Рассеяние взвешенными частицами
При рассеянии естественного неполяризованного света интенсивности перпендикулярной II(γ) и параллельной III(γ) (по отношению к плоскости наблюдения) составляющих рассеянного света выражаются следующим образом:
где iI и iII – амплитудные функции, выражаемые через полиномы Лежандра.
Они зависят от двух параметров:
1) – дифракционного параметра ρ = 2πα/λ, где α – радиус частицы, λ – длина световой волны во внешней среде, куда погружена частица, т.е. в воде,
2) – относительного показателя преломления вещества частицы n = nч/nв, где nч и nв – показатели преломления частицы и воды.
Полная интенсивность рассеянного света в данном направлении будет равна:
(8)
Показатель рассеяния в данном направлении:
(9)
Интегрируя по всем углам, найдем суммарный показатель рассеяние света отдельной частицей:
(10) |
|
|
|
|
|
Отношение суммарного показателя рассеяния к площади поперечного сечения частицы |
|
|
называется фактором эффективности рассеяния или поперечником рассеяния: |
|
|
. |
(11) |
22 |
|
|
|
Если в рассеивающем объеме имеется N частиц с радиусом от α1 до αn, суммарный показатель рассеяния
полидисперсной системы найдем следующим образом:
(12)
Суммарное рассеяние света океанской водой можно представить следующим образом:
,(13)
где σуд.м(γ) и σуд.к(γ) – показатели рассеяния мелкой и крупной фракций взвеси для их единичной
концентрации, Vм и Vк – объемные концентрации этих фракций, σчв(γ) – показатель рассеяния чистой водой, γ - угол рассеяния.
Таблица 12 - Спектральная изменчивость показателя рассеяния
Для минеральных частиц n=1,15) с различными радиусами – от 0,1 до 1,6 мкм. Пунктир – молекулярное рассеяние чистой водой
Рисунок 7 - Спектральное распределение показателя рассеяния (нормированное к 600 нм)
23
Ослабление света океанской водой
Ослабление светового пучка в воде характеризуется показателем ослабления, являющимся суммой показателей поглощения и рассеяния:
.
С учетом всех компонентов океанской воды, влияющих на поглощение и рассеяние света, показатель ослабления определится следующим образом:
.(14)
где kпф и kжв – показатели поглощения |
пигментами |
фитопланктона |
и желтым |
веществом, σм и σк – показатели рассеяния |
мелкой и |
крупной фракциями |
взвеси, εчо – |
показатель ослабления света чистой океанской водой.
Рассмотрим вклад различных факторов в показатель ослабления:
где σм(550) и σк(550) – показатели рассеяния мелкой и крупной взвесью при длине волны 550
нм, κжв(390) |
– поглощение |
желтым веществом |
при |
длине волны 390нм, κуд.пф – удельное |
поглощение |
пигментами |
фитопланктона |
на |
единицу объемной концентрации |
хлорофилла, Схл – концентрация хлорофилла.
Входными параметрами для расчетов по данной модели служат экспериментально определяемые: σм(550), σк(550), κжв(390), Схл.
Ослабление лазерного излучения в воде
Рисунок 8 – Зависимость ослабления от длины волны
Дальность действия оптико-электронных систем с |
|||
лазерным излучателем под водой можно оценить |
|||
соотношением: |
|
||
где |
|
, |
- показатель |
Рлаз |
- мощность излучателя, |
||
ослабления, Рш - мощность шумов |
приемника, q - |
||
отношение сигнал/ шум. |
|
||
Пример
Принимаем Рлаз = 100 Вт, Рш = 10-10 Вт q = 1
= 0,23 1/м Тогда:
25
Видимость в воде. Наблюдения с помощью белого диска
Таблица 13 - Площади океанов в %, занятых водами данной прозрачности
Контраст:
(14)
Когда величина K становится меньше порога контрастной чувствительности глаза Kпор,
предмет перестает быть видимым.
При наблюдении белого диска фоном является толща воды, находящаяся под ним, которая светится в результате рассеянного в ней излучения и имеет яркость Bф(Z).
На яркости излучения диска Bд(Z) и фона Bф(Z) накладывается яркость дымки Bдым(Z),
создаваемой излучением, рассеянным в толще воды, находящейся между наблюдателем и диском.
Дымка снижает контраст диска с фоном и таким образом ухудшает видимость.
26