8.3. Поглощение и рассеяние света в море
Cвет – это поток частиц, движущихся со скоростью света. Элементарная частица света называется фотоном, который является световым эквивалентом энергии. Фотоны с различными длинами волн соответствуют разным цветам и обладают разной энергией. Число фотонов, которое проходит через единицу площади за секунду, определяет интенсивность света.
С точки зрения оптики морская вода представляет собой мутную поглощающую среду. Световой поток, проникающий в воду и проходящий сквозь толщу воды, ослабевает за счет поглощения (перехода световой энергии в другие формы энергии) и рассеяния. В применении к электромагнитному излучению поглощение (абсорбция) означает, что один или более падающих фотонов захватываются и их энергия поглощается. Вместо того чтобы поглощаться, фотоны могут рассеиваться. Рассеиваться они могут вперед, назад и в любом другом направлении. Ослабление света объединяет эффекты как поглощения, так и рассеяния. Оно служит мерой того, как быстро ослабевает свет, проходя сквозь морскую воду.
Потеря энергии световым лучом с длиной волны λ вследствие поглощения при прохождении толщи воды z составляет Iz= Ioe 
, где Io — энергия светового луча, входящего в море, Iz – энергия луча на глубине z, χλ — показатель поглощения. Показатель поглощения, зависит от среды, в которой распространяется свет, и от длины волны λ. Показатель поглощения имеет размерность, обратную размерности длины (м -1 ). Знак «минус» в формуле указывает на потерю энергии, а экспоненциальная зависимость указывает на быстрое ослабление энергии света с глубиной. Из формулы следует, что при глубине z =
световой поток ослабляется в е раз (е =2.7183). Эту глубину называют натуральной длиной поглощения света.
Показатели поглощения χλ волн видимой части солнечного спектра
Видимая часть солнечного спектра
χλ×10 3
Вода неодинаково поглощает световые лучи различных длин волн, т.е. обладает избирательным (селективным) поглощением. Показатели поглощения χλ волн видимой части солнечного спектра для дистиллированной воды приведены в табл. 6.
Сильнее всего поглощаются лучи красной части спектра (с длиной волны более 0.6 мк), почти совершенно не поглощаются короткие (зеленые, синие и фиолетовые лучи с длиной волны менее 0.5 мк). Красная часть спектра поглощается в поверхностном слое моря, в глубину проникают лучи зеленой и особенно синей части спектра, которые формируют цвет моря и создают освещенность в глубинах. В результате поглощения красной части спектра кровь рыбы на глубине 15 м окажется желто-коричневой, а на глубине 30-50 м зеленой.
Кроме поглощения световые лучи в толще воды испытывают рассеяние, в результате чего энергия света с глубиной ослабляется.
Рассеяние света связано с прохождением света через неоднородную среду. Неоднородностями являются молекулы воды и взвешенные частицы, вызывающие оптическую неоднородность морской воды. Характер рассеяния света зависит от размеров рассеивающих частиц. Поэтому рассматривают раздельно рассеяние света частицами, имеющими размеры меньше длины волны падающего света — молекулярное рассеяние, и рассеяние света крупными частицами, соизмеримыми с длиной волны падающего света.
Ослабление светового потока за счет рассеяния при прохождении толщи воды определяется формулой Iz= Ioe
, где Io — энергия светового луча, входящего в море, Iz – энергия луча на глубине z, kλ — показатель рассеяния, определяемый как kλ =
, а – модуль рассеяния, равныйдля дистиллированной воды 1.56×10 -4 , z=
—расстояние, на котором световой поток ослабляется вследствие рассеяния в е раз, называют натуральной длиной рассеяния света.
Ослабление энергии светового потока за счет рассеяния зависит от длины волны света λ. Оно обратно пропорционально четвертой степени длины световой волны. Поэтому в воде сильнее всего рассеиваются лучи зеленой и особенно синей части спектра с длиной волны менее 0.5 мк .
Этим, например, объясняется голубой цвет неба: прямые солнечные лучи на пути сквозь атмосферу претерпевают рассеяние, которое в синей части спектра оказывается наибольшим. Подобным же образом объясняется красная окраска Солнца во время восхода и заката: при малых высотах Солнца солнечным лучам приходиться пронизывать более значительный слой воздуха, чем при больших высотах. Из-за этого прямые солнечные лучи лишаются большой части энергии, приходящей на область коротких синих волн. Красные же лучи дойдут до поверхности Земли, испытав значительно меньшее рассеяние.
Эти выводы относятся к рассеянию света частицами малыми по сравнению с длиной световой волны, т.е. случаю молекулярного рассеяния. Оно наблюдается тогда, когда в морской воде нет растворенных газов и примесей, находящихся во взвешенном состоянии. Если же в воде находятся растворенные газы и примеси, то те и другие могут достигать размеров порядка длины световой волны и даже больших. Они будут вызывать сильное рассеяние света, которое не подчиняется законам молекулярного рассеяния.
Когда размер рассеивающей частицы соизмерим с длиной световой волны, на ее поверхности под воздействием переменного электромагнитного поля, распространяющегося в направлении светового потока, возникают не простые электромагнитные колебания, как в случае молекулярного рассеяния, а сложные. Световой поток, проникший под поверхность моря, рассеивается каждым элементарным слоем воды как вперед, так и назад. Оба эти потока в свою очередь рассеиваются в обе стороны (рассеяние второго порядка). В зависимости от размеров и характера частиц возникают электромагнитные колебания не только второго, но и третьего, четвертого порядков и т.д. Суммарный эффект рассеяния каждым элементарным слоем представляет сложную картину многократного рассеяния световых лучей в толще моря.
В этом случае модуль рассеяния оказывается во много раз больше модуля для молекулярного рассеяния. Если при молекулярном рассеянии а=1.56×10 -4 , то в природной морской воде, содержащей взвешенные примеси, модуль рассеяния может достигать величины 0.030. Поэтому, крупные частицы могут вызывать суммарный эффект рассеяния, примерно в 200 раз превышаюший эффект молекулярного рассеяния.
В результате совместного эффекта поглощения и рассеяния света с глубиной происходит ослабление светового потока и изменение его спектрального состава, так как показатели поглощения и рассеяния различным образом зависят от длины волны. Длинноволновые лучи (>0.6 мк) поглощаются в основном поверхностным слоем толщиной в несколько метров, глубже преобладает рассеянная зелено-синяя часть спектра.
В природе процессы поглощения и рассеяния света действуют одновременно. Поэтому при проникновении света в глубину моря его ослабление будет происходить за счет обоих процессов.
Суммарное ослабления светового потока за счет поглощения и рассеяния будет равно Iz= Ioe . Сумму (χλ+kλ) = с называют показателем ослабления света морской водой или показателем экстинкции.
Расстояние z = , на котором происходит ослабление света ве раз, называют натуральной длиной ослабления света.
В чистой океанской воде ослабление света минимальное и определяется преимущественно поглощением света. Рассеяние света имеет одинаковый порядок с поглощением только в голубой части спектра (от 0.3 до 0.5 мк) с максимумом при длине световой волны 0.460 мк. При длинах волн более 0.580 мк доля рассеяния в общем ослаблении света не превышает 1%.
С увеличением замутненности воды, обычно наблюдаемой при подходе к берегу, значение рассеяния в суммарном ослаблении возрастает вследствие наличия в воде крупных взвешенных частиц. Одновременно возрастает и поглощение крупными частицами, что вызывает общее увеличение суммарного ослабления и смещение минимума ослабления в зону более длинных волн.
Зависимость ослабления света от длины волны и наличия примесей определяет общепринятые оптические характеристики — прозрачность морской воды и цвет моря.
Источник