Направление подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
2025 г.
МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ордена Трудового Красного Знамени Федеральное государственное образовательное бюджетное
учреждение высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики
Кафедра «Направляющие телекоммуникационные среды»
«Направляющие телекоммуникационные среды»
Лекция № 12
Направляющие среды свободного пространства
Гидросфера
Понятие «гидросфера» (греч. hydor – вода и sphaira – шар) постоянно трансформировалось. В настоящее время в наиболее простом определении гидросферой принято называть водную оболочку Земли, включающую всю несвязанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную.
Гидрооптические характеристики:Первичные характеристики
представляют собой физические величины, характеризующие оптические свойства океанской воды. Они определяются ее химическим составом, термодинамическим состоянием, наличием в воде оптически активных примесей в виде растворов и взвесей.
Вторичные оптические характеристики
используются для описания состояния светового поля в океане. Они зависят от оптических свойств океанской воды, т.е. от первичных характеристик, и от геометрической структуры потока излучения в водной среде.
2
Таблица 1 – Фотометрические величины
3
Характеристики оптических свойств океанской воды
Явления поглощения и рассеяния излучения могут быть количественно описаны с помощью двух скалярных величин – показателей поглощения k и рассеяния σ и одной функции – индикатрисы рассеяния σ(γ)
Количество энергии излучения, поглощенной и рассеянной элементарным объемом, будет пропорционально потоку излучения Φ и толщине объема dl:
Коэффициенты |
пропорциональности k и σ |
|
|
|
|
|
|||
Рисунок 1 - Ослабление излучения в |
||||
называются показателями |
поглощения и рассеяния |
|||
элементарном объеме за счет поглощения и |
||||
излучения |
|
|
рассеяния |
|
|
|
|
||
В результате суммарного действия поглощения и рассеяния поток излучения, пройдя объем dv, ослабится на величину:
Коэффициент пропорциональности ε называется показателем ослабления излучения
Иногда используют для k, σ и ε десятичные показатели. Они увязаны с натуральным показателем |
||
соотношением, например: |
|
|
Отношение Λ = σ/ε называется вероятностью выживания фотонов. |
4 |
|
Для только поглощающей среды Λ = 0, только рассеивающей Λ = 1. |
||
|
||
Ослабление начального потока излучения Φ0, прошедшего слой вещества толщиной l, найдем, интегрируя выражение (2):
Это соотношение известно как закон Бугера. При его записи часто используют безразмерный параметр T = εl называемый оптической толщиной среды, т.е.:
Величина Θ = Φ1/Φ0 = при толщине слоя воды l = 1 м называется прозрачностью водной среды. Выражают ее в %
Интенсивность рассеянного излучения в направлении, определяемом углом γ, будет пропорциональна нормальной облученности объема и его величине:
Множитель |
пропорциональности σ(γ) |
называется показателем |
рассеяния излучения в |
данном направлении |
|
Определим связь суммарного показателя рассеяния σ с угловыми показателями σ(γ). Полный поток излучения, рассеянного по всем направлениям, равен:
где dω – элементарный телесный угол в направлении, определяемом углом γ.
Рисунок 2 - К определению индикатрисы рассеяния излучения элементарным
объемом
Φ – падающий поток, dI(γ) – интенсивность 5 излучения, рассеянного объемом dv в
направлении γ, dω – единичный телесный угол
Подставляя в (7) величину dI(γ) из (6) и учитывая, что dv = Sdl, имеем:
С другой стороны поток излучения, рассеянного объемом dv есть по определению dΦ = –σΦdl. Приравняв оба выражения для dΦ с учетом, что Φ = EН S, получим:
Величина элементарного телесного угла dω равна площади dS, вырезаемой этим углом на сфере единичного радиуса r = 1 (рисунок 3).
(10)
Учитывая изотропность рассеяния, т.е. |
независимость от угла φ, |
|
|
|
||
находим: |
|
(11) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Отношение показателя рассеяния излучения в данном направлении к |
|
|
|
|||
суммарному |
показателю |
рассеяния |
называется индикатрисой |
|
|
|
рассеяния x(γ) = σ(γ)/σ. Условие нормировки индикатрисы рассеяния |
|
|
|
|||
выражается соотношением: |
(12) |
|
|
|
||
|
|
|
|
6 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 3 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Рассеяние излучения элементарным объемом в переднюю и заднюю полусферы определяется показателями рассеяния вперед σ↓ и назад σ↑:
(13)
Их отношение называется коэффициентом асимметрии индикатрисы k = σ↓/σ↑.
Для характеристики анизотропии рассеянного излучения также используют средний косинус индикатрисы рассеяния:
7
Таблица 2 – Основные характеристики оптических свойств океанской воды
8
Таблица 3 – Производные характеристики оптических свойств океанской воды
9
Диапазон изменения оптических характеристик в водах Мирового океана очень широк, что выдвигает довольно жесткие требования к гидрооптическим приборам, которые должны иметь при большом динамическом диапазоне высокую чувствительность, позволяя измерять с достаточной точностью очень малые величины.
Рисунок 4 -Типичные спектральные распределения |
|
показателей поглощения κ, рассеяния σ и |
10 |
ослабления ε в чистых и мутных водах океана |
|
Компоненты океанской воды, влияющие на ее оптические |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
свойства |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чистая вода |
|
|
|
|
Растворенные вещества |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Как природное химическое |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Неорганические соли |
|
|
Органические соединения |
|
|||||||||||||
|
соединение, |
чистая |
вода |
в основном |
представлены |
|
присутствуют в океанской воде |
|||||||||||
|
представляет собой |
смесь |
|
|||||||||||||||
|
нескольких |
видов |
изотопов |
соединениями: |
|
|
|
|
в |
небольших |
количествах |
– |
||||||
|
молекул |
|
воды. |
|
Кроме |
NaCl, KCl, MgCl2, MgSO4, CaS |
|
0,001–0,005%, но влияние их на |
||||||||||
|
|
|
O4. На них приходится около |
|
оптические свойства океанской |
|||||||||||||
|
основного |
изотопа – легкая |
|
|||||||||||||||
|
99,8% (в сухом остатке) всех |
|
воды |
велико. |
Состав |
|||||||||||||
|
вода, в природных водах |
|
||||||||||||||||
|
солей, причем |
|
|
около 90% |
|
растворенного |
|
|
органического |
|||||||||
|
встречаются |
|
|
приходится на хлориды. |
|
вещества |
|
сложен |
и |
|||||||||
|
изотопы |
тяжелой воды: |
Средняя концентрация солей |
|
насчитывает |
|
|
|
множество |
|||||||||
|
доля |
|
; ; , |
в |
воде |
в океане составляет около 35 |
|
различных |
|
|
|
|
классов |
|||||
|
которых |
промилле (г/кг). |
|
|
|
|
органических соединений. |
|
||||||||||
|
составляет |
примерно |
2; 0,4; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
0,3% соответственно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
имеющиеся |
Газы |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
атмосфере, |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
присутствуют в растворенном виде |
|
|
||||||||
|
Таблица 4 - Среднее содержание газов в океанской |
|
в океанской воде. Их растворимость |
|
|
|||||||||||||
|
воде |
|
|
|
|
|
|
пропорциональна |
парциальному |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
давлению газов в атмосфере. |
|
|
|
|
|
|
||||
11