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.

---

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].

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].

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.