Текст книги "Свет в море"

Автор книги: Виталий Войтов

Соавторы: Олег Копелевич,Юлен Очаковский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 11 страниц)

Рис. 41. Спектральная чувствительность ФЭУ до коррекции 1 фигурной диафрагмой 2 и ее вид после коррекции 3

Рис. 42. Прибор для измерения углового распределения естественного излучения в море

Прибор ВАРИПО устроен так, что он реагирует на свет в диапазоне от 380 до 700 нм. Это так называемая область фотосинтетически активной радиации. ВАРИПО гораздо чувствительнее подводного пиранометра, и. несмотря на большие потери световой энергии при прохождении света через сложную оптическую систему, с его помощью можно вести измерения на глубинах 100–150 м.

Измерения освещенности хотя и дают интересные сведения об изменении света с глубиной, но далеко не исчерпывают всего, что нам необходимо знать об излучении, распространяющемся в толще моря.

Наиболее полную информацию можно получить из измерений тела яркости, т. е. углового распределения интенсивности излучения по различным направлениям. Такие измерения выполнил американский ученый Дж. Тайлер на озере Панд-Орей. Яркомер погружался под воду до глубины 66 м и ориентировался в пространстве гироскопическим устройством. Угол зрения приемника излучения был около 7°.

Обычно угловое распределение интенсивности излучения измеряют лишь в двух перпендикулярных плоскостях. Внешний вид прибора для подобных измерений показан на рис. 42. Его использовал японский гидрооптик профессор Т. Сасаки.

На рисунке видны два приемника излучения, один из которых вращается в вертикальной 1, а другой – в горизонтальной 2 плоскостях. Особенность измерителя состоит в том, что его приемниками служат ФЭУ, снабженные специальной оптической системой, позволяющей ограничить угол зрения приемника всего лишь 4°. Зафиксировав излучение в нескольких точках в вертикальной и горизонтальной плоскостях на разных глубинах, можно построить диаграммы углового распределения света.

Эти измерения, исключительно трудоемкие, требуют сложной аппаратуры и потому до сего времени носят экспериментальный характер.

В Советском Союзе их проводили М. Н. Кайгородов, Г. Г. Неуймин и А. К. Карелин.

Почему разные моря имеют разный цвет

Чем определяется цвет моря

«Летая вокруг земного шара, – рассказывает советский космонавт Герман Титов, – я воочию убедился, что на поверхности нашей планеты воды больше, чем суши. Великолепное зрелище являли собой длинные полосы волн Тихого и Атлантического океанов, бегущих к далеким берегам…

Океаны и моря, так же как и материки, отличаются друг от друга своим цветом. Богатая палитра, как у русского живописца-мариниста Ивана Айвазовского, – от темно-синего индиго Индийского океана до салатной зелени Карибского моря и Мексиканского залива»[23]23
  Г. Титов. 700 000 километров в космосе. М., «Правда», 1961.


[Закрыть].

Цвет моря с давних времен привлекал внимание людей. Поэты воспевали изменчивость окраски морской поверхности, а ученые искали причины, ее объясняющие. В наше время прозрачность и цвет моря перестали быть лишь объектами поэтических восторгов и любознательности ученых. В XX в. эти факторы приобрели важное военное значение. Об этом еще в 1939 г. писал английский журнал «United Services Review»: «Все главные державы в отношении подводного флота применяют окраску, имеющую целью укрыться от воздушных сил противника или, по крайней мере, затруднить их деятельность. Наши собственные подводные лодки окрашиваются в различные цвета в зависимости от морей, в которых они оперируют. Нами применяются серо-зеленые цвета для Атлантического океана, синие – для Средиземного моря, черные – для Красного моря и некоторых других вод. Французские подлодки в своих водах – либо светлосерые, либо сине-зеленые, в то время как голландские подлодки для своих вод – темно-зеленые, с черным – для тех, которые базируются в Ост-Индии. Подводные лодки в Японии окрашиваются почти все в черные цвета».

О факторах, определяющих видимость подводных объектов, мы будем подробно говорить в следующей главе, а сейчас попробуем разобраться, чем же объясняется видимый цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет.

Как будто в этом нет ничего удивительного, ведь известно, что воды морей и океанов различаются своими оптическими свойствами. Действительно, заполняя исследуемой водой трубку метровой длины с прозрачными торцами, даже визуально на просвет можно отличить, например, воду Индийского океана, имеющую голубоватую окраску, от воды Северного моря, окраска которой представляется зеленой. Темно-коричневую окраску болотной воды невозможно спутать с желто-зеленым цветом балтийской.

Но каждый, кто хотя бы раз побывал на море, не мог не заметить, что его воды даже в течение дня неоднократно изменяют свой цвет. Подул легкий ветерок, появилась рябь на морской поверхности – и сразу же изменилась ее окраска, сделавшись гораздо более интенсивной по цвету; покрылось небо свинцово-серыми тучами – и само море стало серым и угрюмым.

Даже в один и тот же момент в одном и том же месте окраска моря кажется неодинаковой, если смотреть вниз прямо перед собой (например, с борта шлюпки) или перевести взгляд дальше, к линии горизонта.

Что же представляет собой свет, попадающий в глаз человека, созерцающего морскую поверхность? От чего зависит его спектральный состав?

Легко сообразить, что в этот световой поток прежде всего входит свет, отраженный поверхностью моря. Именно он определяет непостоянство окраски морской поверхности и ее изменчивость в зависимости от погоды.

Коэффициент отражения морской поверхности практически не зависит от длины волны падающего света. Спектральный состав отраженного излучения не отличается от спектрального состава падающего: в ясную, безоблачную погоду поверхность моря отражает синеву небосвода; а когда небо покрыто тучами, в море, как в зеркале, отражается их свинцово-серая, хмурая окраска.

Является ли, однако, этот свет единственным фактором, определяющим цвет моря? Очевидно, нет. Ведь если бы это было так, то все моря имели бы одинаковую окраску и мы бы не могли говорить о «лазурных водах» Средиземноморья или о водах Желтого моря, цвет которых полностью оправдывает его название. Учеными установлено, что каждое море имеет свой собственный цвет, хотя у многих морей и океанов эти цвета весьма схожи. «Собственный» цвет моря связан со световым потоком, выходящим из его толщи.

Уже говорилось о том, что благодаря процессам многократного рассеяния свет под водой распространяется по всевозможным направлениям, в том числе и вверх – к поверхности моря. Если опустить под воду фотометр, у которого поверхность чувствительного элемента обращена вниз, то с его помощью мы сможем определить величину этого восходящего светового потока.

Такие измерения постоянно ведутся при оптических исследованиях в океане как советскими, так и зарубежными учеными. Было установлено, что восходящий световой поток в море уменьшается с глубиной по показательному закону: Ф_в(z) = Ф₀∙10^-αBz, т. е. так же, как и поток, распространяющийся в глубь моря. Показатель α_В, называемый показателем вертикального ослабления для восходящего светового потока, мало отличается по величине, от показателя для нисходящего потока, который мы раньше обозначали просто α. Хотя, строго говоря, эти показатели совпадают точно лишь для глубинного режима, практически они весьма близки по величине и на меньших глубинах. Поэтому кривые ослабления с глубиной как нисходящего, так и восходящего световых потоков на графике идут почти параллельно друг другу (рис. 43). Абсолютные значения этих потоков, однако, неодинаковы: на всех глубинах восходящий световой поток по величине почти на два порядка меньше, чем поток, распространяющийся в глубь моря.

Море возвращает лишь незначительную часть (всего несколько процентов) от излучения, идущего в его глубины. Оценить количественно долю возвращаемой энергии на данном горизонте можно с помощью коэффициента диффузного отражения ζ, который равен отношению величины восходящего светового потока на данной глубине Ф_В к величине нисходящего Ф: ζ = Ф_В / Ф.

Рис. 43. Ослабление с глубиной нисходящего I и восходящего II световых потоков в Тихом океане (% от падающего на поверхность)

Рис. 44. Спектральное распределение на разных глубинах света, идущего вверх к поверхности моря

Подобно всем другим гидрооптическим характеристикам этот коэффициент является спектральной величиной, т. е. его значения зависят от длины волны света. Объясняется это тем, что спектральные составы восходящего и нисходящего световых потоков на одной и той же глубине отличаются друг от друга. Сравним два рисунка: на одном (см. рис. 34) показаны спектральные распределения на различных глубинах света, распространяющегося вниз, на другом (рис. 44) представлены те же распределения для восходящего светового потока. Оба рисунка относятся к чистым океанским водам. Нетрудно заметить, что на всех глубинах спектральный состав восходящего светового потока гораздо беднее желтым и красным цветами, нежели нисходящий. О физических причинах этого явления мы будем говорить ниже, а сейчас обратим особое внимание на спектральное распределение излучения непосредственно под поверхностью – на горизонте 0 м. Оно отображает цвет выходящего из моря светового потока, ведь сама поверхность почти не влияет на спектральный состав проходящего через нее излучения.

Максимум этого спектрального распределения соответствует длинам волн порядка 450 нм, т. е. в выходящем из моря световом потоке преобладает синий цвет. Зеленой окраски примерно в 10 раз меньше, а уж о желтой и красной и говорить не приходится – эти цвета практически отсутствуют. В мутных водах спектральное распределение другое: его максимум сместится в зеленую, а в очень мутных – даже в желтую область спектра. По спектральным кривым, соответствующим различным морям, можно оценить не только качественные, но и количественные различия между их цветами, что немаловажно при выборе маскировочной окраски для подводных объектов.

До сих пор речь шла о спектре всего выходящего из моря светового потока. Однако, как мы уже говорили, цвет моря зависит также и от угла, под которым наблюдатель смотрит на его поверхность. Угловое распределение яркости в выходящем световом потоке характеризуют индикатрисой яркости.

Построить эту кривую можно следующим образом. В данной точке поверхности моря измеряют яркость выходящего излучения в различных направлениях, т. е. под разными углами к вертикали. Угол наблюдения θ отсчитывается от вертикальной оси, направленной вниз. Угол 180° соответствует наблюдению строго вертикально – в надир, углы 90° и 270° – лучам, скользящим по поверхности моря. Полученные значения яркости ρ(θ) делят обычно на значение яркости под углом 180°—ρ(180°), т. е. ордината угла 180° равна единице.

Три индикатрисы для синего (λ = 465 нм), зеленого (λ = 517 нм) и желтого (λ = 591 нм) цветов, измеренные советскими гидрооптиками в тропических водах Тихого океана, изображены на рис. 45. Как видно, форма кривой зависит от длины волны света. У всех трех индикатрис по мере отклонения от вертикали яркость увеличивается, но у желтого цвета она возрастает сильнее, чем у синего. Это означает, что если наблюдать под большим углом к вертикали, то синий цвет становится менее интенсивным, он все сильнее разбавляется зеленым и желтым – густота окраски (или, как принято говорить, ее насыщенность) уменьшается.

Рис. 45. Индикатрисы яркости выходящего из моря светового потока в тропических водах Тихого океана (1 – λ = 465 нм; 2 – λ = 517 нм; 3 – λ = 591 нм)

При увеличении угла наблюдения увеличивается и количество отраженного от поверхности моря света (известно, что коэффициент отражения меняется в зависимости от угла: для угла 180° он минимален, для углов 90 и 270° равен единице). Окраска отраженного потока белая. Складываясь с выходящим из толщи моря световым потоком, отраженный свет еще более уменьшает насыщенность цвета моря при наблюдении под большими углами – вдали поверхность моря кажется белесой.

«…Чем меньше угол зрения[24]24
  Под углом зрения Н. Н. Зубов подразумевает угол между направлением наблюдения и поверхностью моря.


[Закрыть], тем большее значение приобретает в окраске моря рассеянный свет неба, – писал Н. Н. Зубов. – Поэтому в штилевую погоду чем ближе к горизонту, тем бледнее окраска моря. Но с увеличением угла зрения, т. е. вблизи наблюдателя, в окраске моря начинает преобладать собственный рассеянный свет, и окраска моря становится более интенсивной.

При волнении луч зрения встречает поверхность моря под значительными углами даже на значительном расстоянии от наблюдателя, и поэтому взволнованное море всегда представляется более окрашенным. Понятно, что чем круче волна, тем интенсивнее окраска…

…В полный штиль, в особенности если солнце закрыто облаками, море кажется белесоватым и горизонт недостаточно ярко очерченным. Отдельные моря при штиле в отношении окраски как бы теряют свою индивидуальность. Но стоит задуть небольшому ветерку и появиться небольшой ряби, как картина совершенно меняется. Окраска моря становится интенсивной, и горизонт очерчивается, ярко»[25]25
  Н. Н. Зубов. Морские воды и льды…


[Закрыть].

Прежде чем перейти к физическим причинам, обусловливающим «собственный» цвет моря, подведем некоторые итоги.

Свет, попадающий в глаз наблюдателя, созерцающего морскую поверхность, складывается из двух световых потоков: во-первых, это свет солнца, неба и облаков, зеркально отраженный поверхностью моря; во-вторых, это свет, вышедший из морских глубин.

Доля отраженного света в общем потоке зависит главным образом от коэффициента отражения поверхности и меняется в зависимости от степени взволнованности моря и от угла наблюдения.

«Собственный» цвет моря определяется спектральным составом светового потока, выходящего из толщи моря. Он зависит от того, каким светом освещается поверхность, и от оптических свойств морской воды. Различием этих свойств в разных водах и объясняется многообразие в цвете морей.

Свет, «возвращенный» морем

В 1903 г., исследуя воды баварских озер, немецкий исследователь Ауфзесс пришел к выводу, что все оттенки их цвета объясняются красящими веществами, примешанными к воде; все дело лишь в избирательном поглощении.

Но ведь мы знаем, что без рассеяния ни один луч света вообще бы не вышел из-под поверхности моря. Тогда Черное море вполне бы оправдало свое название, да и поверхность других морей и океанов (не учитывая отраженный свет) представлялась бы абсолютно черной.

Так значит главное – рассеяние? Подобное мнение высказывали некоторые ученые во главе с Рэлеем, однако и эта точка зрения была ошибочной.

Если бы не было поглощения, практически весь свет, попавший в море, выходил бы в конце концов из-под его поверхности и, следовательно, окраска выходящего светового потока совпадала бы с окраской падающего света. Ни о каком «собственном» цвете моря не было бы и речи.

А истина находилась между этими двумя мнениями. В 1922 г. Ч. Раман и В. В. Шулейкин одновременно и независимо один от другого пришли к выводу, что цвет моря обусловлен совместным действием рассеяния и поглощения.

Солнечный свет, распространяющийся в глубь моря, по пути рассеивается морской водой. Большая его часть по-прежнему движется в глубь моря, а небольшая доля рассеяна назад и образует восходящий световой поток.

Раман, изучавший прозрачные воды Бенгальского залива, учитывал рассеяние лишь самой воды, а рассеянием взвешенными в морской воде частицами пренебрегал. Выведенная им формула применима лишь к чистым океанским водам.

Теория Шулейкина, включающая формулу Рамана как частный случай, более общая. Она учитывает световые потоки, пришедшие к поверхности моря с различных горизонтов, а также вторично рассеянный свет (т. е. ту часть восходящего светового потока, которая, двигаясь к поверхности, была сначала отброшена назад в глубь моря, а потом в результате вторичного рассеяния снова стала двигаться к поверхности) и свет всех больших кратностей рассеяния. При выводе формулы предполагалось, что море освещается потоком параллельных лучей, отвесно падающих на его поверхность.

В 1923 г. А. Г. Гамбурцев дал более строгий и более общий вывод формулы цвета моря. Он составил систему двух дифференциальных уравнений для нисходящего и восходящего световых потоков, решение которой позволяет найти спектральное распределение этих потоков на любой глубине, в том числе и на поверхности. Подставляя в формулы Гамбурцева соответствующие значения оптических характеристик морской воды (показателей поглощения и рассеяния, индикатрисы рассеяния), можно получить спектральную кривую распределения выходящего из моря излучения для любой точки Мирового океана.

Формулы Гамбурцева достаточно сложны, и мы не будем их приводить. Рассмотрим лишь качественную картину явлений, обуславливающих различия в цвете морей и океанов.

Как известно, в морской воде происходит рассеяние двух типов: молекулярное и частицами.

Индикатриса молекулярного рассеяния симметрична относительно плоскости, перпендикулярной направлению падающего луча, – назад рассеивается ровно столько света, сколько вперед. При рассеянии частицами количество света, рассеянного вперед, почти в 50 раз превышает световой поток, рассеянный назад.

Интенсивность молекулярного рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (например, синий свет с длиной волны 440 нм рассеивается в 5 раз интенсивнее красного с длиной волны 660 нм). Рассеяние частицами морской взвеси слабоселективно: его интенсивность почти не зависит от длины волны.

Индикатриса рассеяния морской воды также резко вытянута в направлении падающего света: угловое распределение рассеянного света определяется главным образом взвешенными частицами. Даже в чистой океанской воде рассеяние молекулами воды составляет всего лишь 7 % от общего, однако на углах, больших 90°, оно играет первостепенную роль, создавая около 2/3 общей интенсивности. В чистых океанских водах для угла 90° интенсивность молекулярного рассеяния составляет 70 % от общей интенсивности, а для угла 135° – даже 83 %. В таких водах рассеяние назад, а стало быть, и восходящий световой поток создаются в основном молекулярным рассеянием. Окраска потока благодаря резкой селективности молекулярного рассеяния фиолетово-синяя.

Двигаясь к поверхности, этот свет подвергается фильтрующему действию морской воды. Максимум пропускания в чистых океанских водах приходится на синий-сине-зеленый участок спектра (см. рис. 33). В результате совместного действия рассеяния и поглощения световой поток, вышедший из моря, в чистых океанских водах имеет насыщенную синюю окраску.

В мутных водах, содержащих большое количество взвешенных частиц, роль молекулярного рассеяния невелика даже при больших углах рассеяния. Для угла 90° интенсивность молекулярного рассеяния составляет лишь 13 % общей интенсивности, а для угла 135° – 25 %. Восходящий световой шток в таких водах создается главным образом рассеянием на взвешенных частицах, которое неселективно. Максимум пропускания у мутных вод смещен в желто-зеленую область спектра. В результате совместного действия этих эффектов в менее прозрачных водах поверхность моря кажется серо-зеленой, а в очень мутных имеет даже желтоватую окраску.

Если синий цвет – это цвет «океанской пустыни», т. е. вод, бедных планктоном и питательными веществами, то желтовато-зеленая окраска морской поверхности свидетельствует о «плодородных океанских почвах». Многочисленные экспедиционные измерения на практике подтвердили существование самой тесной зависимости между цветом моря и его прозрачностью. Рис. 46 иллюстрирует эту зависимость.

Рис. 46. Спектральное распределение коэффициентов диффузного отражения

1 – открытый океан; 2 – залив Майзуру; 3 – река Юра

Рис. 47. Спектральная зависимость коэффициента яркости для вод Тихого океана 1, Средиземного 2 и Черного 3 морей

На нем изображены спектральные распределения коэффициента диффузного отражения моря ζ для чистых океанских вод, менее прозрачных вод залива Майзуру и очень мутных вод реки Юра. Кривые построены по данным измерений японского исследователя Хишида. Хорошо видно, как смещается максимум распределения от синего (у прозрачной воды) до желтого (у мутной). Подобным же образом изменяется и спектральная зависимость коэффициента яркости моря (рис. 47). Эта величина равна отношению яркости излучения В(θ, φ), выходящего из толщи моря в направлении, определяемом углами θ и φ (где θ – зенитное расстояние, а φ – азимут), к яркости В₀ идеально рассеивающей не погруженной в море горизонтальной поверхности, освещаемой естественным светом:

Спектральная зависимость коэффициента яркости точнее всего отображает «собственный» цвет моря. Эта величина не зависит от спектрального состава падающего на поверхность моря излучения и полностью определяется лишь значениями спектральных показателей поглощения и рассеяния света морокой водой.

Коэффициент яркости моря ρ весьма тесно связан с коэффициентом диффузного отражения моря ζ под поверхностью. Их спектральные зависимости почти совпадают друг с другом.

Мы упустили из виду еще один фактор, который может влиять на видимый цвет моря, – это отражение от морского дна. Если для глубин в несколько сотен метров его влиянием можно пренебречь, то на мелководье окраска дна оказывает существенное воздействие на цвет поверхности. Дно, покрытое зелеными водорослями, придает зеленоватый оттенок и цвету моря, светлая галька уменьшает насыщенность его окраски. Обычно в мелководных водоемах вода всегда сильно взмучена, так как волнение поднимает со дна ил, песок и другие мелкие частички. Окраска таких водоемов резко отличается от окраски глубоководных бассейнов. Например, Азовское море, глубина которого нигде не превышает 14 м, имеет бледный серо-зеленый цвет.