Fizika okieana - Doronin

нахождения в океане. Под воздействием солнечной радиации, в результате разложения бактериями и за счет взаимодействия с морской водой нефть теряет легколетучие фракции, вследствие чего меняется ее излучение. Очень сложный состав нефтепродуктов приводит к тому, что флюоресценция веществ, из которых они состоят, перекрывает всю видимую часть спектра (рис.7.10).

Рис.7.10. Спектры флюоресценции ( относительно их

максимальных значений) воды Балтийского моря (1), сырой нефти (2),

отработанных щелоков(3), возбужденные излучением азотного лазера на длине волны

337 нм.[2].

В среднем форма спектра и его положение зависят от соотношения в них легких и тяжелых фракций. С переходом от бензина, керосина, дизельного топлива к маслам цвет флюоресценции меняется от фиолетового до зелено-желтого или бурого, т.е. с увеличением тяжелых фракций в нефтепродуктах спектр излучения меняется в сторону длинных волн. Это позволяет различать не только нефтепродукты, но и виды сырой нефти.

Спектр флюоресценции такого загрязняющего вещества как щелочь, существенно отличается от нефтепродуктов и меняется в зависимости от ее состава. Форма этого спектра несимметричная с довольно резким подъемом и пологим падением кривой. Максимум находится в сине-голубой области видимого спектра.

Приведенный на рисунке ради сравнения спектр морской воды зависит, как выше было отмечено, не от самой воды, а от ее состава.

7.6. Освещенность океана

Освещенность океана обусловлена за счет прямой и рассеянной солнечной радиации. В зависимости от облачности, высоты Солнца и прозрачности атмосферы соотношение этих потоков радиации и их спектральная плотность различны. Поток прямой солнечной радиации создает освещенность поверхности океана Еa, которая может быть рассчитана по формуле

240

где Е∞ (λ) - спектральная освещенность на верхней границе

атмосферы площадки, перпендикулярной к направлению солнечных лучей; γ - зенитное расстояние Солнца,

τ - спектральная оптическая толщина атмосферы в вертикальном направлении.

Оптическая толщина τ зависит от показателя ослабления света в атмосфере, который из-за поглощения озоном практически полностью отсекает ультрафиолетовую часть спектра излучения и она до океана не доходит. В видимой области спектра поглощение света газами не сильное и кривые спектральной плотности освещенности на уровне поверхности океана и на верхней границе атмосферы подобны (см.рис.4.4). В инфракрасной области на спектральной кривой выделяются участки сильного поглощения радиации водяным паром, углекислым газом, кислородом и т.п.

Сильное поглощение радиации жидкой и газообразной водой приводит к тому, что поток рассеянной радиации сосредоточен в основном в видимой области спектра и его величина существенна меньше прямого солнечного излучения. Даже в ясную погоду рассеянный поток лучистой энергии существует, хотя он меньше, чем в пасмурную погоду, поскольку молекулярное рассеяние слабее других видов рассеяния, особенно облаками. Причем рассеяние облаками зависит от их формы, высоты и плотности. Оценки показывают, что в области видимой части спектра слоисто-кучевая облачность уменьшает освещенность примерно в два раза по сравнению с ясной погодой, а в просветах между облаками - увеличивает в два раза. Это означает, что освещенность на уровне океана − очень изменчивая характеристика, особенно при наличии в атмосфере облаков. Поэтому вычислять ее по точным формулам очень трудно. Отдельные измерения из-за изменчивости освещенности не всегда репрезентативны и приходится пользоваться приближенными формулами типа

По этой формуле какого-либо сдвига спектральной плотности по длине волны нет и поэтому она пригодна для описания суммарной освещенности, в которой преобладает прямая радиация (кривая 2 на рис. 4.4). Следует также отметить, что в общем лучистом потоке Еa часть его относится к категории рассеянного света, даже при отсутствии облаков. Эта доля тем больше, чем больше зенитный угол Солнца (табл.7.2).

241

Таблица7.2 Доля рассеянного лучистого потока ( η %) в суммарном в

зависимости от зенитного угла γ.

Трудности математического описания и расчета освещенности обусловили составление таблиц освещенности прямым и рассеянным светом в зависимости от высоты Солнца, типа облаков и их количества.

Освещенность поверхности зависит от ее наклона к лучу света. В формуле (7.19) для плоской поверхности океана наклон ее описывается зенитным расстоянием Солнца. Если освещаемая поверхность ориентирована произвольно под углом ϑ между лучом и нормально к поверхности, то при определении телесного угла

dΩ = dП / R 2

E = Icosϑ / R 2 . (7.22)

Рис.7.11. Схема ориентировки освещаемой площадки к падающему на нее лучу света.

В случае пучка параллельных лучей, как это имеет место при прямом солнечном свете, зависимость освещенности от расстояния пропадает, если нет ослабления света, но зависимость от угла падения остается.

При освещении поверхности океана рассеянным светом зависимости от ее ориентировки нет, если отсутствует какое-либо преобладающее направление потока этого света.

Поступающий к поверхности океана свет частично отражается. При его описании вполне можно пользоваться законами геометрической оптики: лучи падения, отражения и преломления лежат в одной

242

плоскости с нормалью, восстановленной в точке падения на границе

где С1 и С2 - скорости света в первой и второй средах соответственно. n1,2 - относительный показатель преломления. При прохождении

света из воздуха в воду n1,2 ≈ 4 / 3.

Коэффициент отражения r, характеризующий отношение отраженного света к падающему зависит как от угла падения, так и от поляризации вектора электрической напряженности относительно плоскости падения, проводимой через падающий, отраженный лучи и нормаль к границе раздела сред в точке падения луча. Если вектор

Если падающий свет неполяризованный, то ориентировка в нем вектора электрической напряженности хаотическая и коэффициент

отражения прямого света rп принимается как среднее значение из r′ и r″.

При волнении rп может существенно отличаться от приведенных в таблице7.3. В случае малых зенитных углов волнение увеличивает γ 1 и коэффициент отражения растет. Если же зенитные углы большие, то

243

волнение уменьшает γ 1 , а следовательно, и rп.

Коэффициент отражения рассеянного света rp определяется как средневзвешенное из rп для всех углов падения. Получено rp ≈ 6,6% . Общий коэффициент отражения суммарного потока света

характеризуется формулой (4.23).

Отражение приводит к ослаблению подповерхностной

Для описания ослабления освещенности с глубиной за счет поглощения и рассеяния света используется соотношение

Здесь αλ - показатель вертикального ослабления освещенности. В

связи с тем, что поглощение и рассеяние света меняются при различных длин волн, то величина α также зависит от длины волны (рис.7.12). На значение α еще оказывает влияние характер освещенности, поэтому α не совпадает с ε . Для приближенных

оценок полагают α ≈ (1 4)ε , но в этом случае не принимается во

внимание изменение освещенности. Зависимость от оптических свойств

существенно увеличивается из-за рассеяния света в голубой части спектра (тип III) и несколько меньше в желто-красной части спектра.

Рис.7.12. Характер зависимости вертикального показателя ослабления освещенности от длины волны и оптического типа вод [1].

244

Хотя показатель α зависит не только от оптических свойств воды, но и освещенности, тем не менее из-за простоты и быстроты его определения он используется для оптической типизации вод океана. Чтобы ослабить изменчивость освещенности, измерения проводятся при ясном не6е и малых зенитных углах Солнца. По величине и характеру изменения α с длиной волны Ерлов выделил три основных типа океанических вод (см.рис.7.12) и пять типов прибрежных вод, для которых α больше, чем для океанических вод. К типу I относятся воды центральных районов Индийского и Тихого океанов, тропической зоны Атлантического океана, к типу II - воды Гвианского течения, к типу III - воды калифорнийского и перуанского апвеллингов.

В связи с довольно высокой корреляцией между значениями α на разных длинах волн и α (λ=500 нм), при оптической характеристике водной массы в ряде случаев используют последнюю величину, либо ослабление освещенности на перепаде глубин в 1 м при учете

Эта величина, выраженная в процентах, называется прозрачностью. На основании данных прозрачности сотрудники Института

океанологии им. П.П. Ширшова составили более точную оптическую характеристику вод Мирового океана. Естественно, прозрачность наиболее изменчива в поверхностных водах, но и в промежуточных она меняется от 90 до 60 %. В глубинных водах прозрачность меняется от 85 до 60 %. Придонные воды в целом оптически более однородны, но встречаются участки с очень высокими показателями ослабления света.

Увеличение α к концам видимого диапазона спектра приводит к тому, что с глубиной быстрее поглощается желто-красная и голубая части спектра. В качестве примера на рис.7.13 показано по данным измерений изменение освещенности с глубиной по отношению к поверхностной.. Видно, что уже на глубине 5 м красная часть видимого спектра ослабляется не менее чем в 10 раз, а к глубине 25 м в спектре в основном остается только его синяя и зеленая части, хотя и ослабленные почти в два раза.

Важной оптической характеристикой светового поля океана

является восходящая освещенность, E ↑ поскольку она несет информацию об обратном рассеянии, зависящем, как уже отмечалось, от примесей в океане. На рис.7.13 показаны спектр и величина восходящей освещенности. Ее спектр уже спектра Е↓ из-за отсутствия

светового потока, поглощенного водой. Кроме того, спектр E ↑ слабо меняется с глубиной.

Принято соотношение восходящей и нисходящей освещенностей выражать коэффициентом диффузного отражения R( z )

245

Рис.7.13. Ослабление освещенности с глубиной по отношению к подповерхностной. Гольфстрим. Лето.[1]. Темные кружки - нисходящая освещенность, светлые - восходящая.

Этот коэффициент меняется в пределах видимого диапазона спектра, составляя величину около 10% в его сине-голубой части, где велико рассеяние, и уменьшается до 1% в желто-красной части спектра. Это обстоятельство используется для ориентировочных оценок содержания в морской воде растворенного органического вещества и взвесей.

Восходящая освещенность частично выходит из океана в атмосферу. По аналогии с формулой (7.26) можно записать

где rB - коэффициент отражения восходящего света от поверхности

океана. Он не равен r поскольку лучи света подходящие к поверхности под углом большем или равным углу полного внутреннего отражения не выходят в атмосферу. Этот угол из закона Снеллиуса определяется формулой

Вышедший из океана поток света увеличивает отраженный свет, что приводит к кажущемуся увеличению коэффициента отражения r. Чтобы этого не происходило используют понятие альбедо,

246

248 (48,6о), подводная яркость создается прямым и рассеянным

атмосферным светом, а за пределами этого телесного угла яркость обусловлена только светом, рассеянным водой (рис. 7.15).

С увеличением глубины прямой солнечный свет постоянно рассеивается и поглощается, в результате чего максимум яркости постепенно смещается к зениту, а флуктуации яркости исчезают.

На основании рассмотренного распределения яркости в океане выделяют три слоя: подповерхностный, промежуточный, глубинный. Первый простирается до глубины видимости белого диска В нем может отмечаться прямое солнечное излучение, максимум яркости направлен на Солнце, могут отмечаться флуктуации яркости. В промежуточном слое отмечается только рассеянный свет, но максимум яркости еще направлен на Солнце, флуктуации яркости к нижней границе слоя затухают. Этот слой простирается от Zb до 4Zb. Глубинный слой простирающийся

глубже 4Zb, характеризуется тем, что максимум яркости находится в зените при любой освещенности океана и распределение яркости становится симметричным относительно вертикали.

Рис.7.15. Распределение яркости (в относит. единицах) в плоскости вертикала Солнца.[5].

Цифры над кривыми - глубина в метрах.

7.8. Уравнение переноса света в океане

Распространение светового потока естественного или искусственного происхождения в океане под любым углом к горизонту не описывается формулами освещенности. Необходимо прибегать к представлению о яркости В, которая не зависит от ориентировки освещаемой площадки. Из-за многократности рассеяния света и хаотичности распределения рассеивающих объектов в морской воде трудно проследить за трансформацией отдельного луча.

Теория переноса света формулируется в терминах лучевой оптики и базируется на фотометрических, а не электромагнитных