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.

---

Тогда инженер А. С. Сусляев создал несколько типов «чистых» батометров из винипласта (рис. 14), позволяющих взять семилитровую пробу воды с любой глубины океана. В кювету прибора заливается около пяти литров воды, а остальная часть пробы может быть использована для исследования взвеси или других целей.

Рис. 12. Внешний вид спектрогидронефелометра СГН-57

Рис. 13. Схема прибора СГН-57, используемого в качестве нефелометра

1 — оптическое устройство; 2 — источник света; 3 — зеркало; 4 — объектив; 5 — освещенный объем воды, находящийся в поле зрения наблюдателя; 6 — осветитель узла сравнения прибора; 7 — окуляр

Измерения проводятся следующим образом. Оптическое устройство 1 концентрирует свет от лампы 2 в виде параллельного пучка, который, отразившись от зеркала 3 и пройдя через объектив 4, попадает в воду, осветив в ней определенный объем. Этот освещенный объем, естественно, как бы сам становится источником света, имеющим разную яркость в зависимости от того, под каким углом γ мы на него посмотрим. Наблюдатель, глядя в окуляр 7, выравнивает яркость фотометрических полей, создаваемую освещенным объемом воды и светом от осветителя узла сравнения прибора 6, и по отсчету на специальном барабане определяет яркость рассеянного света. Осветительное устройство жестко соединено с диском, закрывающим кювету прибора. На нем имеются градусные деления. Вращая диск, наблюдатель под различными углами освещает объем воды и измеряет яркость. По результатам измерений строятся графики индикатрисы и вычисляется показатель рассеяния. В приборе установлены также цветные светофильтры для того, чтобы все измерения можно было проводить в разных участках спектра.

В описанных исследованиях есть, однако, элемент искусственности. Пробу воды «вырывают» из родной стихии, переливают в прибор и т. д. Это несколько искажает естественные условия, в которых распространяется свет. Потому в последние годы гидрооптики все чаще измеряют рассеивающие свойства вод, погружая приборы непосредственно в море.

Внешний вид одного из таких приборов представлен на рис. 15. Принцип работы измерителя довольно прост. При измерениях блок осветителя 1 начинает медленно поворачиваться относительно центра рассеивающего объема 3. Перед фотоумножителем 2 при вращении последовательно проходят 12 окошек, прорезанных в лимбе прибора через каждые 10°. Ширина этих прорезей пропорциональна синусу угла, так что измеряемое рассеяние создается постоянным объемом. Как видим, это уже не визуальный, а объективный фотометр, в котором человеческий глаз заменен фотоумножителем.

Ерлов, описывая измерения, проведенные указанным прибором в верхних слоях моря, отмечал, что чувствительность фотоумножителя была столь велика, что наблюдения можно было проводить только в безлунные ночи с выключенным освещением на палубе судна. Благодаря этим мерам в иллюминатор фотоумножителя не попадал посторонний свет.

Рис. 14. Гидрооптический батометр конструкции Сусляева

Рис. 15. Внешний вид измерителя рассеяния Ерлова

1 — осветительное устройство; 2 — приемник излучения; 3 — ось вращения

В последнее время для измерения индикатрис рассеяния начали использовать приборы, у которых в качестве источника излучения применяется лазер. Это позволяет упростить оптическую схему прибора и в то же время получить интенсивный, направленный и монохроматический пучок света.

Какой же вид имеют индикатрисы морских вод?

Им присуща остро вытянутая, кинжальная форма (рис. 16, 3), чем они резко отличаются от индикатрисы рэлеевского рассеяния (рис. 16, 1) и индикатрисы рассеяния света в атмосфере (рис. 16, 2). Для практических расчетов индикатрисы рассеяния морских вод удобнее представлять в виде графиков, показанных на рис. 17.

Рис. 16. Сопоставление формы индикатрис рассеяния света при рэлеевском рассеянии 1, в атмосфере 2 и в морской воде 3

Здесь приведено пять индикатрис, измеренных в разных водах как лабораторными приборами 1, 2, так и приборами, погружаемыми в море, 3, 4 и 5. Для удобства сопоставления рассеяние под углом 90° принято за единицу. Мы видим, что характер рассеяния вперед на углах менее 90° у всех вод более или менее схож. Интенсивность света, рассеянного вперед, в тысячи раз больше интенсивности света, рассеянного назад.

Рис. 17. Индикатрисы рассеяния света, измеренные исследователями в разных водах

1 — Хальбарт (1945) — Чезапикский залив; 2 — Козлянинов (1957) — Восточно-Китайское море; 3 — Ерлов (1961) — северо-восточная часть Атлантического океана; 4 — Тайлер (1961) — калифорнийские прибрежные воды; 5 — Дантли (1963) — озеро Виннипесаки

Все предыдущие рассуждения относились к рассеянию в параллельном световом пучке, направленном от какого-либо осветительного устройства.

Процесс рассеяния естественного света, идущего от поверхности моря к его глубинам, несоизмеримо более сложен. Здесь мы имеем дело с многократным рассеянием. Солнечные лучи, проникая в море, в самом поверхностном его слое еще сохраняют вид направленного света. С глубиной каждый «конкретный луч» из-за рассеяния как бы делится на многие лучи, расходящиеся в разных направлениях. Эти лучи вновь делятся, и процесс длится до тех пор, пока свет не станет полностью рассеянным.

Прозрачность моря

От Северного полюса до берегов Антарктиды

Природа морей и океанов на разных широтах различна. При перемещении с севера на юг наряду с другими природными особенностями меняются и оптические свойства морской воды. Даже на глаз можно определить, что синие воды тропиков отличаются своей прозрачностью от зеленоватых вод умеренных широт. Белый диск, погруженный в воду Тихого океана на широте Гавайских, островов, будет еще виден на 40–50 м, а в Беринговом море он исчезнет на глубинах вдвое меньших. Для того чтобы понять, какую роль в прозрачности морей и океанов на разных широтах играют природные факторы, т. е., другими словами, понять планетарную закономерность изменения прозрачности в зависимости от географической зоны, совершим путешествие по меридиану от Северного полюса до экватора.

Схема географической зональности Мирового океана разработана членом-корреспондентом АН СССР В. Г. Богоровым. Географические зоны в океане подобны намечаемым на суше. Но есть и существенное различие. На суше зональность наблюдается лишь на поверхности, захватывая при этом тонкий почвенный покров, а в океане явления, связанные с зональностью, проникают, правда в ослабленном виде, во всю океаническую толщу. Каждой географической зоне присущи свои специфические черты и свои природное особенности.

Как показали исследования, прозрачность самым тесным образом связана с присутствием в воде взвешенных минеральных частиц и планктона. В своем путешествии через географические зоны прежде всего обратим внимание на природные условия, от которых в конечном итоге зависит наличие органических и неорганических частиц в морской воде.

Океан в ледовом панцире

…Долгие месяцы провел Фритьоф Нансен в Северном Ледовитом океане. Его «Фрам», напоминающий по форме половину кокосового ореха, намеренно вмерз в дрейфующие льды, чтобы таким образом достичь полюса. Зимой над безмолвными просторами покрытого ледовой шапкой океана царит ночь. Ночная темнота нарушается полярным сиянием. Его цветные полосы дрожат, переливаются, меняя оттенки, а затем исчезают.

Под четырехметровой толщей льда скрыты черные неосвещенные и, кажется, безжизненные воды океана…

Позднее советские биологи обнаружили жизнь на всех глубинах Северного Ледовитого океана. Она не была бурной, но все же теплилась. Разумеется, не зима с длинной ночью, а лето с полярным днем, когда солнце даже не скрывается за горизонт, наиболее благоприятно для жизнедеятельности морских организмов. Но солнечному свету не так-то просто проникнуть в океанскую толщу.

А. В. Трофимов еще в 1934 г. измерил подледную освещенность. Оказалось, что подо льдом остается лишь около 2 % от падающего на поверхность света. Однако в летний сезон ледовый покров океана несплошной — появляются полыньи. Специалисты подсчитали, что они в разгар лета в арктическом бассейне занимают примерно 10 % от всей площади. Естественно, что в полыньях жизнь интенсивнее. Сначала развиваются микроскопические водоросли — фитопланктон, а затем мелкие рачки — зоопланктон. Концентрация фитопланктона обычно значительно больше, чем зоопланктона, и именно он вместе с измельченными отмершими частицами (детритом) в основном определяет прозрачность вод открытого океана.