• 5

7.3. Поглощение света морской водой

Изменчивость оптических свойств морской воды почти пол­ностью определяется изменением ее состава — содержания рас­творенных веществ и взвеси.

Состав морской воды. В морской воде растворены неоргани­ческие соли, газы и органические соединения. Растворенные газы присутствуют в воде в ничтожных количествах и практи­чески не проявляют себя в оптике морской воды. На оптические свойства морской воды влияют неорганические соли и органиче­ские соединения. В основном влияние их относится к фиолетовой * и ультрафиолетовой областям. Рассмотрим их последовательно.

Неорганические соли. Неорганические соли, такие как NaCl, КС1, MgCl, MgS04, CaS04, составляют основную часть растворенного в морской воде вещества. В воде молекулы солей диссоциируют и находятся в виде ионов. Пределы измене­ния солености в открытом океане составляют 33—37%о, среднее значение ее около 35%о.

Органические соединения. Содержащееся в мор­ской воде органическое вещество примерно наполовину состоит из органического углерода. Средняя концентрация органиче­ского углерода в открытом океане около 1 мг/л. Органическое вещество в морской воде входит в состав частиц (планктон) и молекулярно растворено, причем большая часть органики на­ходится в растворенном состоянии. В водах, богатых фитопланк­тоном, количество растворенной органики в 7—8 раз превышает количество углерода в частицах. С оптической точки зрения осо­бый интерес представляет та часть растворенной органики, ко­торая носит название желтого вещества. Согласно Калле, под ним понимают сложную смесь гумусоподобных соединений. Они образуются из углеводов и аминокислот путем так называемой реакции Мейера. Это происходит повсеместно во всем Мировом океане при распаде органического вещества, составляющего планктон и продукты его жизнедеятельности. При этом непосред­ственно в самой морской воде образуются желтые или коричне­вые меланоидины — органические соединения, по ряду свойств близкие к почвенным гумусам. Другой источник желтого веще­ства в морской воде — это гумусовые соединения речного стока. Поэтому северные моря, в которых большой речной сток, осо­

бенно богаты желтым веществом. Побочным продуктом при об­разовании желтого вещества является флюоресцирующий компо­нент. Многочисленные попытки выделить желтое вещество из морской воды и изучить его свойства в лаборатории, вне моря, до сих пор оказались неудачными — слабые органические соеди­нения, образующие эту смесь, не выдерживали процесса экс­тракции.

Взвесь. Морская взвесь чрезвычайно разнообразна — это и терригенные частицы, приносимые реками и ветрами, и клетки фитопланктона, и бактерии, и частицы вулканического или кос­мического происхождения, и детрит — остатки разложившихся клеток фитопланктона и скелетиков зоопланктона. С оптической точки зрения основной интерес представляет взвесь размерами от сотых долей микрона до десятков микрон. Более тонкие ча­стички слишком малы, чтобы влиять на оптические свойства морской воды, влиянием же очень крупных частиц также можно пренебречь, так как их очень мало.

Из-за отсутствия надежной методики измерения мы распола­гаем только ориентировочными сведениями о концентрации взвеси. В поверхностных водах открытого океана концентрация взвеси составляет примерно 0,05—0,5 мг/л, вблизи побережий ее значения могут возрастать в десятки и даже сотни раз, в глубин­ных водах она снижается до 0,001—0,250 мг/л.

Еще менее надежны сведения о числе частиц в единице объ­ема N. По данным микроскопического подсчета N = 10М- -г-10в част/л; по измерениям с помощью счетчика Коультера N = = 10®-М08 част/л; оптические методы дают N= 108Ч-1010част/л. Это различие в оценках связано с особенностью гранулометриче­ского состава морской взвеси — резким увеличением количества частиц при уменьшении их размеров. Измерения показывают, что распределение п (г) частиц по радиусу г следует степенному закону: п (г) = Аг~°, где v = 3-^5.

Морская взвесь представляет собой набор частиц с различ­ными относительными показателями преломления т. Для мине­ральных частиц т = 1,134-1,25, для органических т<1,05.

Разграничение частиц морской взвеси по размерам есть до некоторой степени разграничение их по показателям преломле­ния. Терригенный материал, попадающий в океан, теряет свою грубую часть уже вблизи берега. В океанских водах почти нет терригенных частиц размером более 1 мкм. Биогенные частицы, наоборот, имеют размеры более 1 мкм: детрит, который состав­ляет основную массу органической взвеси, представлен части­цами размерами от 1 до 20 мкм; размеры клеток фитопланктона превышают 2—3 мкм. В особом положении находятся бактерии, размеры клеток которых менее 1,5—2 мкм. Однако естественный бактериальный планктон содержит до 30% агрегатов, представ­ляющих собой микроскопические «хлопья» размером 5—8 мкм. Форма частиц морской взвеси может заметно- отличаться от

15 Заказ № 499

22)

сферической. Например, клетки бактерий часто имеют форму палочек или они соединены в цепочки. Рассматривая взвешен­ные частицы под электронным микроскопом, можно увидеть среди них мельчайшие обломки панцирей, частички гидрослюды неправильной формы и т. п.

Поглощение света морской водой. Поглощение света в мор­ской воде обязано чистой воде, растворенным веществам (ионам

неорганических солей и желтому ве­ществу), частицам (главным об­разом пигментам фитопланктона). О чистой воде мы писали выше. Ми­нимум поглощения ее находится при А, = 460 нм; здесь х = 0,002 м-1. Ионы неорганических солей практи­чески не влияют на поглощение в видимой области. Однако они вы­зывают непрерывное поглощение, возрастающее с уменьшением А, в ультрафиолетовой области. Для А ^ ^ 250 нм вклад солей очень заме-- тен; это главным образом бромиды и в меньшей степени нитраты. Замет­ное поглощение здесь вызвано так­же растворенным кислородом. Жел­тое вещество также сильно погло­щает короткие волны. Кривая погло­щения желтого вещества монотонно

 

700 к ни

Рис. 67. Спектры поглощения некото­рых видов морского фитопланктона.

/ — диатомовые; 2 — дннофлагелляты; 3 — зеленые флагелляты; 4 — естественная по­пуляция в водах Вудс-Хола.

возрастает в сторону коротких волн. Типичная зависимость х от А., соответствующая высокой' концентрации желтого вещества, представлена кривой II (рис. 66). Она может быть аппроксими­рована формулой

с—88 м-1; f=0,015 нм"1.     (7.16)

Поглощение света частицами в основном вызвано фитопланкто­ном, который содержит пигменты — хлорофилл, каратиноиды и др. В отличие от монотонного поглощения желтым веществом, поглощение пигментами имеет локальные максимумы. Обра­тимся к рис. 67, на котором приведены спектры поглощения не­которых видов морского фитопланктона. Мы видим большой максимум при А = 440 нм (синяя ' полоса хлорофилла, 420— 460 нм), сравнительно прозрачную область между 530 и 650 нм и второй, меньший максимум при 680 нм (красная полоса хло­

рофилла 660—710 нм). В соответствии с вышесказанным кон­кретный вид спектра поглощения морской воды зависит от вза­имного вклада разных компонент. В целом кривая и (А,) очень похожа на кривую е(Я,), приведенную на рис. 66. Кривая имеет

 

Рис. 68. Спектральный показатель поглощения света для различных вод (м-1).

1 — Саргассово норе; 2 — Карибское норе; 3 — Готлаидская впадниа Балтийского моря; 4 — Тяхий океаи, район Галапагосских островов на глубине 20 и; 5 — то же, на глубине 200 н; 6 — впаднна Тоига; 7 — Пассатное течение в Индийском океане.

минимум в сине-зеленой области. Возрастание и с ростом А, обя­зано чистой воде, с уменьшением Я, — растворенному веществу и частицам. Положение минимума связано с абсолютными вели­чинами поглощения: в чистых океанских водах минимальное поглощение обнаруживается, как правило, вблизи 510 нм.

15*

227

У некоторых (обычно более прозрачных) вод минимум сдвига­ется к 490 нм или даже к 470 нм (т. е. совпадает с положением минимума поглощения чистой воды); для мутных вод Балтий­ского моря минимальное поглощение обнаруживается в желто- зеленом или даже желтом (до 570 нм) участке спектра.

Результаты измерений значений и (А) для различных вод при­ведены на рис. 68. Из этого рисунка видно, что показатели по­глощения морской воды в коротковолновой области спектра за­метно различаются для разных вод. Например, в Балтийском море они более чем на порядок выше, чем в океанских водах. В красном участке показатели для разных вод различаются не­значительно. Это очень важное обстоятельство. Оно характерно для морской воды вообще. Для к <570 нм спектры поглощения различных вод х (к) разные и несут информацию о составе от­дельных поглощающих компонент. Для А>570 нм все кривые совпадают; здесь практически все поглощение обусловлено чис­той водой.

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