиками.

и dCDs — элементарные потоки излучения, соответственно погло­щенный, рассеянный и ослабленный при прохождении объема dv; Y — угол рассеяния (угол между направлением падающего и рассеянного излучения); Еп — нормальная облученность, со­здаваемая потоком Ф на поверхности объема dv; dl (у) — сила света, рассеиваемая объемом dv в направлении у; Ф(0—поток излучения, прошедший в среде слой конечной толщины /; Ф (0) — поток на входе в среду.

Формула для показателя х, указанная в табл. 24, имеет про­стой смысл. Пусть параллельный пучок излучения проходит в воде элементарный слой dl. Очевидно, что количество энергии пучка ЙФХ, поглощенное этим слоем, будет пропорционально ин­тенсивности пучка Ф и длине пути dl:

dO%   хФ dl.   (7.1)

Величина х— это коэффициент пропорциональности в формуле (7.1). Аналогичный смысл имеют показатели а и е. Полное ослабление пучка йФ = йФе равно сумме ЙФ„ и dO0:

=</Фх-{-</Фв = - (*+о) Ф dl   еФdl. (7.2).

Следовательно,

е=х+о.            (7.3)

При взаимодействии пучка фотонов с веществом часть фото­нов х превращается в тепло, т. е. «погибает» как свет, вторая часть а рассеивается, т. е. остается светом. Поэтому отношение Л = ст/е называют вероятностью выживания фотона в элементар­ном акте взаимодействия. Для чисто поглощающей среды Л = 0, чисто рассеивающей среды Л=1. Инфракрасная область волн и участок минимального поглощения воды в области % = 500 нм могут служить примерами приближения к этим теоретическим моделям.

В однородных, условиях из формулы (7.2) для потока излуче­ния Ф(/), прошедшего слой толщиной /, найдем

Ф (/) = Ф (0) е~"= Ф (0) Т = Ф (0) e_t.          (7.4)

При выводе формулы (7.4) мы использовали нестрогое пред­ставление о параллельном пучке излучения. Строго говоря, фор­мула (7.4) должна применяться к угловой плотности потоков излучения, т. е. к яркости:

В([)—В (0) е~" =В(0)Т=В (0)           (7.5)

В формуле (7.5) 5(0) — яркость входящего пучка; В (/) — яр­кость этого же пучка после прохождения в среде пути I. Фор­мула (7.3) [или (7.4)] называется законом Бугера—Ламберта. Это одна из важнейших формул оптики мутных сред.

Морская вода рассеивает свет по разным направлениям очень неравномерно. Большая часть рассеянного света сосредоточена

под малыми углами. Функция х (у), показывающая распределе­ние яркости рассеянного света по углам рассеяния у, называется индикатрисой рассеяния. Для введения ее обратимся к рис. 64. Сила света dl, рассеянного элементом dv в направлении у, будет

dI=o(i)Endv,   (7.6)

где Еп — нормальная освещенность.

Множитель пропорциональности а (у), появившийся здесь,— это показатель рассеяния в данном направлении. Очевидно, что

 

 

 

 

 

ш

 

т

 

Рис. 64. Вывод формулы для индикатрисы рас­сеяния.

Заштрихованная область — рассеивающий объем; 101 — направление падающего пучка; 02 — рассеянного пучка; V —угол рассеяния.

полное количество рассеянного света F равно интегралу от dl по всем направлениям:

dF= J dldv>.

<4«)

С другой стороны,

dF=aft>dl.

Приравнивая эти выражения, найдем (Ф = EnS, dv = Sdl)

2я я    х

0= j o(f)fifu>= J rf<pj o(f) Sin-f fif-f = 2ic f o(f)sinf fiff. (7.7)

(4s)     0 0       0

Формула (7.7) устанавливает связь между показателями а и а (у). Не принято записывать в виде

(7.8)

Индикатриса рассеяния х (у) — плотность вероятности рас­сеяния под углом у. Она удовлетворяет соотношению

4-J*(T)sInTrfT=l.         (7.9)

Эта формула называется условием нормировки индикатрисы. Запись индикатрисы в виде (7.9) очень удобна. Например, для изотропно рассеивающей среды, полагая х (у) = const = с, легко найдем

п

с • -gr f sin "j df=с = 1 f

т. е. для такой среды плотность вероятности рассеяния под всеми углами х (у) = 1.

 

Рис. 65. Примеры индика­трис:

/ — сферическая; 2 — рэлеев- екая; 3 — «чистая» атмосфера; 4 — океан (масштаб кривых раз­ный).

На рис. 65 мы приводим для иллюстрации некоторые виды индикатрис рассеяния. Они нарисованы в полярных координатах

и дают представление о пространст-* венном распределении рассеянного света.

Перед тем как рассмотреть спек- IV тральную зависимость е, заметим, что морская вода содержит три оп­тически активных компонента: чис­тую воду, растворенные вещества (неорганические и органические) и взвесь (минеральную и органиче­скую). Влияние этих компонентов на оптические характеристики мор­ской воды неодинаково, оно меня­ется в зависимости от концентрации соответствующего компонента и раз­лично для разных длин волн. Об­щая, типичная картина, где указана зависимость показателя ослабления е от длины волны Я, для разных со­ставляющих морской воды приве­дена на рис. 66. Кривая /— показатель ослабления света в идеально чистой воде. Резкий минимум лежит в синей области. Поэтому любой предмет, опущенный за борт, приобретает синий цвет — он виден сквозь слой воды, который является синим фильтром. Кри­вая II — показатель поглощения .света растворенными органи­ческими веществами; поглощение резко возрастает в синей 'и ультрафиолетовой областях. Кривая III — показатель ослаб­

 

Рис. 66. Спектральная зависи­мость показателя ослабления е.

ления света малыми, главным образом минеральными части­цами. Ослабление света на них возрастает в синей области спектра. Кривая IV — показатель ослабления света крупными частицами биологического происхождения (диатомовые водо­росли, фораминиферы, органический детрит и др.). Ослабление света на них нейтрально, как на каплях облаков. Кривая ei дана в абсолютном масштабе (см. табл. 25). Масштаб других кривых зависит от концентрации соответствующего компонента.

Приведем два характерных примера: прозрачные океанские воды и мутные воды Балтийского моря. Для каждого из этих объектов для К = 550 нм тщательные измерения дают ei = = 0,036 м-1 (ослабление чистой водой, конечно, одинаково в обоих случаях); еп = 0,010; 0,030 м-1 (в Балтийском море растворенной органики — желтого вещества — значительно больше и соответственно еп в 3 раза выше); ещ = 0,01; 0,11 м-1; eiv = 0,050; 0,200 м-1 (рассеивающих частиц в Балтийском море также значительно больше, чем в океане). Полные показатели

4

ослабления е=2]в{ соответственно будут 0,11 и 0,38 м-1, т. е. i-i .

е чистой океанской воды почти в 4 раза меньше, чем для вод Балтийского моря.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я