Текст книги "Свет в море"

Автор книги: Виталий Войтов

Соавторы: Олег Копелевич,Юлен Очаковский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 11 страниц)

Спектральный состав солнечного света на различных глубинах

Мы уже знаем, как происходит ослабление направленного светового пучка в светорассеивающей среде, как формулируется закон Бугера, что такое показатель ослабления света. Если рассматривать поведение не какого-то отдельного светового пучка, а, всего потока света, распространяющегося от поверхности в глубь моря, то мы увидим, что ослабление этого потока с глубиной в первом приближении также подчиняется показательному закону: Ф_z = Ф₀∙10^-αz (Ф₀ – величина светового потока непосредственно под поверхностью моря; Ф_z – величина потока, достигающего глубины z). Показатель α в этой формуле носит название показателя вертикального ослабления и его не следует путать с показателем ослабления ε. Эти два показателя значительно отличаются друг от друга по величине. Показатель ослабления ε используется для оценки ослабления светового пучка, распространяющегося в каком-то одном направлении, и складывается из поглощения и всего рассеяния. Показатель вертикального ослабления α характеризует ослабление всего нисходящего светового потока в море (т. е. потока, составленного из множества «элементарных» световых пучков различных направлений). Он складывается из поглощения и лишь небольшой доли рассеяния (ведь мы уже говорили, что большая часть рассеянного света по-прежнему распространяется в глубь моря). Ясно, что показатель вертикального ослабления α будет всегда значительно меньше, чем показатель ослабления ε. Например, в Черном море, когда показатель ослабления ε составлял 0,17 м^-1, показатель вертикального ослабления а оказался равным всего лишь 0,04 м^-1.

Столь большая разница имеет огромное значение для распространения света в море. Действительно, ослабляясь со значением показателя 0,04 м^-1, нисходящий световой поток на глубине 100 м уменьшается в 10 000 раз, в то время как, если бы он ослаблялся со значением показателя 0,17 м^-1, он уменьшился бы на этой глубине в 100 000 000 000 000 000 раз, т. е. его практически нельзя было бы обнаружить. На величину показателя вертикального ослабления α влияет характер освещения поверхности моря (в верхних слоях он зависит от высоты Солнца) и глубина. Это происходит и благодаря неоднородности оптических свойств морской воды по вертикали и вследствие изменения с глубиной состава излучения. После наступления глубинного режима показатель α уже не меняется и его значение зависит только от оптических свойств среды.

Величина показателя вертикального ослабления α зависит от длины волны света. Различные участки солнечного спектра ослабляются в море неодинаково, и спектральный состав света с глубиной изменяется.

Известно, что спектральные зависимости поглощения и рассеяния света в морской воде различны в разных водах. Вследствие этого по-разному зависит от длины волны света и показатель вертикального ослабления α. Эти различия легли в основу классификации типов морских вод, разработанной Н. Ерловым.

Океанские воды делятся на три основных типа, причем между типами I и II находятся еще два промежуточных (IA и IB). Прибрежные воды более разнообразны по своим свойствам: основываясь на результатах своих измерений вблизи побережья Скандинавии и Северо-Западной Америки, Ерлов подразделил их на девять типов. На рис. 32 и 33 показано, как уменьшается с глубиной нисходящий световой поток в водах различного типа, и даны спектральные кривые пропускания этих вод. Рис. 34 иллюстрирует спектральное распределение солнечного света на различных глубинах в самых чистых океанских водах.

Общим свойством всех типов морской воды является сильное ослабление с глубиной красного участка спектра. Исчезновение красного света из распространяющегося в глубь моря светового потока может привести к неожиданным цветовым эффектам под водой. Об одном из таких эффектов рассказывают Ж.-И. Кусто и Ф. Дюма. Удивительная картина открылась перед ними, когда на глубине нескольких десятков метров Дюма (Диди) ранил гарпуном большую рыбу-лихию:

«…Кровь была зеленая! Ошеломленный этим зрелищем, я подплыл ближе, глядя на струю, вместе с которой из сердца рыбы уходила жизнь. Она была изумрудного цвета. Мы недоумевающе переглянулись. Сколько раз мы плавали среди лихий, но никогда не подозревали, что у них зеленая кровь. Крепко держа гарпун со своим поразительным трофеем, Диди пошел вверх. На глубине пятидесяти пяти футов кровь стала коричневой. Двадцать футов – она уже розовая, а на поверхности растеклась алыми струями»[18]18
  Ж.-И. Кусто, Ф. Дюма. В мире безмолвия…


[Закрыть].

Рис. 32. Ослабление нисходящего светового потока с глубиной в водах различных типов (% от падающего на поверхность)

Рис. 33. Спектральные кривые пропускания (% на 1 м) исходящего светового потока водами различных типов

Рис. 34. Спектральное распределение света на разных глубинах в самых чистых океанских водах

Для того чтобы понять причины этого интересного явления, нужно выяснить, а чем же вообще определяется видимый цвет какого-либо предмета. Ответить коротко на этот вопрос не просто – ведь восприятие цвета человеческим глазом вызывается рядом причин. Главная из них – спектральный состав света, отраженного предметом. Каждая поверхность отражает свет различных спектральных участков по-разному. Например, красный цвет объекта означает, что он отражает красные лучи лучше других. Цвет предмета зависит и от того, каким светом он освещен. Так, если направить на красный предмет световой пучок, в котором красный цвет практически отсутствует, предмет уже не будет казаться красным (если красного цвета нет в падающем пучке, его не будет в отраженном).

Освещая ярким белым светом морские глубины, можно увидеть настоящие цвета подводного царства. Вот как описывают богатство его красок авторы книги «В мире безмолвия»:

«На глубине ста пятидесяти футов Диди навел рефлектор на склон рифа и включил свет. Риф буквально взорвался красками!

Луч света выявил ослепительную гамму; преобладали сочные оттенки красного и оранжевого цветов. Яркость красок напоминала о картинах Матисса. Впервые после сотворения мира озарилось светом все великолепие палитры сумеречной зоны. Мы упивались невиданным зрелищем. Даже рыбы никогда не видели ничего подобного. Почему такое богатство оттенков собралось там, где нельзя его оценить? И почему в глубинах преобладал красный цвет, который первым отфильтровывается в верхних слоях? Какие краски таятся еще глубже, в области вечного мрака?»

Существует ли предельная глубина проникновения солнечного света?

Многие исследователи часто задавали вопрос: а на какой глубине в море вообще исчезает солнечный свет? Подобную задачу в общем виде еще два века назад сформулировал Пьер Бугер: «Зная из опыта уменьшение, претерпеваемое светом при прохождении известной толщи прозрачного тела, определить толщину, которую необходимо придать телу, дабы сделать его непрозрачным»[19]19
  П. Бугер. Оптический трактат о градации света…


[Закрыть].

При этом Бугер считал, что Солнце становится полностью невидимым, если его свет ослабить в 900 млрд. раз.

Мы легко можем найти такую глубину в море, если зададимся соответствующим значением показателя вертикального ослабления α. В прозрачных водах для сине-зеленого участка спектра оптимальная величина α равна приблизительно 0,02 м^-1. Подставляя это значение α в формулу: Ф_z / Ф₀ = 10^-αz, без труда находим глубину, на которой солнечный свет ослабляется в 10¹² раз: z = 12 / 0,02 = 600 м. В более мутных водах эта глубина, естественно, будет значительно меньше.

Американский биолог Биб, опустившись в батисфере почти на километровую глубину, смог собственными глазами увидеть наступление этого «царства вечной ночи»: «Тьма на глубине 750 метров казалась черней, чем можно вообразить, – и все же теперь (на глубине около 1000 м) она казалась чернее черного. Казалось, все предстоящие ночи в верхнем мире будут восприниматься только как относительные ступени сумерек. И никогда более не мог я применять слово „черный“ с твердым убеждением»[20]20
  В. Биб. На глубине километра. М.—Л., Детгиз. 1937.


[Закрыть].

И все же современные приемники света – фотоэлектронные умножители – позволяют фиксировать наличие солнечного света и на таких глубинах. Ведь самые чувствительные из этих приемников способны улавливать даже отдельные фотоны!

Расчет показывает, что если в ясный солнечный день опустить такой приемник на глубину 1000 м, то в прозрачных водах (со значением показателя вертикального ослабления α=0,02 м^-1) он будет регистрировать попадание примерно одного фотона в секунду.

Солнечный свет проникает и на большие глубины. Глубины 1200 м достигнет лишь один фотон из каждых 10²⁴, падающих на поверхность моря; здесь наш приемник фиксировал бы попадание фотона примерно один раз в сутки. На глубине 1500 м – один раз в 300 лет!

Вероятность проникнуть на дно Марианской впадины – самого глубокого места в океане – у фотона солнечного света настолько мала, что вряд ли такое событие произойдет хотя бы один раз за всю историю человечества.

Поляризация света в море

С точки зрения классической физики свет представляет собой электромагнитные волны.

Изменяющееся во времени электрическое поле, создаваемое каким-либо излучателем, вызывает появление переменного магнитного поля, причем направление колебания этого магнитного поля перпендикулярно к направлению электрических колебаний. Изменение магнитного поля в свою очередь порождает переменное электрическое поле, снова возбуждающее переменное магнитное поле, и т. д.

Возникшее электромагнитное поле не остается неподвижным в пространстве, а распространяется с колоссальной скоростью 300000 км/сек[21]21
  300 000 км/сек – скорость света в вакууме. В воде она составляет приблизительно 225 000 км/сек.


[Закрыть] вдоль линии, перпендикулярной к направлениям электрических и магнитных колебаний.

Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитные волны, длины которых лежат в диапазоне от 380 до 760 нм. Однако под термином «свет» часто понимают не только видимое излучение, но и более короткие волны – ультрафиолетовые (длина волны от 10 нм), и более длинные – инфракрасные (длина волны до 340 мк).

Рассмотрим, как происходят колебания электрического поля. Мы уже говорили выше, что они совершаются перпендикулярно направлению распространения световой волны. Однако в плоскости, перпендикулярной к этому направлению, они могут быть ориентированы самым различным образом (рис. 35, 1). В так называемом естественном свете, который, например, посылает Солнце, электрические колебания происходят по всем возможным направлениям, лежащим в этой плоскости.

Поместим на пути такого света плоскопараллельную пластинку, вырезанную из кристалла, свойства которого различны по разным направлениям (кристалл анизотропен). Через пластинку пройдут лишь те световые волны, у которых колебания электрического поля происходят параллельно оси кристалла.

Свет, в котором электрические колебания совершаются лишь в одном-единственном направлении, носит название линейно (или плоско) поляризованного света (рис. 35, 2). Наглядное представление о таком свете можно получить, рассматривая колебания длинного резинового шнура. Если быстро поднимать и опускать свободный конец привязанного шнура, то по шнуру побежит волна, причем каждая его точка будет колебаться строго вертикально в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Перед нами вертикально поляризованная волна. Примерно то же самое происходит и в световой волне, только там мы имеем дело не с механическими колебаниями частиц шнура, а с периодическими изменениями электрического поля. Если двигать конец шнура не вертикально (вверх – вниз), а горизонтально (влево – вправо), то по шнуру побежит горизонтально поляризованная волна. Возможны и другие, более сложные типы поляризации: круговая или эллиптическая (рис. 35, 3, 4). Для этого нужно быстро вращать конец шнура по кругу или эллипсу.

Существуют специальные оптические устройства, позволяющие получать поляризованный свет любого из указанных выше типов. Эти устройства получили название поляризаторов.

Рис. 35. Колебания электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения световой волны:

1 – естественный свет; 2 – различные случаи линейно поляризованного света; 3 – круговая поляризация; 4 – различные случаи эллиптической поляризации

Поляризация света редко бывает полной: обычно рвет поляризован частично, т. е. представляет собой смесь естественного и поляризованного света. Полнота поляризации характеризуется степенью поляризации, которая представляет собой отношение интенсивности полностью поляризованной компоненты к общей интенсивности пучка. Степень поляризации обычно выражают в процентах: 0 % соответствует естественному свету, 100 % – полностью поляризованному.

Не следует думать, что поляризованный свет возникает только искусственным путем. Совсем наоборот, поляризация света – очень распространенное явление в природе: оно происходит и при отражении, и при преломлении, и в процессе рассеяния.

Еще в 1809 г. французский астроном Доминик Араго обнаружил, что солнечный свет, рассеянный атмосферой, поляризован. За 160 лет, прошедших со времени этого открытия, ученые-оптики добились больших успехов в исследовании поляризации света в атмосфере, и сейчас это явление уже хорошо изучено.

Первые измерения поляризации дневного света под водой были проведены лишь в 1954 г. На 20 лет раньше началось изучение поляризации света при отражении от поверхности моря. В настоящее время это явление практически используется в морском деле: поляризаторы, устанавливаемые в наблюдательных приборах, отсекают отраженный поверхностью моря свет, мешающий наблюдению за подводными объектами.

Максимальная глубина, на которой проводилось измерение подводной поляризации, – 200 м. Установлено, что рассеянный свет под водой поляризован линейно, и отмечалась довольно высокая степень поляризации – до 60 %. С глубиной степень поляризации уменьшается, причем в поверхностном слое (20–30 м) это уменьшение происходит особенно быстро. На больших глубинах степень поляризации остается практически постоянной.

Особенный интерес, проявляемый к поляризации света в море, связан с одним любопытным явлением. Оказывается, поляризация света влияет на поведение некоторых водных организмов и определяет во многих случаях закономерности их передвижения.

Способность ориентироваться по положению плоскости поляризации линейно поляризованного света была обнаружена впервые в 1948 г. у медоносной пчелы. Австрийский биолог Карл Фриш обратил внимание, что пчела-разведчица, указывая посредством «виляющего танца» направление к месту взятка, правильно ориентирует свой танец только тогда, когда видит хотя бы кусочек голубого неба. Но ведь свет небесного свода всегда поляризован. Вот Фриш и предположил, что этот поляризованный свет неба является для пчел своеобразным компасом, позволяющим им правильно ориентироваться в пространстве. Он поставил ряд опытов, которые полностью подтвердили справедливость его гипотезы. Позднее способность реагировать на поляризацию света была обнаружена и у многих других членистоногих: жуков, бабочек, муравьев, пауков. Свойством различать линейно поляризованный свет с разным направлением колебаний обладает и человеческий глаз. Однако если у человека это просто любопытная и даже мало кому известная особенность зрения, то для беспозвоночных такая способность играет в ряде случаев важную роль в их жизни. Например, рачок-бокоплав может правильно ориентироваться в воде лишь тогда, когда видит над собой Солнце или участок голубого неба. Если поместить над ним поляризатор и медленно вращать его, то соответственно начинает поворачиваться и рачок. К поляризации света чувствительны и многие другие водные животные: плавающие ветвистоусые раки, дафнии, водяные клещи, мечехвосты.

Механизм этого интересного явления в настоящее время еще полностью не выяснен.

Как измеряется естественный свет в море

Как уже упоминалось, измерениям света в море многие годы сопутствовало одно принципиально ошибочное представление: желание найти глубину, которую дневной свет уже не достигает. Совершенно естественно, что такая граница не найдена и до сего времени, так как с усовершенствованием методов измерений и повышением чувствительности приемников, реагирующих на излучение, свет и регистрировался все на больших и больших глубинах. Весь вопрос заключается в том, о каких количествах световой энергии идет речь: десятки ли это люксов (если говорить об освещенности) или отдельные фотоны, регистрируемые высокочувствительными приборами.

Первые попытки измерений света в толще моря, предпринятые во второй половине XIX в., были связаны с использованием фотохимической реакции в некоторых жидкостях и газах. При этом исходили из известного закона Бунзена о том, что продукция фотохимической реакции пропорциональна произведению интенсивности облучения на время экспозиции. На этом принципе был основан хлористоводородный актинометр Реньяра, в котором воздействие света оценивалось по убыли газовой смеси. В 30-е годы нашего века Аткинс предложил фотохимический фотометр, в котором использовалось разложение щавелевокислого урана. Достоинство этих приборов – относительная простота устройства, но они измеряли освещенность только в самых верхних слоях моря, и то при условии очень длительной экспозиции.

Примерно в то же время начинают применяться фотографические пластинки, а несколько позже – и фотопленки. При всем разнообразии конструкций фотометров с использованием фотографических пластинок принцип измерения сводился к следующему.

Помещенная в герметический корпус со стеклянным иллюминатором пластинка погружалась в море на ту или иную глубину. Затем с помощью грузика, опускавшегося по тросу, открывался затвор фотометра. После определенной выдержки (время которой фиксировалось) второй грузик закрывал затвор. Под воздействием света пластинка темнела. Сравнивая степень потемнения этой пластинки с аналогичной, но подвергшейся освещению эталонным источником света, определяли (с учетом времени экспозиции) условия освещенности на глубине проведения измерений. Когда вместо пластинок применялась фотопленка, в прибор устанавливался часовой механизм, через определенные промежутки времени перематывавший пленку.

Обработка результатов измерений требовала исключительной скрупулезности, а точность полученных результатов была весьма невысока. С помощью таких фотометров удавалось обнаружить свет на глубинах, превышающих 1000 м. Правда, для этого требовалось экспонировать пластинку более часа. Известен опыт, при котором пластинка выдерживалась на глубине 1700 м в течение двух часов, но не обнаружила признаков почернения.

В начале XX в. для измерений стали использовать физическое явление, называемое фотоэлектрическим эффектом, т. е. способность некоторых веществ создавать электрический ток или изменять его величину под воздействием света.

Лучи света, падая на поверхность металлической пластинки (для данной цели используются такие щелочные металлы, как калий или цезий), передают свою энергию электронам, находящимся внутри металла. Приобретенная энергия увеличивает скорость их движения, и электроны могут преодолеть силы, удерживающие их внутри металла, и вылететь за пределы его поверхности, создавая таким образом фотоэлектронную эмиссию с поверхности пластинки (фотокатода). Это элементарное описание фотоэлемента с внешним фотоэффектом. На явлении внешнего фотоэффекта основано действие фотоэлектронных умножителей.

Если вместо металлической пластинки взять стеклянную, нанести на нее светочувствительный слой полупроводникового вещества (например, селена, сернистого таллия, сернистого висмута и т. п.), подключить полученное устройство к внешней цепи и осветить пластинку, то можно наблюдать явление внутреннего фотоэффекта. Под действием света уменьшается внутреннее сопротивление полупроводника. Такие устройства получили наименование фотосопротивлений.

В гидрофотометрии наибольшее применение нашли фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое. Они также изготовляются из полупроводников – селена, германия, кремния и т. п. Их основным достоинством является возможность получения значительного фототока при освещении активной поверхности без всякого внешнего источника электродвижущей силы.

Применение приемников излучения, действие которых основано на явлении фотоэффекта (фотоэлементов), позволило провести многочисленные измерения освещенности в различных районах Мирового океана.

Принцип действия практически всех современных подводных, фотометров базируется на использовании закона, открытого Столетовым, о том, что величина тока, вырабатываемого фотоэлементом, прямо пропорциональна падающему на него световому потоку. Поэтому, регистрируя значения фототока на различных глубинах, мы можем определить освещенность на интересующем нас горизонте. Естественно, что каждый гидрофотометр проходит предварительную градуировку на фотометрической скамье, где определяется, какой отсчет регистрирующего прибора соответствует тому или иному значению освещенности.

В качестве датчика в гидрофотометрах чаще всего применяют селеновый фотоэлемент с запирающим слоем.

На рис. 36 в схематическом виде изображено устройство такого фотоэлемента. На железную пластинку 1 нанесен слой селена 2, на который напыляется очень тонкая (тысячные доли микрона) золотая или платиновая полупрозрачная пленка 4. В процессе обработки фотоэлемента на поверхности селена образуется тонкий запирающий слой 3. На полупрозрачную золотую пленку накладывается контактное кольцо 5. Вторым электродом является железная пластинка. Весь фотоэлемент помещается в изолирующий пластмассовый корпус 6.

Кроме простоты устройства селеновый фотоэлемент обладает еще одним немаловажным достоинством: его спектральная чувствительность близка к чувствительности человеческого глаза. Из всех известных в настоящее время фотоэлементов селеновый легче всего откорректировать с помощью светофильтров, так чтобы его чувствительность соответствовала кривой видности глаза (рис. 37).

Для измерений в море фотоэлемент помещается в герметический корпус, иллюминатор которого делается из толстого молочного стекла и имеет выпуклую форму. Нужно это для того, чтобы на поверхности фотоэлемента собирался весь свет, рассеянный в верхней (или в нижней, если иллюминатор направлен вниз) полусфере, а не только лучи, отвесно падающие на приемник излучения.

Внешний вид одного из первых промышленных образцов измерителя подводной освещенности (ФМПО-57) показан на рис. 38. Прибор имеет вид люстры, у которой четыре иллюминатора направлены вверх и один – вниз. В трех из пяти корпусов датчиков прибора перед селеновым фотоэлементом помещены светофильтры: красный, синий и зеленый. Это позволяет не только измерять общий световой поток, но и выделять его спектральные составляющие. Для того чтобы в результате измерений можно было определить интенсивность излучения, идущего из глубин моря к его поверхности, пятый фотоэлемент помещен в корпус, иллюминатор которого обращен вниз.

Рис. 36. Схема устройства селенового фотоэлемента

1 – железная пластинка; 2 – слой селена; 3 – запирающий слой; 4 – золотая или платиновая пленка; 5 – контактное кольцо; 6 – пластмассовый корпус

Рис. 37. Спектральные характеристики селенового фотоэлемента без коррекции 1, с корректирующим светофильтром 2 и спектральная чувствительность глаза 3

Рис. 38. Внешний вид измерителя подводной освещенности ФМПО-57

Рис. 39. Комплект прибора ФМПО-64

Прибор ФМПО-57 на тросе океанологической лебедки погружается в море до глубины 100–150 м. Фототок, вырабатываемый селенами под действием света, передается по кабелю на борт судна, где и регистрируется микроамперметром.

При всей простоте конструкции у этого прибора было много недостатков. Дело в том, что освещенность в море меняется в очень широких пределах: от десятков тысяч люксов у поверхности до единиц на глубине около 100 м. А селеновые фотоэлементы очень не любят больших засветок, так как при этом их фототок перестает быть прямо пропорциональным интенсивности света. Другими словами, прибор типа ФМПО-57 начинал работать с достаточной точностью только тогда, когда его погружали на глубину в несколько десятков метров, где освещенность не превышала 100–200 лк. Кроме того, для изучения способности морской воды пропускать свет с различными длинами волн трехцветных светофильтров было явно мало.

Группа конструкторов Загорского оптико-механического завода (под руководством Н. Ф. Шипули и В. И. Рябинина) и инженер лаборатории гидрооптики Института океанологии А. К. Карелин создали хотя и несколько сложный конструктивно, но более совершенный прибор для измерения освещенности в море ФМПО-60 и ряд его последующих модификаций (ФМПО-64 и ЛЮПО).

Прибор ФМПО-64 (рис. 39) имеет вид шара с тремя иллюминаторами, направленными вверх, вниз и под углом 90° к вертикали. Внутри герметической сферы помещен селеновый фотоэлемент, который с помощью небольшого электромоторчика может устанавливаться перед каждым из трех окон. Кроме того, в сфере помещены два диска с наборами цветных и нейтральных светофильтров, которые (также с помощью моторчиков) выставляются в нужном положении между иллюминатором и фотоэлементом. Такое устройство позволяет по мере погружения прибора в глубь моря менять плотность ослабителей света (нейтральных светофильтров), что предохраняет селен от больших засветок. В этом приборе уже не три, а шесть цветных фильтров, равномерно делящих всю видимую область спектра на относительно узкие участки. Все управление осуществляется дистанционно с пульта, установленного на борту судна и соединенного с прибором кабелем.

ФМПО-60 обладает еще одним достоинством. В его комплект входит не только измеритель подводной освещенности, но и датчик аналогичного устройства для измерения света, падающего на поверхность моря. Поверхностный датчик устанавливается на незатеняемом участке палубы или какой-нибудь судовой надстройки, и с его помощью фиксируют все изменения, происходящие в освещении поверхности моря во время измерений.

Прибором ФМПО-60 в таких чистых водах, как воды открытых районов океана, или в Средиземном море можно регистрировать свет до глубин 200–250 м. Для измерения света на больших глубинах чувствительности фотоэлементов обычно уже не хватает и их заменяют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Оптические схемы измерителей освещенности с применением ФЭУ практически мало чем отличаются от приборов с фотоэлементами. В них также входят наборы из нейтральных и цветных светофильтров.

Решая многие задачи оптики моря, надо уметь измерять не только свет, идущий в глубь моря или направленный к его поверхности, но и общую интенсивность излучения, приходящего в данную точку со всех направлений. Для этого у приборов типа ФМПО-60 предусмотрена специальная приставка, изготовленная из молочного оргстекла и имеющая форму шара. Она крепится к боковому иллюминатору прибора. Такой сферический приемник излучения воспринимает свет, идущий со всех сторон, и направляет его на фотоэлемент. Измерения, проведенные с приставкой, позволяют, в частности, определять показатель поглощения морской воды.

Кроме описанных приборов существует множество разновидностей измерителей подводной освещенности, но, как правило, они различаются между собой лишь количеством используемых светофильтров, устройствами для их переключения или другими конструктивными особенностями, не имеющими принципиального значения.

Наряду с положительными качествами фотоэлектрических приемников излучения им свойствен один, но весьма значительный недостаток: все они селективны, т. е. неодинаково реагируют на излучение различных длин волн. Изучая свет в море, часто необходимо измерить суммарную лучистую энергию на разных глубинах. А для этих целей удобно пользоваться неселективными приемниками излучения, принцип действия которых основан на термоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электродвижущей силы за счет различной степени нагрева черных и белых поверхностей термоэлемента[22]22
  Существует много и других типов тепловых приемников света, таких, как болометры, молекулярные радиометры и т. п., но они пока не нашли широкого применения в практике гидрооптических исследований.


[Закрыть].

Батареи, собранные из определенного количества термоэлементов, получили наименование пиранометров. В оптических исследованиях в море чаще всего пользуются пиранометром конструкции Янишевского. Приемник такого пиранометра представляет собой поверхность, составленную из системы последовательно соединенных полосок манганин – константановых термоэлементов. Поверхность эта имеет вид шахматной доски из черных и белых клеток, так как часть спаев (горячие) окрашена сажей, а часть (холодные) – магнезией в белый цвет.

При работе в море пиранометр помещается в герметичный корпус со стеклянным окном. Включенный в цепь гальванометр регистрирует ток, вырабатываемый термобатареями, поглощающими лучистую энергию. Самым крупным недостатком подводного пиранометра является небольшая чувствительность, что не позволяет использовать его даже в очень прозрачных водах на глубинах, превышающих 50–60 м.

Из следующих разделов книги станет ясно, что для морских биологов, изучающих процессы фотосинтеза в море, крайне важно знать величину суммарной энергии по крайней мере до глубин 100–150 м. Это привело к необходимости создать прибор, который бы обладал достоинствами подводного пиранометра (неселективностью), но имел гораздо большую чувствительность.

Такой прибор сейчас создан В. П. Рвачевым и его сотрудниками на кафедре оптики Черновицкого государственного университета. По принципу действия он назван вариоспектрометрическим измерителем подводной облученности или сокращенно ВАРИПО.

На рис. 40 изображена оптическая схема этого прибора. Свет попадает на иллюминатор из молочного плексигласа 1 и через щель 2 – на систему линз 3. Отсюда свет в виде параллельного пучка проходит в призму 4 прямого зрения (так называемая призма Амичи). Она разлагает свет в спектр, который проектируется объективом 5 на нормирующую диафрагму 6, а затем через линзу 7 попадает на фотоэлектронный умножитель 8.

Рис. 40. Оптическая схема вариоспектрометрического измерителя подводной облученности (ВАРИПО)

1 – иллюминатор; 2 – приемная щель; 3 – система линз; 4 – призма прямого зрения; 5 – объектив; 6 – нормирующая диафрагма; 7 – линза; 8 – ФЭУ

«Секрет» прибора заключается именно в нормирующей диафрагме. Ее функция состоит в том, чтобы «исправить» спектральный состав света, приведя его в своеобразное соответствие со спектральной чувствительностью фотоэлектронного умножителя – приемника излучения в приборе ВАРИПО.

На рис. (41, 1) видно, что фотокатод ФЭУ по-разному реагирует на излучение различных длин волн, т. е. он селективен. Если на пути между ФЭУ и светом, разложенным в спектр, поставить фигурную щель (диафрагму), вырезанную таким образом, как указано на рис. 41, 2), то чувствительность ФЗУ будет «исправлена» и примет вид кривой 3. Другими словами, фигурная нормирующая диафрагма задержит часть лучей, к которым «излишне» чувствителен ФЭУ, и в результате будет получен неселективный приемник излучения в определенном участке спектра, к тому же совершенно нечувствительный к излучению за пределами этого участка.