Fizika okieana - Doronin

229

место изменение диэлектрической проницаемости Δε от ее среднего значения Если полагать, что рассеяние света областью ν происходит как электромагнитным осциллятором в теории Релея, то оказывается

индикатрисса рассеяния в этой формуле такие же, как у Релея, но дополнительно учитывается влияние диэлектрической проницаемости. Известно, что последняя зависит от температуры,

и S = 350/00 уменьшает σλ на 15%. Но в целом рассеяние света за счет флуктуаций плотности мало по сравнению с рассеянием взвесью.

В связи с тем, что взвешенные в воде частички вещества имеют различную форму и показатели преломления, строгой теории рассеяния света на них нет. Ради упрощения взвесь представляется сферическими однородными частичками (эквивалентными сферами). Если на такую частичку падает световая электромагнитная волна, то возникает дифракция, зависящая от дифракционного параметра d=2πa/λ и относительного показателя преломления вещества частицы m= mi / m0 . Здесь a- радиус частицы, mi и m0 - комплексные показатели преломления частицы и воды соответственно

m = n - iк ,

где п - показатель преломления света, к - показатель поглощения света, связанный с показателем

поглощения χλ соотношением χ λ = 4πк / λ.

Выражения для электрической и магнитной волн, испускаемых сферой в результате внешнего электромагнитного воздействия, находятся в результате решения сферических уравнений Максвелла, в простейшем виде приведенных в главе 6. Результаты. решения представляются в виде медленно сходящихся рядов и поэтому расчеты по ним ведутся численно [6]. При этом учитывается, что частицы морской взвеси распределены в воде хаотически и каждую из них можно рассматривать независимым рассеивателем света.

этого объема. Из-за случайного характера распределения волн рассеяния во времени и в пространстве при их суммировании исчезают интерференционные эффекты.

Если рассматривать рассеяние отдельной частицей, то при d<<1 и

релеевском рассеянии К =1, а в морской воде со взвесями К может достигать нескольких десятков, что видно из рис.7.3.. Особенно велика вытянутость индикатриссы в водах с большим содержанием крупной взвеси. Например, в районе перуанского апвеллинга отмечались К >150. Но случае мелкой взвеси индикатрисса рассеяния вытягивается вперед слабее. Так в пределах взморья Ганга, куда

рессеивающих свойств воды используются показатели рассеяния под углами γ = 10 и 450 для λ = 54б нм. Выделяются низкие (Н), средние (С) и высокие(В) значения σλ(γ).

присуща определенным океанологическим условиям. Тип СС характерен для поверхностных слоев открытого океана, типы НС, НН и СН - для глубинных вод океана, типы СВ и ВС встречаются в поверхностных водах вблизи по6ережья или в биопродуктивных районах.

Следующей особенностью индикатрисс рассеивания является уменьшение их вытянутости с уменьшением длины волны света (см.рис.7.3). Это связано с отмечавшимся увеличением рассеяния с уменьшением λ и возрастающим при этом рассеянием под большими углами γ.

Таким образом, показатель рассеяния меняется в широких пределах. Наименьшее его значение σλ(546 нм) = 0,022м-1 измерено в прозрачных водах Тихого океана. Это на порядок больше, чем в чистой морской воде ( σλ = 0,002м-1 ), так как. даже в. самой прозрачной океанской воде вклад молекулярного рассеяния в общую величину σλ не превышает 10%. Наибольшие значения σλ ≈2,7 - 3,3м-1 измерены в прибрежных водах у побережья Перу. На мелководье при

7.4. Ослабление света морской водой

Ослабление света в морской воде характеризуется показателем ослабления света ελ, который является суммой показателей поглощения и рассеяния

Этот показатель зависит от длины волны, от размера и природы примеси. Из-за поглощения света растворенным органическим веществом и взвесями ε λ имеет высокие значения в синей области

спектра. В диапазоне 400-500 нм. находится минимум ε λ из-за уменьшения здесь показателя поглощения. При этом, чем больше примесей содержится в воде, тем сильнее смещается min ε λ в диапазон 500-600 нм. Далее в красной области спектра из-за резкого роста χ λ происходит увеличение показателя ослабления света

(рис.7.5). Однако из-за рассеяния света нет слияния показателей ослабления света в различных водах в одну линию, как это имеет место в спектре показателя поглощения.

Отсюда следует вывод, что вклад поглощения и рассеяния в общее ослабление света различен в разных участках спектра. Первое влияет восновном на длинах волн меньше 510 - 530 нм. Вклад рассеяния описывается параметром Λ, носящим название вероятность выживания фотона,

убывает до 0,25 к его красному участку. В более чистых водах Λ несколько уменьшается, а в прибрежных водах из-за взвеси - увеличивается.

В связи с изложенным влиянием поглощения и рассеяния в общий показатель ослабления света предлагается его описывать эмпирической формулой

234

органическим ( желтым) веществом ,

σвз - показатель рассеяния взвеси при λ= 550 нм.

Вкачестве примера на рис.7.5 приведены значения оптических характеристик прибрежной океанской воды [5]. Хотя характер изменения показателей поглощения и рассеяния света такой же, как у чистой воды, но абсолютные значения этих показателей существенно больше. При этом показатель рассеяния до сине-зеленой области спектра обычно оказывается больше показателя поглощения, а при

крупной взвеси σλ может быть больше χλ вплоть до желто-красной части спектра. Поэтому показатель ослабления света оказывается большим как в синей, так и в красной части спектра. Из-за того, что в красной части спектра происходит сильное поглощение света водой, даже при сильном рассеянии показатель ослабления света близок к показателю поглощения.

Увеличение взвеси в морской воде, особенно крупных фракций, ослабляет уменьшение σλ с ростом длины волны света, поэтому в таких водах минимум показателя ослабления в сине-зеленой части спектра выражен слабее, а величина ελ возрастает.

Оценивая роль различных факторов в. ослаблении света оказывается, что вода влияет на ελ в ультрафиолетовой, а также в красной и инфракрасной областях спектра. На участке спектра 670 нм. вклад воды может превышать 80 %. Увеличение ελ в диапазоне 350 - 550 нм. в основном определяется взвесью. В зеленой части спектра ее доля может достигать 90 %. Вклад РОВ в ослабление света здесь не превышает 7 %. Лишь в ультрафиолетовой части спектра его роль увеличивается до 25 - 60 %. Такая сильная зависимость ослабления света примесями в морской воде приводит к специфическому вертикальному распределению ε, которое можно свести к шести наиболее типичным картинам (рис.7.6)

Рис.7.6. Типы вертикальных профилей показателя ослабления света ε в открытых районах океана [4].

В большинстве случаев в поверхностном перемешанном слое

235

показатель ослабления света изменяется незначительно и если галоклин не выделяется, то вертикальный ε относится к типу I. В том случае, когда взвесь биологического или минерального происхождения находится в поверхностном слое океана, при интенсивном перемешивании и отсутствии галоклина или его глубоком положении прозрачность воды с глубиной постепенно повышается и профиль ε может иметь тип II. При существовании слоя ветрового перемешивания может сформироваться тип III профиля ε. Большое влияние на вертикальное перемещение фитопланктона и других примесей оказывает пикноклин, в котором ослаблена вертикальная диффузия вещества. Поэтому в нем скапливается взвесь, увеличивая показатель ослабления света. При заметном турбулентном перемешивании выше пикноклина тип профиля ε имеет вид IV, а при слабом перемешивании вид профиля ε характеризуется резким уменьшением прозрачности воды в пределах пикноклина ( тип V )

Наиболее отчетливо типы IV и V профилей ε выражены при малой глубине пикноклинов, что имеет место летом в полярной и умеренной зонах, а также в экваториальной полосе океана. При глубоком положении пикноклина чаще отмечаются типы II и III изменения ε

сглубиной.

Вслучае сложной плотностной структуры океана могут отмечаться

несколько экстремумов в профиле ε ( тип VI ). В нем даже выделяются микроструктурные особенности, которые коррелируются с тонкой термохалинной структурой океана. При этом основную роль в микроструктуре ε играют не неоднородности плотности воды, а связанная с последними микроструктура взвеси и растворенного органического вещества.

7.5.Флюоресценция морской воды

Вчисло оптических свойств морской воды принято включать ее свечение под воздействием подводимой к ней энергии светового луча. Поглощенный молекулой вещества квант энергии приводит к ее возбуждению, а возвращение молекулы в исходное состояние сопровождается излучением света, называемым флюоресценцией. Этот обратный энергетический переход, как и рассеяние, характеризуется спектром излучения, который в зависимости от типа вещества простирается в некотором диапазоне длин волн и имеет специфическую форму, что позволяет по спектру излучения получать представление о составе морской воды. Поэтому изучение явлений флюоресценции является первым шагом к применению экспрессных методов обнаружения веществ в морской воде, даже при их низкой концентрации.

236

полимерных компонентов уменьшается. Форма спектра КР и его положение зависят от соотношения мономерной и полимерной компонентов, что, в частности, используется при лидарных зондированиях океана с целью определения температуры воды.

Флюоресценция РОВ возбуждается как ультрафиолетовым, так и видимым светом. При этом с уменьшением длины волны возбуждающего излучения спектр флюоресценции сдвигается в сторону коротких волн. Это хорошо видно из рис.7.8, на котором приведены спектры флюоресценции РОВ, возбужденные излучением ртути на волнах 313, 365 и 436 нм. Ради сравнения спектральных плотностей они нормированы на их максимальные значения для каждого источника возбуждения.

Рис.7.8. Нормированные спектральные распределения

интенсивности ( I λ / I max % ) флюоресценции РОВ, возбужденные излучением ртути в полосах 313 ( I ), 365 (II) и 436 (III)нм. согласно измерениям из поверхностного слоя Балтийского моря ( 1 и 3 ) и с глубины 10 км. в желобе Тонги, Тихий океан (2 и 4)[2].

Рисунок 7.8 построен по данным наблюдений в разных водных массах, но это не отразилось на форме спектров, что позволяет рассматривать РОВ как смесь органических соединений, соотношение между которыми в океане практически не меняется.

Максимум спектров флюоресценции РОВ сдвинут в область более длинных волн относительно линий возбуждения на 100 − 85 нм, а большая ширина самих спектров свидетельствует о сложном характере перехода возбужденных молекул РОВ в исходное состояние.

Интенсивность флюоресценции РОВ зависит от его концентрации и может меняться на два порядка своей величины, что позволяет по этой характеристике определять концентрацию РОВ. Она оказывается повышенной в прибрежной зоне, вблизи устьев рек, в зонах апвеллингов и т.д. Меняется интенсивность флюоресценции РОВ и в вертикальном направлении. В малопродуктивных водах она в пределах верхнего слоя океана растет с глубиной, а в продуктивных зонах - убывает с глубиной до значений, характерных для средних слоев океана.

Флюоресценция фитопланктона обусловлена главным образом

238