книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

где Ѳ прозрачность морской воды, однозначно связан­ ная с другой гидрооптической характеристикой — коэф­ фициентом (показателем) ослабления.

Обычно прозрачность выражают в процентах:

Следовательно, прозрачность морской воды, или, точнее, коэффициент пропускания есть выраженное в

процентах отношение светового потока Ф')7_, , прошед- 2=1

шего без изменения направления через слой воды тол­ щиной, равной 1, к световому потоку Ф0, входящему в этот слой. Воды различных естественных водоемов ха­

рактеризуются следующими ориентировочными дан­ ными:

В формулах (3.94) — (3.97) коэффициент а исполь­ зуется для оценки ослабления направленного светового пучка, распространяющегося в каком-то одном направ­ лении, например лучей прожектора, лазера. Для есте­ ственного дневного света в океане, представляющего собой нисходящий световой поток, состоящий как бы из множества «элементарных» световых пучков различ­ ных направлений, вводится понятие коэффициента вер-

тикального^ ослабления а. Исследования показывают, что значения а оказываются в несколько раз меньшими по

величине, чем я. На величину показателя ослабления «'

148

влияют и характер освещения поверхности океана, и глубина, и неоднородности оптических свойств воды, и изменчивость спектрального состава света с глубиной. Но это справедливо лишь до некоторой глубины, ниже которой наступает так называемый глубинный режим, где показатель вертикального ослабления а' не меняет­ ся и его значение зависит только от оптических свойств среды [43].

Подводная освещенность. Разделив обе части равен­ ства (3.94) на площадь 5, получим величину светового потока, падающего на единицу поверхности, т. е. осве­ щенность

Из уравнения (3.100) следует, что подводная осве­ щенность с глубиной также убывает по экспоненциаль­ ному закону, это и обусловливает интенсивное исчезно­ вение света с глубиной.

Пример. В пасмурный день освещенность поверхно­ сти Черного моря составляла £,0=ЮО лк. Значение коэффициента ослабления а'»:0,12. Требуется опреде­

Я ^ Ю М О " 0,12'10« ^ 0,8.

lg Ei = 0,8 lg 10 = 0,8. Ei = б лк.

Е2= ІО2- іо~0,12'100 = 10-10 лк (света практически нет).

Относительная прозрачность. Под относительной прозрачностью в гидрооптике условно подразумевают выраженную в метрах глубину, на которой перестает быть видимым ' белый (стандартный) диск диаметром 30 см. Установлена эмпирическая зависимость между глубиной исчезновения белого диска Ze и коэффициен­ том ослабления света с:

149

где 1V — эмпирический коэффициент, изменяющийся в пределах от 1,5 до 8,0 для различных районов Мирового океана.

т. е. цвета моря, и зависимость этой изменчивости от внешних условий:

—угла зрения и коэффициента отражения;

— цвета неба;

—наличия облаков;

—состояния поверхности моря.

Цвет моря в значительной степени определяется и собственным цветом воды, который не зависит от влия­ ния внешних факторов, а определяется исключительно оптическими свойствами самой воды.

Световой поток, излучаемый морем и попадающий в глаз наблюдателя, включает два основных компонен­ та. Во-первых, это отраженные поверхностью моря пря­ мые и рассеянные солнечные лучи, имеющие такой же спектральный состав, что и падающие. Именно эта часть светового потока зависит от внешних факторов и определяет изменчивость окраски морской поверхности. Например, при возникновении волн море начинает бы­ стро синеть, при плотных облаках кажется более тем­ ным. Во-вторых, это вышедший из глубин моря восхо­ дящий поток света, спектральный состав которого опре­ деляется процессами поглощения и рассеяния света, происходящими в толще воды. Так как красные и жел­ тые лучи поглощаются морской водой почти полностью, а голубые и синие подвергаются интенсивному рассея­ нию, в вышедшем из глубин потоке света максимум спектрального распределения приходится на голубую часть спектра, соответствующую длинам волн порядка 0,48 мкм. Голубой цвет является собственным цветом абсолютно чистой, без примесей, морской воды, он об­ условливается только молекулярным рассеянием. В от­ крытых частях океана наиболее чистые воды имеют го­ лубой и синий цвет, доля зеленого цвета не превышает 10%, желтые лучи практически отсутствуют. В мутных прибрежных водах, где рассеяние света обусловлено на­ личием примесей, максимум спектрального распределе­

но

>

циальная шкала цветности, содержащая 11 словесных определений цвета. Кроме того, каждый цвет подраз­ делен (по интенсивности) на два оттенка; в результате вся шкала содержит оттенки 21 номера.

Так как и цвет и прозрачность морской воды опреде­ ляются одними и теми же свойствами морской воды, то можно предположить существование функциональных зависимостей между этими важнейшими гидрооптиче­ скими характеристиками. Экспериментальные данные подтверждают такую зависимость, в частности между

Методы измерения гидрооптических характеристик.

Для полной характеристики светового режима в океане должны измеряться многие параметры гидрооптиче­ ского поля: показатель ослабления света (экстинкции), индикатриса рассеяния, показатель преломления, про­ зрачность в различных частях спектра,'* распределение яркости, подводная освещенность, цвет, степень поляри­ зации света, интенсивность биолюминесценции и некото­ рые другие оптические характеристики морской воды.

151

Однако в практике океанографических исследований по стандартным программам обычно ограничиваются измерением двух параметров: прозрачности морской воды и подводной освещенности. Это вполне оправданно для массовых наблюдений, так как на основании этих данных можно получить другие важнейшие величины, характеризующие оптические'свойства морской воды и световой режим на глубинах океана, используя функ­ циональные зависимости между ними.

отметить, что пока еще не существует какой-либо единой серийной гидрооптической аппарату­ ры и методики измерения. Имеемые типы приборов поз­ воляют либо выполнять гидрооптические измерения с помощью дистанционных приборов за бортом в толще воды, либо исследовать в лабораторных установках пробы морской воды, извлеченные с различных глубин с помощью батометров. Измерения дистанционными приборами ограничены длиной кабеля, соединяющего датчик с регистрирующей частью (300—400 м). Иссле- ' дования проб воды не ограничены глубиной, но выпол­ няются при изменившихся условиях температуры и дав­ ления, не исключено также загрязнение проб посторонными примесями. Оба вида методов взаимно допол­

няют друг друга и должны поэтому применяться совместно.

Белые диски. Этот простейший прибор, представ­ ляющий собой металлический круг диаметром 30 см, окрашенный в белый цвет и опускаемый в горизонталь­ ном положении в толщу воды, служит для определения величины относительной прозрачности, т. е. той глуби­ ны Z6 в метрах, на которой диск перестает быть види­ мым. применяя специальные очки с цветными свето­ фильтрами, можно определить отйосительную прозрач­ ность в различных частях спектра.

Прибор широко распространен благодаря своей про­ стоте и доступности. Эмпирические зависимости связы­ вают глубину исчезновения белого диска с величиной показателя ослабления, коэффициентом пропускания и цветом морской воды. По величине относительной про­ зрачности можно судить о глубине, исключающей ви­ зуальное обнаружение подводных лодок с самолетов и вертолетов при условии, если ниже этой глубины будет находиться рубка лодки. Однако методу определения

152

относительной прозрачности с помощью белого диска присущи серьезные недостатки:

—метод позволяет судить о прозрачности только самого верхнего слоя воды, и то приближенно;

—качество наблюдений зависит от внешних факто­ ров (характера освещения и состояния поверхности океана), при состоянии поверхности океана более 3 бал­ лов результаты наблюдений неудовлетворительны;

—ночью наблюдения невозможны.

Прозрачномеры. Фотометры-прозрачномеры погру­ жаемые (ФПМ-57, ФПМ-60) предназначены для дистан­ ционного определения на различных глубинах коэффи­ циента пропускания воды S в белом свете, а также (с применением специальных светофильтров) на несколь­ ких спектральных участках видимой области световых лучей. Прозрачномеры состоят из опускаемого за борт датчика, соединенного многожильным кабелем с реги­ стрирующим устройством (электронным потенциоме­ тром типа ЭПП-09), установленным на борту судна.

Основными элементами датчика являются:

—осветитель;

—оптическая система, создающая узкий направлен­ ный пучок света;

— приемник излучения — фотоэлектрический преоб­ разователь (фотоэлемент), измеряющий энергию пучка света после прохождения через слой исследуемой воды единичной толщины (рис. 29). При этом световой поток ослабевает, степень ослабления зависит от измеряемого параметра (прозрачности).

Возникающий в цепи фотоэлемента первичный фото­ ток / оказывается строго пропорциональным величине падающего на фотоэлемент светового потока Ф:

ходит через сопротивление Ri запирающего слоя, дру­ гая часть /„ — через внешнее сопротивление RH нагруз­ ки (рис. 29).

Тогда

(3.103)

153

При производстве наблюдений производят два отсче­ та: первый (ы0) — в воздухе (постоянная прибора), второй (и) — на заданной глубине.

Тогда

Фотометры-прозрачномеры просты в изготовлении и удобны в эксплуатации, но обладают существенным недостатком — малой точностью.

Рис. 29. Схема устройства селенового фотоэле­ мента с запирающим слоем и его эквивалентная электрическая схема:

Фотометры подводной освещенности. Для измерения подводной освещенности в белом свете и на нескольких участках спектра оптической области применяются раз­ личного рода подводные фотометры, погружаемые в воду на тросе или кабеле (ФМПО-60).

Приемной частью прибора служит светочувствитель­ ный элемент — фотоэлектрический преобразователь, за­ ключенный в водонепроницаемый бокс. Напряжение фототока, пропорциональное величине освещенности на заданной глубине, фиксируется на судне с помощью элек­ тронного потенциометра типа ЭПП-09. В качестве фото­ электрических приемников света в гидрооптических при­ борах обычно применяются селеновые фотоэлементы.

154

Они обеспечивают удовлетворительную линейность, до­ статочную стабильность показаний и не требуют слож­ ных измерительных схем. Однако точность измерений невысока (относительная средняя квадратическая ошиб­ ка /п = ± 3 —5%).

Спектрогидронефелометры (греч. nephele — облако и metreo — измеряю). Приборы (СГН-57) предназначены для определения в лабораторных условиях показателя рассеяния проб морской воды в белом свете и на не­ скольких участках видимой области спектра. Спектрогидронефелометр представляет собой лабораторный ви­ зуальный фотометр, в котором яркость рассеянного во­ дой света сравнивается с известной яркостью пластинки из молочного стекла.

Для измерения показателя рассеяния под различны­ ми углами осветитель прибора может поворачиваться относительно светочувствительного элемента — фотомет­ ра на различные углы в пределах от 0 до 180°. По ре­ зультатам этих наблюдений могут быть построены инди­ катрисы рассеяния света для исследуемой воды.

§ 14. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

Высокая степень диссоциации морской воды, как до­ вольно слабого раствора солей, определяет ее хорошую электрическую проводимость, которая возрастает почти линейно с увеличением солености.

Зависимость электропроводности у морской воды от ее солености 5 при некоторых фиксированных значениях температуры исследована экспериментально Е. Руппиным и, например, для 15° С описывается формулой

Влияние температуры на электропроводность морской воды является преобладающим: с увеличением темпера­ туры увеличивается подвижность ионов, внутреннее тре­ ние в воде уменьшается, при этом электропроводность возрастает практически пропорционально степени по­ движности ионов. Определение электропроводности при

155

иных значениях температуры t выполняется по формуле М. Кнудсена

В. В. Косаревым и В. В. Александровым получены ра­ бочие формулы для двух диапазонов температуры и со­ лености морской воды [33]:

величину удельной электропроводности морской воды в 1/(Ом-см) в зависимости от ее температуры и соле­ ности.

Предъявление более жестких требований к точности определения солености морской воды вызвало необходи­ мость установления более точной зависимости между со­ леностью и электропроводностью. По результатам иссле­ дований, выполненных по заказу ЮНЕСКО, получена следующая зависимость [39]:

156

Расхождения в значениях соленостей, рассчитанных по формуле (3.108) и полученных аргентометрическим методом, не превышают 0,01 % о-

Вследствие электропроводности морской воды в ней должны протекать электрические токи. Предположения о существовании электрических токов в земной коре от­ носятся к началу, а первые эксперименты по их обнару­ жению— к середине XIX в. Электрические же токи в океане были измерены только в 1935 г. во время работ А. Т. Миронова в Баренцевом море. Теперь установлены основные причины, формирующие естественное электри­ ческое поле в океане, а именно:

— геомагнитные вариации, вызываемые неоднород­ ностями корпускулярного излучения Солнца и проявляю­ щиеся в магнитных бурях, полярных сияниях, периоди­ ческих и непериодических изменениях магнитного поля

идр.;

—электрические неоднородности донных пород, вы­

зывающие теллурические (земные) токи;

— атмосферное электричество, проникающее в океан через поверхность раздела воздух — вода путем грозо­ вых разрядов;

— движение вод в магнитном поле Земли.

Первые три причины обусловливают возникновение в океане электрических токов, аналогичных токам в твер­ дой оболочке Земли. Идея возникновения электрическо­ го эффекта при движении морской воды в магнитном поле Земли, впервые высказанная Фарадеем в 1832 г., в 1950 г. была применена для измерения морских течений с движущегося судна с помощью электромагнитного из­ мерителя течений (ЭМИТ), основанного на измерении э. д. с., наводимой в электрическом проводнике, переме­ щающемся под действием течения. При горизонтальном перемещении течением проводника длиной / см, располо­ женного перпендикулярно к вектору течения, со скоро­ стью V см/с и при вертикальной составляющей, магнит­ ного поля Земли Hz Э наводимая в нем э. д. с. Е В оказывается равной

откуда

(3.110)

157