Оптические явления в море

Световой режим глубин неразрывно связан со световым режимом поверхности моря, которая освещается как прямыми лучами Солнца, так и рассеянным светом небесного свода и облаков.

Если принять освещенность поверхности моря прямыми солнечными лучами при положении Солнца в зените за единицу, то относительная освещенность при различных высотах Солнца может быть выражена кривой S (рис. 22). С уменьшением высоты Солнца освещенность поверхности моря падает, так как световой поток проходит все большую и большую толщу атмосферы, а угол падения лучей на горизонтальную плоскость уменьшается.

На том же рис. 22 представлена кривая N, выражающая в тех же относительных единицах ход освещенности поверхности моря рассеянным (диффузным) светом небесного свода при совершенно безоблачном небе.

Освещенность облачным небом почти всегда несколько больше, чем освещенность ясным. Освещенность резко уменьшается только тогда, когда небо покрыто густыми плотными облаками.

На поверхности моря световой поток частично отражается, а частично преломляется и проникает в глубины моря. Соотношение между преломленным и отраженным потоком зависит от высоты Солнца. На рис. 23 приведена рассчитанная академиком В. В. Шулейкиным кривая, характеризующая отношение энергии прямой солнечной радиации I, проникающей в воду, к радиации I_o, падающей на поверхность моря, в зависимости от высоты Солнца.

Как видно из рисунка, при высоте Солнца 0° вся энергия отражается. С увеличением высоты светила количество энергии, проникающей в воду, увеличивается и при высоте Солнца 90° в воду проникает 98% всей падающей на поверхность энергии.

Для рассеянного света такой зависимости не обнаруживается. Можно считать, что в воду входит 95% энергии падающего на поверхность моря рассеянного света.

От высоты Солнца зависит и длина пути солнечных лучей, проходимого ими в воде от поверхности моря до данной глубины z (рис. 24). Отношение длины пути Δ, проходимого лучом в воде, к глубине z выражается формулой

Световой поток, проникающий в воду и проходящий сквозь толщу воды, ослабевает за счет поглощения (перехода световой энергии в другие виды энергии) и рассеяния.

Поглощение света в море. Наблюдения над поглощением света водой показывают, что оно неодинаково для световых волн разной длины. Сильнее всего поглощаются лучи красной части спектра с длиной волны более 0,6 μ (микрон) и почти совершенно не поглощаются короткие
зеленые и синие лучи с длиной волны менее 0,54 μ. Иными словами, поглощение света водой является избирательным.

Поглощение света dl на бесконечно малом участке пути dz прямо пропорционально энергии падающего света I и длине участка пути dz, т. е.

где m(λ) — коэффициент поглощения, зависящий от среды, в которой распространяется свет, и от длины волны λ. Коэффициент поглощения имеет размерность, обратную размерности длины.

Пользуясь формулой (5, 2), можно рассчитать световой поток на любой глубине. Пусть перпендикулярно поверхности моря падает световой поток I_o (рис. 25). Выделим в толще воды элементарный слой dz, на который падает световой поток I_z. Согласно формуле (5, 2), поглощение света dl_z в слое dz будет равно:

Ослабление светового потока при прохождении им толщи воды z найдется путем интегрирования этой формулы от нуля (от поверхности воды), где световой поток равен I_o, до z (интересующей глубины), где световой поток равен I, т. е.

Выражение (5, 3) характеризует отношение световой энергии, прошедшей на глубину z, к энергии, падающей на поверхность моря, в том случае, если в толще воды имеет место только поглощение света.

Если световой поток падает на поверхность ,моря под углом і, то в формулу (5, 3) вместо глубины необходимо подставить путь, проходимый светом в воде Δ, рассчитываемый по формуле (5, 1).

Коэффициент поглощения зависит от длины световой волны. Очевидно, от длины волны зависит и световой поток на глубине. Определения коэффициента поглощения для чистой дистиллированной воды дали результаты, представленные в табл. 37.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что дистиллированная вода является вполне прозрачной для световых лучей с длиной волны менее 0,54μ. При λ = 0,61μ наблюдается максимум поглощения; при λ = 0,62μ коэффициент поглощения несколько уменьшается, а затем вновь возрастает. При исследовании коэффициента поглощения в морской воде встречаются трудности, связанные с тем, что на ослаблении светового потока сказывается рассеяние света в неоднородной среде, какой является морская вода.