Взвесь
Число взвешенных частиц в океанской воде огромно – порядка 108 - 1010 шт. в одном литре.
Распределение их по размерам «а» в большинстве случаев может быть аппроксимировано степенным
законом (закон Юнге) N a-v, где ν обычно имеет значения 3 – 5, т.е. основное количество в океанской взвеси составляют мелкие частицы.
Концентрация взвеси в среднем по всему океану составляет 1–2 мг/л.
В поверхностных водах открытого океана она изменяется в пределах 0,05–0,5 мг/л, в глубинных – 0,001– 0,25 мг/л.
Для минеральных частиц показатель преломления относительно воды составляет n = 1,13–1,25 (типичное значение n = 1,15), для органических n = 1,02–1,05.
С разграничением частиц океанской взвеси по показателю преломления связано и их разграничение по размерам:
• минеральные частицы имеют размеры менее 1–2 мкм,
• органические – более 1–2 мкм.
Для минеральных частиц показатель в законе Юнге, описывающем распределение их по размерам, имеет значения 4–5, для органических – 3–4.
Относительное содержание органической фракции взвеси в поверхностных водах может изменяться от 5 |
|
до 95%. В среднем по всему океану на органическую взвесь (живой планктон и детрит) приходится около |
|
80% (в сухом остатке взвеси) и около 20% составляет минеральная взвесь. |
|
В органической взвеси большая часть приходится на детрит – в поверхностных водах от 60 до 95% в |
|
зависимости от их продуктивности; при этом в низкопродуктивных (олиготрофных) водах |
|
относительная концентрация детрита выше. В среднем по океану концентрация детрита составляет |
12 |
около 90%, а живых органических частиц – 10%. |
|
Поглощение оптического излучения океанской водой
Показатель поглощения κ определяется через мнимую часть комплексного показателя преломления:
,
где m - комплексный показатель преломления, n- действительная часть, -мнимая часть.
Мнимая часть идентична величине, называемой показателем поглощения, и связана с коэффициентом поглощения Ламберта соотношением: , k – имеет размерность обычно см-1.
Таблица 5 - Оптические свойства чистой воды (Т = 20°С)
Поглощение чистой океанской водой
Под чистой океанской водой в оптике океана понимают чистую воду, в которой растворены неорганические соли в концентрациях, наблюдающихся в океанских водах, и нет ни взвеси, ни растворенных органических соединений и газов.
Добавка к воде неорганических солей увеличивает ее показатель преломления. Так, для излучения с длиной волны 590 нм при возрастании солености воды от 0 до 35 промилле при температуре 25°С показатель преломления увеличивается примерно на 0,7%.
Поглощение растворенными газами
Из всех растворенных в океанской воде атмосферных газов только кислород представляет некоторый интерес для оптики океана, так как он поглощает излучение в далекой ультрафиолетовой области. Другие атмосферные газы на оптические свойства океанской воды не влияют.
Поглощение желтым веществом
Характер поглощения излучения желтым веществом обусловлен электронными спектрами поглощения органических молекул. В экспериментах установлено, что спектральная зависимость показателя поглощения излучения желтым веществом аппроксимируется формулой:
где κуд.жв(λ) – удельный показатель |
|||||
поглощения |
желтым |
веществом |
|||
(κуд.жв (450)= 0,092 |
|
м2/г, С – |
|||
концентрация |
желтого |
вещества |
|||
г/м3. |
Коэффициент |
μ |
для |
||
поверхностных |
вод |
открытых |
|||
районов |
океана |
примерно |
равен |
||
15·10-3 1/нм, для глубинных вод он |
|||||
несколько больше – 17–19·10-3 |
1/нм. |
||||
1 – диатомовые (Ciclotella sp.);
2 – динофлагелляты (Amplidium sp.),
3 – зеленые флагелляты (Chlamydomonas);
4 – естественная популяция в водах Вудс- Хола
Абсолютное |
значение |
показателя |
поглощения |
пигментами κпф(λ): |
|
|
|
где С – концентрация хлорофилла «а» в мг/м3. κ
Таблица 6 - Удельное поглощение пигментами фитопланктона уд.пф, м2/мг
Рисунок 5 - Спектры |
|
поглощения некоторых видов |
|
фитопланктона |
15 |
|
С учетом всех рассмотренных компонентов океанской воды ее спектральное поглощение определится
суммой:
,
где индексы обозначают: чв – чистая океанская вода, жв – желтое вещество, пф – пигменты фитопланктона, мч – минеральные частицы, д – детрит
Модель учитывает три основные компоненты, влияющие на поглощение излучения океанской водой:
,
где – показатель поглощения чистой океанской водой, – показатель поглощения желтым веществом при длине волны 390 нм, – удельное поглощение пигментами фитопланктона, – концентрация пигментов. Множитель учитывает спектральную изменчивость поглощения желтым веществом.
Таблица 7 - Процентный вклад различных компонентов в спектральное поглощение света океанской водой
16
Таблица 8 - Значения спектральных показателей поглощения κ, 1/м в различных регионах
17
1 – Саргассово море
2 – Карибское море
3 – Готландская впадина Балтийского моря 4 – Тихий океан, район о-ва Галапагос на глубине 20 м 5 – то же на глубине 200 м
6 – Тихий океан, впадина Тонга
7 – Пассатное течение в Индийском океане
Рисунок 6 - Спектральное распределение |
|
показателя поглощения κ(λ), 1/м в различных |
18 |
океанских водах |
Рассеяние света в океанской
воде |
Молекулярное рассеяние |
|
Рассеяние в чистой воде, связанное с флуктуациями плотности и температуры, без учета флуктуации ориентации молекул, выражается формулой:
, (1)
где m – показатель преломления, λ – длина волны, γ – угол рассеяния относительно направления падающего света, T – температура, βT – коэффициент изотермической сжимаемости, k – постоянная
Больцмана, φ(m) = (m2 – 1)/(2m2 + 1). Выражение (1) можно записать в виде:
(2)
где |
. |
(3) |
|
||
|
|
|
Это учитывается следующим образом: |
(4) |
|
|
, |
|
где – коэффициент деполяризации рассеянного света. |
|
|
Величина σ1(90) связана с σ(90) |
для изотропных молекул (3) соотношением: |
|
|
|
|
Для температуры воды 20°С и длины волны 436 нм формула (4) имеет вид:
. (5)
19
Таблица 9 - Изменчивость показателя молекулярного рассеяния (λ = 546 нм) в океанских водах в процентах относительно среднего значения
Таблица 10 - Оптические свойства чистой океанской воды (T = 20°С, S = 35 ‰)
20
Таблица 11 - Значения σ(γ)·104, 1/м·1/ср для чистой океанской воды (λ = 546 нм, T = 20°С, S = 35 ‰)
21