2. Оптика моря

2.1. Распространение и преобразование лучистой энергии в атмосфере и океане

Лучистая энергия Солнца является основным источником для геофизических процессов, протекающих в гидросфере и атмосфере Земли. Эта энергия возникает в нижнем слое солнечной атмосферы — фотосфере, определяющей видимый диск Солнца. Толщина фотосферы около 100–300 км, и излучает она как абсолютно черное тело при температуре примерно равной 6000 K. Спектр излучения фотосферы является непрерывным с максимумом энергии в видимой области при длине волны около 0,46 мкм. Излучение с длиной волны меньше 0,29 мкм полностью поглощается слоем озона и не достигает земной поверхности.

Распространяясь в земной атмосфере, лучистая энергия Солнца испытывает поглощение и рассеяние с изменением своего спектрального состава. На земной поверхности она представляет сумму прямого и рассеянного солнечного излучения с максимумом энергии в видимой области спектра с длиной волны 0,40–0,50 мкм. На поверхности воды прямое и рассеянное излучение частично отражается обратно в атмосферу, а основная его доля проникает в воду, где также испытывает поглощение и рассеяние. Некоторая доля рассеянного в воде излучения выходит обратно в атмосферу, а основная часть в конечном счете через поглощение трансформируется в тепло. Отраженное и обратно рассеянное водой излучения также являются коротковолновыми с максимумом энергии в видимой области спектра.

Поглощение лучистой энергии и процессы теплообмена приводят к тому, что океан и атмосфера сами становятся источниками излучения: собственного излучения океана и противоизлучения атмосферы. В связи с более низкой температурой (около 300 K) эти излучения являются длинноволновыми с локализацией энергии в области спектра при длинах волн 8–15 мкм. Собственное излучение океана, вследствие большой поглощательной способности воды, практически является поверхностным и направлено в атмосферу; противоизлучение атмосферы распределено по ее толще и направлено к земной поверхности. Таким образом, в атмосфере и в океане образуется сложное поле излучения с четко выраженными максимумами энергии в видимой области спектра (прямое, рассеянное и отраженное солнечное излучение), которое обычно называется коротковолновым, и в инфракрасной области (тепловое излучение океана и атмосферы), называемое длинноволновым. Поскольку для тепловых процессов наибольшее значение имеет интегральный эффект поглощения всего спектра излучения, а количественные закономерности поглощения и рассеяния для коротковолнового и длинноволнового излучения существенно различны, то принято разделять общее поле излучения на две части: коротковолновую и длинноволновую и рассматривать их раздельно.

2.2. Основные количественные характеристики поля излучения

Интенсивность излучения F_λ(P, r, τ) — важнейшая количественная характеристика поля, зависящая от длины волны λ, времени τ, координат x, y, z рассматриваемой точки P и направления излучения r. По определению

Здесь dE_λ — лучистая энергия, соответствующая спектральному интервалу dλ, проходящая за время dτ через площадку dS, нормаль к которой составляет угол Θ с направлением r, в телесном угле dΏ.

Физически интенсивность излучения представляет собой энергию, заключенную в единичном интервале длин волн и в единичном телесном угле, проходящую за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно к направлению распространения излучения.

Интегральная интенсивность получается интегрированием по всем длинам волн. Единицей измерения в СИ является Вт·м^-2·ср^-1.

Поток излучения — энергия, проходящая через единицу площади в единицу времени при заданном направлении нормали и выражается через интенсивность следующим соотношением:

Для потока от полусферы с использованием сферических координат азимута φ и зенитного угла Θ, а также соотношения dΏ = sin Θ dφ dΘ, получим:

Связь между потоком от полусферы и интенсивностью излучения наиболее простой оказывается в случае изотропного излучения, когда F_λ(P, τ) не зависит от Θ и φ. Выполнив интегрирование, из (2.2.3) получим соотношение, известное как закон Ламберта:

Единицей измерения потока излучения является Вт·м^-2.

Приведенные определения интенсивности и потока излучения относятся к диффузному излучению, распространяющемуся по всевозможным направлениям, как например, рассеянное, отраженное и тепловое излучение. Что касается прямого солнечного излучения, то интенсивность его отлична от нуля лишь в пределах телесного угла, равного видимому угловому диаметру Солнца, что и необходимо учитывать.

Характеристиками взаимодействия поля со средой, в которой распространяется излучение, являются коэффициенты излучения, поглощения и рассеяния, отражательная и поглощательная способности и функции поглощения и пропускания.

Коэффициент излучения η_λ(ρ, τ) численно равен энергии, излучаемой единичной массой в единичный телесный угол в единичном интервале длин волн за единицу времени. Если η_λ не зависит от направления, то полная энергия монохроматического излучения элемента массы dm равна:

Коэффициенты поглощения k_λ и рассеяния σ_λ. Предполагая, что ослабление интенсивности излучения вследствие поглощения и рассеяния на пути dS между точками P и P' пропорционально самой величине интенсивности в точке P, плотности ρ среды и расстоянию dS, можно написать:

Входящие в это выражение величины k_λ и σ_λ представляют массовые коэффициенты поглощения и рассеяния. Иногда вместо массовых коэффициентов используют объемные:

Относительная излучательная способность поверхности — отношение интенсивности излучения данного тела к интенсивности излучения абсолютно черного тела при той же температуре.

Поглощательная способность поверхности или, точнее, некоторого слоя представляет собой безразмерную величину, численно равную отношению поглощенного излучения к падающему на данную поверхность.

Отражательная способность поверхности представляет собой безразмерную величину, равную отношению интенсивности отраженного излучения определенной длины волны к интенсивности падающего излучения той же длины волны. Такое определение строго справедливо только в случае зеркального отражения. При диффузном отражении используется понятие альбедо поверхности как отношение отраженного потока к падающему.

Интегральными характеристиками поля излучения являются функции поглощения и пропускания, определяемые как для интенсивностей, так и для потоков. Функция поглощения A_F излучения некоторым слоем вещества с массой m выражается соотношением

а функция пропускания

где I(0) и I(m) — потоки излучения, падающего на данный слой и прошедшего через него.