книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

— вопросы практического применения результатов этих измерений для решения научных и прикладных (в том числе военно-прикладных) задач.

В частности, оптические свойства морской воды учи­ тываются:

—при выборе маскирующих окрасок подводных ло­

док;

—при оценке эффективности применения подвод­ ного телевидения для обеспечения нужд аварийно-спа­ сательной службы, поиска и разоружения мин, подвод­ ного и особенно подледного плавания;

—при визуальном обнаружении подводных объек­

тов (подводных лодок, минных заграждений и т. п.) с самолетов и вертолетов;

— при использовании неконтактных взрывателей, реагирующих на изменение интенсивности гидрооптиче­ ского поля;

— при выборе светильников для подводных ра­ бот;

—для оценки условий подводного фотографирова­

ния;

—при производстве аэрофотосъемочных работ на

море.

Необходимо подчеркнуть, что условия видимости подводных объектов с самолета (вертолета), корабля или подводной лодки в значительной степени определя­ ются оптическими свойствами морской воды. Они в большей степени ограничивают дальность видимости, чем условия освещения или качество осветительной или наблюдательной аппаратуры.

Гидрооптические исследования основываются на зна­ нии законов классической оптики, сформулированных еще в XVII—XVIII вв. Первые, в мире измерения про­ зрачности морской воды «посредством белой тарелки» были выполнены русским военно-морским гидрографом О. Е. Коцебу во время его кругосветного плавания на шлюпе «Предприятие» в 1823—1826 гг. Современная ги­ дрооптика во многом обязана усилиям русских и совет­ ских физиков и океанографов: О. Д. Хвольсона, В. В. Шу­ лейкина, С. И. Вавилова, А. А. Гершуна, В. А. Берез­ кина, Ю. Д. Янишевского, К. С. Шифрина, Г. В. Ро­ зенберга, В. А. Амбарцумяна, В. В. Соболева.

Гидрооптика — одна из важнейших составных частей

138

физики моря, и ее успехи неразрывно связаны с разви­ тием океанографии в целом.

Световой режим на поверхности океана. Световой ре­ жим на глубинах зависит от ряда факторов, в том числе от степени освещенности поверхности океана, являющей­ ся поверхностью раздела двух различных оптических сред — воздуха и воды. Освещенность поверхности океа­ на складывается из трех основных компонентов: сол­ нечной, ночной (астрономической) и биолюминесцентной освещенности.

Главным источником света в природе является сол­ нечное излучение, энергетическая мощность которого и создаваемая освещенность чрезвычайно велики. За пределами земной атмосферы средняя освещенность солнечными лучами оценивается величиной Е0~ »135500 лк (световая солнечная постоянная). При этом сила света / составляет примерно 3- ІО27 св.

Спектр солнечной радиации на границе земной атмо­ сферы практически заключается между длинами волн

прямой солнечной радиации вследствие поглощения и рассеяния изменяется и по интенсивности, и по своему спектральному составу. В результате спектр суммарной солнечной радиации у поверхности океана существенно отличается от спектра за пределами земной атмосферы, а освещенность определяется экспотенциальным зако­ ном Бугера — Ламберта

где Е0— световая солнечная постоянная, лк; hQ— высота Солнца, град;

р— коэффициент прозрачности атмосферы, пред­ ставляющий собой отношение светового по­

тока Ф,И= І, прошедшего через атмосферу

при массе атмосферы, равной 1, к световому потоку Ф0 на верхней границе атмосферы;

т— количество единичных масс атмосферы, ко­ торое проходит световой луч.

139

Единичная масса атмосферы — это масса вертикаль­ ного столба атмосферы с основанием 1 см2, который проходит луч при высоте Солнца /г0 = 9О° и нормальном

атмосферном давлении. Чем ниже над горизонтом Солн­ це, тем большую толщу (большее число единичных масс) атмосферы преодолевают солнечные лучи.

что освещенность поверхности океана прямыми солнеч­ ными лучами:

—зависит от географической широты;

—резко возрастает с увеличением высоты Солнца;

—подвержена суточному и годовому ходу (с макси­ мумом около полудня в середине лета и минимумом ночью зимой).

Однако поверхности океана достигают не только пря­ мые, но и рассеянные солнечные лучи. Рассеяние света в атмосфере обусловлено как молекулами атмосферных газов, так и взвешенными частицами пыли, дыма, обла­ ков—так называемыми атмосферными аэрозолями.

Вклад рассеянного света в освещенность поверхно­ сти океана непостоянен и существенно зависит от вы­ соты Солнца.

Приведенные данные показывают, что при малых высотах Солнца доля рассеянной освещенности очень велика.

Естественный дневной свет представляет собой сово­ купность прямой и рассеянной солнечной радиации. Освещенность этим светом меняется в очень широком диапазоне в зависимости от характера облачности, про­ зрачности атмосферы, состояния поверхности океана.

Существенное влияние на освещенность поверхности океана, покрытой льдами, оказывает снежный покров, особенно при малых высотах Солнца. Отмечается также увеличение суммарной освещенности с развитием волне­

140

ния за счет отражения лучей света от волн, особенно с появлением белых пятен пены.

Таким образом, термин «дневной свет», являющий­ ся отправной точкой для всевозможных гидрооптиче­ ских расчетов, сам является малоопределенным. Сле­ дует также отметить, что инфракрасные лучи с длинами волн более 3 мкм полностью поглощаются тончайшими поверхностными слоями воды и для гндрооптики инте­ реса не представляют. Для учета изменения светового режима на поверхности океана гидрооптические иссле­ дования должны сопровождаться наблюдениями за ин­ тенсивностью потоков солнечной радиации (актиноме­ трия) [43].

Ночная (астрономическая) освещенность поверхно­ сти океана создается главным образом лунным светом. Освещенность полной Луной, находящейся в зените, при средней прозрачности атмосферы может достигать 0,25 лк. Освещенность верхних слоев атмосферы и косми­ ческой пыли, обусловливаемая свечением звезд, ничтож­ на и практического значения не имеет. Заметим, что ос­

видит.

Распространение солнечного света в толще океана.

Лучи света (прямые и рассеянные), достигая поверхно­ сти океана, частично отражаются в атмосферу, частич­ но, преломляясь, проникают в воду и в дальнейшем ходе подвергаются ослаблению (экстинкции).

Отражение, преломление и ослабление света — это те оптические свойства морской воды, которые особенно интересны с точки зрения океанографии.

Отражение света поверхностью океана. Для прямых солнечных лучей при зеркально-гладкой поверхности океана количество отраженной световой энергии.. зави­ сит от высоты Солнца и характеризуется коэффициен­

т. е. выраженным в процентах отношением светового потока Ф, отраженного поверхностью океана, ко всему падающему световому потоку Ф0.

141

С уменьшением высоты Солнца, т. е. с увеличением угла падения лучей, происходит резкое увеличение ко­ личества отраженной световой энергии:

океана принято считать, что 5% световой энергии отра­ жается, 95% проникает в воду.

Однако в реальных условиях для естественного днев­ ного света, особенно при наличии волнения, картина в значительной степени усложняется, и фактические на­ блюдения часто не согласуются с приведенными выше данными. В этом случае солнечные лучи встречают ис­ кривленную волнением поверхность океана в разных точках, под различными углами падения, и в каждой точке степень отражения лучей, определяемая соответ­ ствующим коэффициентом отражения, оказывается раз­ личной.

При очень больших высотах Солнца средний угол падения лучей на взволнованную поверхность океана оказывается больше, чем в штиль, общее количество от­ раженного света возрастает, количество света, прони­ кающего в воду, убывает.

При малых высотах Солнца гребни волн затеняют горизонтальные участки поверхности океана, и отраже­ ние света происходит главным образом от крутых уча­ стков поверхности гребней волн при малых углах па­ дения солнечных лучей. В результате отмечается суще­ ственное увеличение количества световой энергии, прони­ кающей в воду.

При высотах Солнца, близких к 25°, влияние волне­ ния на пропускание света практически не сказывается.

При высотах Солнца более 40° и состоянии поверх­ ности океана менее 4 баллов океан более 95% света поглощает и менее 5% отражает. Но при сильном вол­ нении, когда на поверхности появляются большие пят­ на пены, коэффициент отражения возрастает до 40% и более.

Таким образом, не только интенсивность светового потока, падающего на поверхность воды, и его спек­ тральный состав подвержены существенным измене­

142

ниям во времени, но и условия проникновения света в воду оказываются весьма непостоянными. Уместно пред­ положить поэтому, что и структура естественного опти­

нусу угла преломления ß для данных двух сред есть величина постоянная»:

Из формулы (3.87) следует, что чем выше Солнце, тем короче путь, который проходит луч света от поверх­ ности до глубины Z, и при нахождении Солнца в зените

(А0 =90°) / = Z [18].

На свет, .проникший в воду, оказывают воздействие два физических процесса: поглощение и рассеяние света.

Поглощение света. Солнечная радиация, проникая в воду, превращается в различные формы внутренней энергии, и прежде всего в тепловую, нагревая поверхно­ стные слои океана. Незначительная часть световой энер­ гии расходуется на фотохимические процессы (фотосин­ тез), ионизацию и возбуждение атомов и молекул воды.

Бугер в 1729 г. экспериментально и Ламберт в 1760 г. теоретически установили, что вследствие поглощения от­ носительное ослабление светового потока в параллель­ ном пучке света (определенной длины волны X), отвесно падающем на поверхность раздела воздух — вода, про­ порционально толщине проходимого светом элементар­ ного слоя

морской водой избирательно по спектру, т. е. поглоще­

144

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).