книги из ГПНТБ / Соколов, О. А. Видимость под водой

В табл. 1.2 приведены усредненные данные об относительном спектральном распределении энергии в прямом солнечном излуче­ нии (1), в излучении облачного (2) и ясного неба (3) в видимой части спектра [53].

Козляниновым и Пелевиным на основе теории светового поля в водной среде разработана формула для определения спектраль­

мый выражением (1.26); х ( Х) — спектральный показатель поглоще­

верхних слоев моря, т. е. для неустановившегося светового режима

лучи входят в воду. Это оправдано тем, что в верхних слоях моря в ясный день основной вклад в общий поток излучения вносят пря­ мые солнечные лучи.

Спектральную облученность горизонтальной плоскости на глу­

где а,г (X, z) определяется выражением (1.91).

Лучшим способом получения информации о спектральном рас­ пределении энергии в подводном излучении являются непосредст­ венные измерения в море.

На рис. 1.10 изображены кривые спектральной плотности потока

* Спектральная плотность какой-либо фотометрической величины обозна­ чается обычно строчной буквой, отвечающей рассматриваемой фотометрической величине.

37

кривых приведены к единице. По этим кривых можно судить о раз­ личии спектрального состава излучения в разных водах. В прозрач­ ных океанских водах максимум интенсивности приходится на си­ нюю область спектра, а для более мутных прибрежных вод он сме­ щается в ее желто-зеленую часть. Общим свойством всех кривых является крутой спад в красной области спектра, связанный с силь­ ным возрастанием в этой области спектрального показателя по­ глощения водной среды.

у(\)

Рис. 1.10. Относительный спектральный состав излучения, достигающий глу­ бины 10—14 м, в различных водах Мирового океана.

На рис. 1.11 а приведены кривые измеренных значений спект­ ральной плотности потока излучения ф(Я, z) (сплошные линии) для разных глубин восточной части Средиземного моря по А. А. Ива­ нову [61, 62] и рассчитанных значений спектральной плотности све­ тового потока ф(X, г)1/0(^) (пунктирные линии). Кривые построены в относительных единицах, поэтому при расчете спектральной плот­ ности светового потока учитывалась только относительная видность излучения Ко Щ *•

* В отличие от энергетических световые величины оцениваются относительно спектральной чувствительности зрительного анализатора человека. Так, световой поток связан с потоком излучения следующим образом:

dF (X) = 683 йФ (X) К 0 (X) = 683<? (X) Ко (X) dX,

где Ко(Х.)— относительная видность излучения; 683 — количество люменов све­ тового потока монохроматического излучения при длине волны Х .=555 нм, соот­ ветствующей максимальной чувствительности среднего глаза, приходящееся на 1 Вт лучистого потока; ее размерность [лм ■Вт-1].

38

на разных глубинах и рассчитанная для тех же глубин спектральная плотность

На рис. 1.11 б аналогичные кривые построены для внутреннего водоема — озера Лунцер-Зее (по Заубереру и Рутнеру [63]).

Характерной чертой обоих типов вод является сужение полосы длин волн, в которой заключено излучение, при увеличении глу­ бины. В табл. 1.3 приведены значения диапазонов длин волн АК, ограничивающих полосу, включающую 95% энергии излучения и световой энергии на некоторых глубинах в двух рассматриваемых водоемах.

Таблица 1.3

39

Таблица 1.3 свидетельствует об относительной узкополосности спектра излучения, проникающего в глубины естественных водое­ мов. Эта узкополосность позволяет в ряде практических случаев прибегать к допущению, что в пределах полосы длин волн, соответ­ ствующей спектральному составу подводного излучения, некоторые гидрооптические характеристики, такие, например, как показатель ослабления, остаются постоянными. Это позволяет при расчете ослабления какой-либо интегральной характеристики поля излуче­ ния при небольшом изменении расстояния воспользоваться средней величиной показателя ослабления, присущей данной спектральной полосе для данной водной среды. Правомочность таких действий подтверждает относительно слабая зависимость от длины волны спектрального показателя ослабления для различных вод в сине-зе­ леной области спектра (см. рис. 1.4).

1.5. Поляризация излучения в море

В п. 1.3 рассматривались характеристики светового поля без учета поляризации света, распространяющегося в море. На са­ мом деле процесс отражения и преломления естественного свето­ вого излучения на границе раздела воздух—вода сопровождается частичной поляризацией светового излучения, входящего в море и

выходящего из него. Этот процесс для гладкой границы описывается извест­ ными формулами Френеля для коэф­ фициентов отражения и преломления на границе двух диэлектриков. Частич­ ная поляризация происходит также и

яркость излучения и его поляризационные характеристики: степень поляризации, плоскость поляризации и степень эллиптичности по­ ляризации [24]. Для получения полного представления о световом поле в среде нужно знать значения этих параметров для каждой точки среды и любого заданного направления.

На рис. 1.12 изображен эллипс колебаний электрического век­ тора поляризованного пучка света, происходящих перпендикулярно оси z (направлению распространения пучка) в точке О. Составляю­ щие колебание этого вектора по осям х, у могут быть выражены

40

Квадрат амплитуды колебаний электрического вектора опреде­ ляет яркость рассматриваемого пучка

которого равен отношению полуосей эллипса.

Таким образом, первый параметр Стокса Si характеризует об­

При круговой поляризации ß = 45°, a S2 = S3 = 0.

Параметры Стокса обладают аддитивными свойствами, поэтому, если поток излучения представляет собой сумму отдельных пото­ ков, то результирующие параметры общего потока равны сумме соответствующих параметров составляющих потоков. Смесь есте­ ственного и эллиптически-поляризованного потоков излучения

41

можно рассматривать как частично эллпптическн-полярпзованный поток. Если обозначить систему параметров Стокса первого компо­ нента смеси — естественного излучения 5 ' 0, 0, 0, а систему пара­

метров второго компонента — эллиптическп-поляризованного излу­ чения S " , S " , S " , то для частично эллиптическп-поляризованного

потока можно записать:

5 1== 5 І+ 5 ь

В этом случае S2 > S 2 + 5 23 + 5 | в Р2д раз, при этом величина Ра является степенью эллиптической поляризации

]/~ ^2 + 5| + Sj

( 1. 100)

Для линейно-поляризованного излучения степень поляризации равна

п]/" ^2 + S5

пользуются линейными анализаторами, измеряя яркость поляризо­ ванного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

где Ві (Ѳ, z, X), Вг(Ѳ, z, X) — составляющие яркости излучения в на­ правлении 0 на глубине z при длине волны X, измеренные через анализатор во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Числитель (1.103) характеризует яркость поляризованной соста­ вляющей излучения, а знаменатель — суммарную яркость естест­ венного и поляризованного излучения; таким образом, выражение (1.103) находится в согласии с выражением (1.101).

Степень поляризации на разных глубинах моря зависит от мно­ гих причин: расположения Солнца на небосводе и состояния облач-

42

ности, степени поляризации падающего на поверхность моря излу­ чения, концентрации и дисперсности частиц, взвешенных в воде, соотношения между поглощением и рассеянием излучения и т. д. Главной причиной поляризации излучения в глубине водной среды является рассеяние излучения на имеющихся в ней оптических неоднородностях [35, 64—76]. Среди них преобладающую роль в реальных водных средах играет различного рода взвесь, однако и молекулярное рассеяние заметно влияет на общую поляризацию рассеянного излучения, так как именно оно обусловливает степень поляризации, достигающую 100% при углах у = 90°.

Экспериментальные данные говорят о том, что подводному из­ лучению присуща плоская или линейная поляризация. Лишь при направлениях вне угла полного внутреннего отражения, но в непо­ средственной близости от него и при незначительных глубинах на­ блюдается весьма малая эллиптическая поляризация. Эта поляри­

3—41 м. Они установили, что плоскость поляризации при горизон­ тальной линии визирования поляриметра, определенная независимо по расположению электрического вектора Е или магнитного Н, изменяется с высотой Солнца над горизонтом, при этом существует тесная корреляция между углом наклона плоскости поляризации и направлением преломленных солнечных лучей. Угол наклона плоскости поляризации и степень поляризации достигают своего максимального значения при азимутальном угле относительно пло­ скости вертикала Солнца, равном ±90°. При изменении азимута наклон плоскости поляризации претерпевает периодические изме­ нения. Амплитуда этих изменений колеблется в зависимости от вы­

На рис. 1.13 а показана связь между высотой Солнца (пунктир­ ные кривые) и наклоном плоскости поляризации для направления Ф = 90° (точки). По оси абсцисс отложено местное время, по оси ординат — значения углов наклона плоскости поляризации. Сплош­ ные кривые показывают углы преломления солнечных лучей. Видно, что они тесно согласуются с наклоном плоскости поляри­ зации.

На рис. 1.13 б наклон плоскости поляризации представлен в за­ висимости от азимута ср для трех высот Солнца. Пунктирные кри­ вые— расчетные, они вычислены по соотношению tg op= tg / sin cp, где Vp— угол наклона плоскости поляризации, j — угол преломле­ ния солнечных лучей и ср — азимут. Кривые хорошо иллюстрируют вышесказанное.

43

Было установлено, что величина степени поляризации колеб­ лется от 5 до 50%, при этом высота Солнца практически не влияет на степень поляризации при углах ср=±90о от плоскости вертикала Солнца.

Лабораторные исследования поляризации подводного излучения для случая освещения искусственной рассеивающей среды верти­ кальным потоком солнечных лучей были проведены Тимофеевой

[35, 70—73].

Рис. 1.13. а — влияние высоты Солнца на наклон плоскости поляризации под­ водного излучения для горизонтального направления, составляющего угол 90° от плоскости вертикала Солнца (/ — высота Солнца, 2 — экспериментальные вели­

Она установила, что при увеличении глубины степень поляри­ зации различна по направлениям и убывает с глубиной с разной скоростью, стремясь к некоторому установившемуся угловому рас­ пределению. Сравнение кривых распределения яркости и кривых степени поляризации показывает, что установившееся угловое рас­ пределение степени поляризации наступает одновременно с устано­ вившимся распределением яркости. Следовательно, глубинный световой режим в мутной среде характеризуется наряду с распреде­ лением яркости в глубинном режиме также установившейся диа­ граммой распределения степени поляризации.

Степень поляризации зависит от соотношения между рассея­ нием и общим ослаблением излучения в среде, т. е. от вероятности выживания фотона А и от показателя поглощения к. При увеличе­ нии доли рассеяния в общем ослаблении излучения или, что экви­ валентно, с уменьшением показателя поглощения х степень поля­ ризации уменьшается. В пределе для гипотетических чисто рассеи­

44

вающих сред при х = 0 и Л=1 Р —О, следовательно, излучение не поляризовано.

В реальных морских средах вероятность выживания фотона яв­ ляется функцией длины волны, а так как показатель поглощения обладает большей зависимостью от длины волны, чем показатель рассеяния (см. рис. 1.1), то для излучений, проникающих на боль­ шую глубину, степень поляризации должна быть меньше вследст­ вие большего значения величины А(Х). Для коротковолновой и длинноволновой областей спектра степень поляризации возрастает.

максимума степени поляризации в зависимости от угла ф при изме­ нении направления наблюдения в вертикальной плоскости.

Пример углового распределения яркости и углового распреде­ ления степени поляризации в плоскости вертикала Солнца (ф = 0; 180°) и в вертикальной плоскости, перпендикулярной ей (ф = 270; 90°), проведен на рис. 1.15 а и б по измерениям Кайгородова [76]. На этом рисунке в полярной системе координат для трех значений оптических глубин: хі = 11,5, тг2= 18,6 и т3=23,8, в логарифмическом масштабе отложены значения яркости В (£, т, X) и в линейном

45

масштабе — значения Р (£, т, %) в процентах. Кривые получены в Черном море при ясном небе и штилевой погоде при Х=506 нм. Из этих кривых видно, как с увеличением оптической глубины на­ правление максимума яркости и минимума степени поляризации приближается к вертикали. Это свидетельствует о приближении уг­ ловых характеристик светового поля к установившимся. Яркость излучения уменьшается для всех направлений, что естественно, в то же время абсолютные значения степени поляризации остаются примерно на одном и том же уровне, изменяется лишь ее угловое распределение.

В

Р

Рис. 1.15. Диаграммы углового распределения яркости и степени поляризации излучения для трех значении оптических глубин.

а — в плоскости вертикала Солнца ф=0, 180°; б — в плоскости ф=90, 270°.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных

вморе, позволяют сделать некоторые выводы:

—основным источником поляризованного излучения под водой является рассеяние излучения на взвешенных частицах и флуктуа­ циях плотности;

—максимум степени поляризации на небольших глубинах при горизонтальном наблюдении находится под прямыми углами к пло­ скости вертикала Солнца или вертикальной плоскости расположе­ ния вектора максимальной яркости;

—при горизонтальном наблюдении в плоскости вертикала Солнца плоскость поляризации расположена горизонтально, она максимально отклоняется от этого положения при направлениях, составляющих с плоскостью вертикала Солнца прямые углы;

—тело распределения яркости и распределение степени поля­ ризации тесно связаны между собой, с увеличением оптической глу­

46