Текст книги "Свет в море"

Автор книги: Виталий Войтов

Соавторы: Олег Копелевич,Юлен Очаковский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 11 страниц)

Ю. Е. Очаковский, О. В. Копелевич, В. И. Войтов
Свет в море

Ответственный редактор

член-корреспондент АН СССР В. Г. Богоров

От редактора

Исследование взаимосвязи между географическим распределением оптических характеристик и гидрологическими, биологическими, геологическими факторами – одна из важнейших задач оптики моря.

Так как оптика моря является одним из разделов физики – оптики светорассеивающих сред, то это объединяет ее с оптикой атмосферы. Однако оптика моря сильно отличается от атмосферной благодаря резкому различию оптических свойств атмосферы и океана.

Если оптика атмосферы имеет солидный стаж, то оптика моря – наука молодая. Ее бурное развитие началось лишь в послевоенные годы. За последнее двадцатилетие интерес человечества к океану резко повысился. В связи с этим стали актуальными проблемы подводного освещения и видимости под водой. Развитие и совершенствование подводного телевидения, аппаратуры для кино– и фотосъемки под водой также требовали хорошего знания оптических свойств морской воды и физических законов, определяющих проникновение и распространение света под водой. С оптикой моря связаны процессы биологической продуктивности и эксплуатации живых богатств океана.

В наши дни оптикой моря занимается целый ряд научно-исследовательских учреждений страны. В сводных работах по физике моря и океанологии оптическим характеристикам всегда уделяется должное внимание. В то же время практически отсутствует научно-популярная литература, посвященная оптике моря, если не считать главы в книге В. В. Шулейкина «Очерки по физике моря» и нескольких журнальных статей.

Книга «Свет в море» призвана восполнить этот пробел. В ней рассказывается о том, как происходит распространение света в море, чем отличаются друг от друга оптические свойства различных морей и океанов, каково происхождение цвета моря, какое значение оптика моря имеет для морской биологии и других наук о море, для потребностей техники.

Член-корреспондент АН СССР

В. Г. БОГОРОВ

Предисловие

Более двух третей поверхности нашей планеты занимают моря и океаны. В них обитает огромное количество рыбы, различных моллюсков, водорослей. На океанском дне лежат богатейшие россыпи марганца и железа. Морскую воду не случайно называют жидкой рудой: ведь Мировой океан хранит в растворенном состоянии около 8 млн. т золота, 164 млн. т серебра и множество других химических элементов. Запасы же полезных ископаемых под Океанским дном поистине неисчислимы.

Велики также энергетические ресурсы океана: мировые «запасы» энергии приливов достигают 1 100 000 млн. квт, а количество дейтерия, содержащегося в морских водах, сможет обеспечить энергетические нужды человечества в течение ближайшего миллиарда лет.

Однако эти богатства используются крайне слабо. Бесконечная водная стихия для нас все еще terra incognita. Лишь XX век открыл «эру морей».

Человек все глубже проникает в море. Он приходит туда с кинокамерой и фотоаппаратом, опускает под воду телевизионную аппаратуру. Для конструирования и использования этой техники необходимо знать оптические свойства морской воды, правильно представлять себе физические законы, определяющие распространение света в море.

Знания эти важны и для некоторых других наук, например для морской биологии. Ведь жизнь в морских глубинах обязана своим существованием Солнцу, солнечной энергии, а основной процесс, в результате которого создается вся первичная продукция морей и океанов, – это фотосинтез. Биологам моря необходимы сведения о том, какое количество света проникает на ту или иную глубину в море, как изменяется световой режим в морских глубинах в течение суток и в течение года, чем отличаются условия проникновения света в различных водах.

Ответы на эти и многие другие вопросы дает оптика моря – молодая, быстро развивающаяся наука, которой и посвящается эта книга.

Рождение гидрооптики

Основная задача этой науки – изучать оптические свойства морской воды и закономерности, определяющие проникновение и распространение света в море.

Первые исследования в этой области проводил еще в начале XVIII в. французский физик Пьер Бугер, создавший фотометрию – науку о количественных измерениях света. Академик С.И. Вавилов считал, что имя Бугера в истории оптики должно стоять наряду с именами Ньютона и Гюйгенса. В своем знаменитом «Оптическом трактате»[1]1
  Бугер. Оптический трактат о градации света, т. III, М., Изд-во АН СССР, 1950.


[Закрыть] Бугер исследовал множество вопросов, связанных с измерениями света, его отражением от гладких и шероховатых поверхностей, распространением света в различных средах. Большинство из них имеет самое непосредственное отношение к морю. Бугеру принадлежит заслуга открытия одного из главных законов, определяющих распространение света в морской среде, – закона, названного впоследствии его именем. Ученый сформулировал основные принципы теории видимости предметов через освещенную мутную среду и применил ее для расчета предельной глубины их видимости под водой. По его инициативе начались лабораторные исследования морской воды.

Однако если говорить об оптических измерениях непосредственно в море, то здесь приоритет принадлежит русскому исследователю О. Е. Коцебу, который первый измерял относительную прозрачность моря с помощью погружаемых предметов. Своими успехами в первой половине XX в. наука о свете в море обязана в основном усилиям русских ученых.

В конце прошлого столетия петербургский физик О. Д. Хвольсон сформулировал уравнение переноса излучения – основное уравнение, описывающее распространение света в мутных (светорассеивающих) средах, в частности в море. Он исходил из простых физических соображений – сохранения лучистой энергии в элементарном объеме вещества. В последнее время появились работы, в которых предприняты попытки установить связь этого уравнения с уравнениями Максвелла и обосновать его законность с точки зрения электродинамики. В послевоенные годы индийский ученый С. Чандрасекар и советский физик Г. В. Розенберг модернизировали уравнение переноса, чтобы учитывать также поляризацию излучения.

В начале 20-х годов нашего века индийскому ученому Ч. Раману и советскому физику В. В. Шулейкину удалось объяснить происхождение цвета моря. Теория Рамана пригодна лишь для прозрачных вод, формула Шулейкина более общая. Несколько позднее А. Г. Гамбурцев создал еще более общую теорию: выведенная им формула для света, выходящего из моря, включает в себя формулы Шулейкина и Рамана как частный случай.

Вклад академика Шулейкина в гидрооптику не ограничивается лишь объяснением цвета моря. Он создал теорию многократного рассеяния света в море, исследовал рассеяние света взвешенными частицами и действие света на окраску различных подводных водорослей и животных. На основанной им в 1929 г. в Кацивели Черноморской гидрофизической станции в настоящее время ведутся исследования по оптике моря, широко известные как в Советском Союзе, так и за рубежом.

Одним из основоположников современной гидрооптики является также советский ученый профессор А. А. Гершун. Он создал теорию светового поля в мутных средах, послужившую основой теоретической гидрооптики. Раньше фотометрия ограничивалась лишь рассмотрением самих излучающих и поглощающих тел, а промежуточная среда, в которой распространялся свет, исключалась из рассмотрения. Гершун ввел представление о поле лучистой энергии в среде как о физическом поле и создал его математическую теорию. Гершун первый изучил многие важные вопросы фотометрии мутных сред и разработал ряд оптических приборов для наследований в море. Написанная им в 1939 г. вместе с Вс. А. Березкиным и Ю. Д. Янишевским монография «Прозрачность и цвет моря»[2]2
  Вс. А. Березкин, А. А. Гершунн, Ю. Д. Янишевский. Прозрачность и цвет моря. Л., Изд-во Военно-морской Академия ВМФ, 1940.


[Закрыть] остается до сих пор классическим произведением, посвященным оптике моря[3]3
  Список литературы, посвященной общим вопросам оптики моря, весьма невелик: глава из «Физики моря» В. В. Шулейкина, статья профессора С. Даитли в «Журнале Американского оптического общества» и глава из известной книги «The Sea», написанная американскими учеными Дж. Тайлером и Р. Прайзендорфером. Лишь в 1968 г. вышла в свет монография известного шведского гидрооптика профессора Н. Ерлова «Optical Oceanography».


[Закрыть].

Из зарубежных исследователей-гидрооптиков, работавших в 30—40-е годы, необходимо назвать имена И. Ле Грана и Г. Петтерссона. Французский ученый И. Ле Гран опубликовал несколько интересных работ, посвященных теории распространения света в море; швед Петтеросон – создатель многих гидрооптических приборов – один из первых начал проводить оптические исследования, погружая аппаратуру непосредственно в море.

Гидрооптика как наука принадлежит одному из разделов физики – оптике светорассеивающих сред (сюда же относится и оптика атмосферы). Поэтому для развития гидрооптики очень большое значение имели общетеоретические работы В. А. Амбарцумяна, В. В. Соболева, С. Чандрасекара, Г. В. Розенберга, Р. Прайзендорфера, К. С. Шифрина и Ван де Хюлста. Развитые ими методы исследования распространения излучения в светорассеивающих средах имеют прямое отношение к морю.

Уже говорилось об основном уравнении теории мутных сред – уравнении переноса излучения. Его решение позволяет получить интересующую нас информацию о световом поле в море в зависимости от условий освещения и оптических свойств морской воды в данном районе. Беда, однако, в том, что полного решения уравнения применительно к морю до сих пор еще нет. Математических трудностей, с которыми оно сопряжено, не удалось преодолеть даже с появлением электронно-вычислительных машин. Большинство современных гидро-оптических исследований основывается на результатах экспериментальных работ, которые кладутся затем в основу теоретических построений.

Особенно широкое распространение экспериментальные оптические исследования непосредственно в море получили в послевоенные годы.

В 1947–1948 гг. во время кругосветного рейса шведского научно-исследовательского корабля «Альбатрос» Н. Ерлов выполнил комплексные измерения в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. На их основе он разработал первую оптическую классификацию морских и океанских вод.

В нашей стране также широко развернулись исследования оптических свойств вод морей и океанов. В 1948–1951 гг. М. В. Козлянинов проводил обширные оптические измерения в морях, омывающих берега Советского Союза.

С вступлением в строй научно-исследовательского корабля «Витязь» в 1949 г. Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР (ИОАН) начал регулярные оптические измерения в дальневосточных морях и в Тихом океане. В это же время под руководством А. А. Гершуна и В. Б. Вейнберга в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова разрабатывались новые гидрооптические приборы.

Значительно расширило наши знания об оптических свойствах вод открытых океанских акваторий проведение Международного геофизического года и Международного геофизического сотрудничества в 1957–1959 гг. В период подготовки к этим международным исследованиям в Советском Союзе был создан первый комплект аппаратуры, предназначенный для массовых измерений оптических характеристик морей и океанов, – фотоэлектрический прозрачномер ФПМ-57, измеритель подводной освещенности ФМПО-57, спектрогидронефелометр – прозрачномер СГН-57 и гидрофотометр ФМ-46.

В эти годы интенсивно развивается раздел гидрооптики, который можно назвать оптической океанологией. Задачи оптической океанологии – изучение географического распределения и сезонной изменчивости оптических свойств вод Мирового океана и выявление связей между оптическими характеристиками, с одной стороны, и гидрологическими, биологическими и геологическими факторами – с другой.

В становлении оптической океанологии заметную роль сыграли работы И. Йозефа. На экспериментальном материале, полученном главным образом в проливах, соединяющих Северное и Балтийское моря, он показал, что между некоторыми оптическими характеристиками и гидрологическими условиями существует определенная зависимость и что различным водным массам присущи достаточно четкие оптические признаки.

В Тихом океане, кроме шведского «Альбатроса», гидрооптические измерения проводили японские, американские и австралийские исследователи.

Большой вклад в изучение оптических свойств Мирового океана внесли советские исследователи. «Витязь» в Тихом и Индийском океанах, «Михаил Ломоносов» в Атлантическом океане, «Обь» в приантарктических водах, «Академик С. Вавилов» в Средиземном и Красном морях покрыли довольно густой сетью гидрооптических станций обширнейшие акватории. На рис. 1 представлена карта Мирового океана с гидрооптическими станциями (из них почти 75 % принадлежит советским экспедициям).

Одновременно с экспедиционными работами ведутся экспериментальные и теоретические исследования светового поля, создаваемого естественными и искусственными источниками; изучаются условия видимости под водой (большая заслуга в этом принадлежит американским ученым Дантли, Тайлеру и Прайзендорферу).

Французский гидрооптик А. А. Иванов большое внимание уделяет поляризации естественного света, видимости под водой и оптическим свойствам морских вод. Широкую известность приобрели работы Ж. Ленобль. Несомненно интересны изыскания А. Мореля, изучающего процессы рассеяния в море.

Наряду с измерениями непосредственно в море широко развиваются исследования на искусственных средах, моделирующих оптические свойства морских вод. Работы, проведенные В. А. Тимофеевой в Морском гидрофизическом институте АН УССР и А. П. Ивановым в Институте физики АН БССР, позволили исследовать в лабораторных условиях многие закономерности распространения света в океане.

Оптика моря – органическая часть большого комплекса наук, изучающих физические свойства вод Мирового океана. Ее успехи неразрывно связаны с развитием океанологии в целом.

Поглощение и рассеяние света в морской воде

Вряд ли кого удивит тот факт, что дневной свет, распространяясь в толще моря, ослабевает с глубиной. А вот почему это происходит? На этот вопрос, вероятно, ответит далеко не каждый.

Каким образом вода «борется» с лучом света, пытающимся проникнуть в ее толщу? В чем заключается физический смысл процесса ослабления света водой?

Чтобы детально разобраться в этом, надо познакомиться с двумя процессами, взаимное воздействие которых на свет и приводит к его ослаблению в воде. Одним из этих процессов является поглощение, а вторым – рассеяние.

Свет превращается в тепло

Поглощаясь, световая энергия переходит в другие виды энергии, в частности в тепловую. Кажется, все ясно. Но стоит на мгновение задуматься – и сейчас же возникают вопросы: почему световая энергия поглощается морем, каков механизм этого процесса, каким образом свет превращается в тепло? И вот здесь-то мы и попадаем в дебри атомной физики. Чтобы ответить на возникшие вопросы, надо от понятия «свет» перейти к понятию «квант энергии», а от толщи моря – к молекуле воды.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк создал квантовую теорию излучения света. Эта теория получила свое дальнейшее развитие в работах А. Эйнштейна, который доказал, что излучение, распространение и поглощение света происходит в виде отдельных порций света – квантов, т. е. своеобразных частиц световой энергии, впоследствии получивших наименование «фотоны» (от греческого слова photos – свет). Чем же они характеризуются?

Фотону присущи многие свойства материальной частицы. Так, он обладает энергией, количеством движения (импульсом) и массой, которые можно определить следующим образом: энергия W = hv; импульс p = hv/c; масса m = hv/c², где h – постоянная Планка (6,6∙10^-34 дж∙сек); с – скорость света в вакууме (3∙10⁸ м∙сек^-1); v – частота, с которой фотон был излучен, определяемая из соотношения v = c/λ сек^-1, где λ – длина волны света.

Но все же фотон не материальная частица. Все дело в том, что его масса – это масса движения. Масса покоя фотона равна нулю. Другими словами, фотон существует, пока он движется.

Особенность квантовой теории света состоит еще и в том, что эта теория отнюдь не отрицает волновую природу света. Как мы видели, квант энергии количественно выражается через волновую характеристику – частоту световых колебаний

Мириады фотонов пронизывают верхнюю толщу моря со скоростью света (в воде эта скорость в 1,34 раза меньше, чем в воздухе) и несут с собой огромные запасы энергии, излучаемой Солнцем. Представить себе количество фотонов, находящихся в данный момент в океане, так же трудно, как оценить количество содержащихся в нем молекул, исходя из того, что в 1 м³ воды их 3,34∙10²⁵.

Но все же примерный подсчет показывает, что летом где-нибудь на Южном берегу Крыма в солнечный день 1 м² поверхности моря пересекает в одну секунду около 2,7∙10²¹ фотонов. По одному количеству фотонов трудно судить об энергии, приносимой ими в море. Дело в том, что энергия фотонов различна и, как следует из приведенных выше формул определяется частотой, с которой фотоны были излучены, т. е. длиной волны света. Фотонам различной «окраски» соответствует разная энергия.

Пользуясь существующим соотношением, подсчитаем, какой же энергией обладает фотон фиолетового с длиной волны 380 нм[4]4
  1 нм = 10^-9 м = 10 А


[Закрыть] и фотон красного света, имеющий длину волны 770 нм:

джоулей = 3,3 эв;

джоулей = 1,6 эв.

Таким образом, фиолетовый свет вдвое энергичнее красного. В свою очередь это приводит к определенным различиям во взаимоотношениях фотонов с молекулами воды. Для того чтобы понять их характер и то, как лучистая энергия преобразуется в тепловую, надо обратиться к молекуле воды (рис. 2, а).

Она состоит из двух положительно заряженных атомов водорода и одного отрицательно заряженного атома кислорода. Атомы располагаются по вершинам равнобедренного треугольника и удерживаются относительно друг друга «пружинами» энергетических связей. Подобная система обладает определенным запасом кинетической энергии и находится в непрерывном движении: атомы на своих «пружинах» совершают упругие колебания с определенным размахом, а молекула в целом может перемещаться и вращаться относительно любой из осей х, у или z.

В воде отдельные молекулы Н₂O стараются сгруппироваться в ассоциации в виде своеобразных тетраэдров (рис. 2, б). В силу электрического характера межмолекулярных связей каждый отрицательно заряженный атом кислорода тянется к положительному атому водорода. Такой контакт молекул носит название водородной связи.

Попытаемся теперь проследить механизм преобразования лучистой энергии фотона в другие виды энергии, в частности в тепловую энергию движения молекул.

Как известно, тепловой энергией тела называют энергию неупорядоченного движения его молекул. Интенсивность этого движения определяется запасом кинетической энергии, которым обладают молекулы.

Далее представим себе, что в одну из молекул ударит квант световой энергии – фотон. Что может произойти? Молекула поглощает фотон, т. е. увеличивает свою энергию на величину, равную энергии поглощенного фотона, или, как говорят физики, происходит возбуждение молекулы. Хотя в возбужденном состоянии молекула находится очень недолго (порядка 10^-8—10^-9 сек), но за это время она тем не менее может успеть пройти расстояние, отделяющее ее от соседней молекулы, находящейся в невозбужденном состоянии, и передать ей излишек своей энергии.

Таким образом, энергия поглощенного фотона превращается в энергию колебательного, вращательного и поступательного движения молекул, т. е. в тепловую энергию. Растолкав в своем движении соседние молекулы и отдав им избыточную энергию, приобретенную у поглощенного фотона, наша молекула вновь ждет встречи со следующим фотоном. Но каждая ли встреча с квантом энергии кончается для молекулы благополучно? Оказывается, нет. Достаточно молекуле воды поглотить фотон, обладающий энергией 5,1 эв, и она может перестать существовать как единое целое. Такой фотон разрывает внутренние связи молекулы воды, и она распадается (диссоциирует) на Н и OH, а если энергия фотона была 9,5 эв, то на Н – О—Н[5]5
  Эти цифры относятся к молекуле Н₂O, когда она находится в газообразном состоянии.


[Закрыть].

Рис. 2. Строение молекул воды (а) и их взаимное расположение (б)

Может ли свет в море произвести такое разрушение молекул? К счастью, нет. Ведь энергия фотонов видимого света, распространяющегося в море, не превышает, как мы рассчитывали, 3,3 эв. Это разрушение могли бы вызвать фотоны ультрафиолетового света, имеющие длину волны излучения менее 240 нм. Однако, как мы узнаем в дальнейшем, такой свет практически полностью задерживается атмосферой и не достигает поверхности моря. А вот для нарушения водородной связи, т. е. разрушения ассоциаций молекул, энергии видимого света достаточно, ибо энергия водородных связей меньше 1 эв. Таким образом, свет, проникающий в толщу моря, заставляет молекулы воды беспрерывно перемещаться, соединяться друг с другом и делиться энергией, полученной у поглощенных фотонов. Причем обладающий меньшей энергией красный свет поглощается быстрее синего и подавляющая часть его лучистой энергии переходит в тепловую.

Обладающий большей энергией синий фотон способен более длительное время противиться поглощению. При столкновении с молекулой он лишь несколько изменяет направление своего движения, но продвигается дальше. Только после многократных столкновений он в конце концов поглощается при очередной встрече с молекулой воды.

Совокупность этих, казалось бы, ничтожно малых процессов, умноженная на их массовость, обусловливает в конечном счет движение вод в океане, их температуру и жизнедеятельность организмов, населяющих его толщу.

Но поглощенная энергия преобразуется не только в тепловую. Поглощенный клетками фитопланктона, находящимися в морской воде, квант световой энергии приводит к химической реакции синтез вещества в молекулах белка и вызывает процесс обмена веществ, т. е. производит фотохимическое или фотобиологическое действие.

Так как фотоны в зависимости от частоты (т. е. от длины волны света) обладают, как мы убедились, различной энергией, то и поглощаются по-разному. Как же оценить это поглощение количественно?

Способность любого вещества поглощать свет характеризуется его показателем поглощения.

Направим на тонкий слой вещества луч света. Количество фотонов (ΔN), поглощенных этим слоем, будет пропорционально его толщине (Δz) и числу N фотонов, падающих на этот слой: ΔN = ϰNΔz.

Коэффициент пропорциональности ϰ в этой формуле зависит только от поглощающих свойств данного вещества и носит название показателя поглощения. С физической точки зрения он равен вероятности того, что фотон, пробегая в веществе слой единичной толщины, будет поглощен в этом слое.

Измеряется показатель поглощения в единицах, обратных единицам длины: см^-1, м^-1, км^-1. В оптике моря используют м^-1.

Показатель поглощения является спектральной величиной, т. е. его значения зависят от длины волны света. Способность воды избирательно поглощать свет различных длин волн называется селективностью.

Насколько отличаются показатели поглощения (в пределах видимой области спектра) у дистиллированной воды, видно из следующих данных:

Цвет	Фиолетовый	Синий	Зеленый		Оранжевый	Красный
НМ	400	450	500	550	600	650	700
м-1	0,0050	0,0013	0,0025	0,015	0,091	0,15	0,26

Как видим, поглощение красного света в сотни раз больше, чем сине-зеленого. Но приведенные показатели характеризуют поглощение света собственно молекулами воды. В морской воде это процесс гораздо более сложный, ибо фотоны поглощаются не только молекулами, но и растворенными в воде веществами органического и неорганического происхождения.

В ней растворены практически все известные нам химические элементы. Профессор Н. Н. Зубов писал: «…если некоторые из них (элементов. – Авт.) до сих пор не обнаружены, то это надо приписать скорее неточности методов определения, чем действительному их отсутствию»[6]6
  Н. Н. Зубов. Морские воды и льды. М., Гидрометеоиздат, 1938.


[Закрыть].

Больше всего в морской воде содержится солей натрия, калия и магния. Морская вода обладает одним удивительным свойством: постоянством своего солевого состава. Концентрация растворенных солей в океане может в зависимости от местных условий меняться в довольно широких пределах, но соотношение между основными солями остается неизменным.

Чем же отличается (с точки зрения поглощающих свойств) морская вода от дистиллированной?

Еще в 1927 г. очень интересные измерения проделал американский ученый Е. Хальбарт. Справедливо считая, что поглощение в морской воде обусловлено как самой водой, так и растворенными в ней солями, он исследовал молекулярные коэффициенты поглощения NaCl, KCl, MgCl₂, MgSO₄ и CaSO₄. В результате измерений Хальбарт установил; что в видимой области спектра поглощение дистиллированной водой мало отличается от поглощения в хорошо отфильтрованной чистой морской воде. А вот в ультрафиолетовой области спектра растворенные соли резко увеличивают показатель поглощения.

В море кроме солей растворены еще и органические вещества, которые увеличивают поглощение и меняют (по сравнению с дистиллированной) селективность морской воды. Особенно это присуще водам, содержащим большое количество таинственного «желтого вещества».

Последние исследования ученых и. главным образом фундаментальные работы немецкого океанолога К. Калле показали, что «желтое вещество» состоит из свободных углеводов и свободных аминокислот, образующихся в результате распада органических веществ, конечный продукт которого – гуминовые соединения, имеющие желтый цвет и весьма устойчиво сохраняющиеся в водах моря. Эти соединения содержатся во всех морях и океанах, но особенно много их в районах высокой продуктивности, богатых органическими веществами. Присутствие «желтого вещества» значительно изменяет спектральную кривую поглощения морской воды (рис. 3). У вод Балтийского моря, богатых «желтым веществом», показатель поглощения выше, чем у чистых вод, а его минимум смещен в более длинноволновую часть спектра.

Эта разница в значениях показателей поглощения и в их спектральном распределении может заметно сказаться на температуре поверхностного слоя моря. При прочих равных условиях (количество упавшей энергии, интенсивность перемешивания и т. п.) воды с повышенной концентрацией «желтого вещества» будут лучше прогреты, чем такой же слой чистых океанских вод. Грубо говоря, мутные воды более теплые, чем чистые. Если одно и то же количество световой энергии будет поглощено, т. е. в значительной степени преобразовано в тепловую, в тонком слое мутной воды, то этот слой будет нагрет сильнее, чем более толстый слой чистой воды, поглотивший ту же энергию.

Наряду с другими факторами данное явление определяет более бурное протекание процесса фотосинтеза, т. е. образования фитопланктона, в водах с повышенным содержанием «желтого вещества». Это один из примеров взаимообусловленности процессов, происходящих в море.

Таким образом, поглощение света в морской воде вызывается как поглощением молекулами самой воды, так и растворенными в ней неорганическими и органическими веществами. Мы уже говорили о том, что в видимой области спектра неорганические соли оказывают слабое влияние на поглощение света; следовательно, различие в спектральных кривых поглощения морской воды может возникать только за счет различия в количестве и характере растворенного в воде органического вещества[7]7
  Мы здесь умышленно не рассматриваем поглощение на взвешенных в воде частицах, так как эти частицы вносят гораздо больший вклад в процесс рассеяния света, чем в его поглощение.


[Закрыть].

Показатель поглощения – одна из важнейших гидрооптических характеристик, знание которой необходимо для различных расчетов, связанных с распространением света в море. А вот как его измерить?

Рис. 3. Спектральные кривые показателей поглощения дистиллированной воды (1), отфильтрованной морской воды (2), естественных вод Атлантического океана (3) и Балтийского моря (4)

Рис. 4. Спектральные кривые ослабления света морской водой, измеренные различными приборами:

1 – обычным спектрофотометром (рассеяние совершенно скрадывает эффект поглощения);

2 – с помощью молочного стекла (хорошо видны пики поглощения хлорофилла у 440 и 675 нм)

Еще в конце XIX в. появились более или менее точные данные о поглощающей способности воды. Так, Г. Гюфнер и Е. Альбрехт, направляя солнечный свет в трубки с водой, определили ослабление водой различных участков видимого спектра. Затем на дистиллированной и озерной воде выполнил измерения О. Ауфзесс. Эти определения долгое время считались классическими. Данные об ослаблении света водой в инфракрасной области спектра были получены Ашкинассом. В диапазоне длин волн от 360 до 800 нм тщательные исследования провел Джемс.

Все указанные измерения, как правило, производились на пробах воды, залитых в трубки со стеклянными торцевыми крышками. Трубки затем помещались в различного типа спектрофотометры. Луч света определенной длины волны пропускался через слой воды известной толщины. По отношению интенсивности света, прошедшего через воду, к интенсивности падающего света вычислялся спектральный показатель поглощения.

Здесь необходимо сделать одну оговорку. Мы уже указывали на то, что свет в воде ослабляется под воздействием двух процессов: поглощения и рассеяния. Поэтому при измерениях поглощения описанными методами надо было быть уверенным, что свет, проходивший через трубку с водой, только поглощался, а не рассеивался.

Как известно, спектральный анализ широко применяется при исследовании содержания и состава различных веществ. Измерив спектр поглощения исследуемой системы (т. е. зависимость показателя поглощения от длины волны света), по положению максимумов и минимумов поглощения в этом спектре можно судить о составе и количестве присутствующих веществ. К морской воде, где рассеяние, как правило, значительно превышает поглощение, обычные методы спектрального анализа неприменимы. Ведь к потерям света в результате поглощения обязательно добавятся потери из-за рассеяния, которые могут значительно исказить истинную спектральную зависимость поглощения (рис. 4). Определение истинного поглощения в рассеивающей среде (в частности, в морской воде) – серьезная проблема, не решенная до конца и в настоящее время. Измеряя поглощение в лабораториях, исследователи пускаются на различные хитрости, чтобы собрать в приемнике вместе с прошедшим и весь рассеянный свет. Один из таких методов был предложен японским профессором Сибата в 1954 г. Между приемником и кюветой помещают рассеивающее опаловое стекло, а стенки кюветы покрывают зеркально отражающим слоем с целью увеличить долю рассеянного света, попадающего в приемник. Как видно из рис. 4, этот метод позволяет в значительной степени избавиться от вредного влияния рассеяния.

Существуют также методы определения показателя поглощения в рассеивающих средах, основанные на теории светового поля. Применение этих методов требует погружения измерительной аппаратуры непосредственно в море.