Юлен Очаковский - Свет в море

• Название: Свет в море
• Автор: Юлен Очаковский
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1970

Книга посвящена одному из сложных и интересных разделов науки — гидрооптике которая изучает проникновение и распространение света в море.

В настоящее время знать физические законы, определяющие эти процессы, особенно необходимо в связи с решением такой важной и актуальной проблемы, как освоение ресурсов Мирового океана.

Человек начал наступление на водную целину. Но для успешного его завершения следует разобраться в массе трудных вопросов гидрооптики.

Чем объясняется цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет? От чего зависит прозрачность морской воды и несколько глубоко проникает свет в океанские глубины? Почему море светится? Ответы на все эти вопросы и дает настоящая книга.

Она написана легко, физическая сущность процессов объяснена весьма доступно. Издание рассчитано на широкие круги читателей.

---

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].

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].

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: Фz / 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].

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] 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.