книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

тябре, когда вероятность встречи со льдом в Датском проливе

ив районе Шпицбергена составляет всего лишь 0—20%, однако

увосточного берега Гренландии, западнее о. Ян-Майен, всегда со­ храняется узкая полоса льда.

Распределение льдов в южном полушарии. В южном полуша­ рии на поверхности 39 млн. км2 бывают льды. Ледяное кольцо вокруг Антарктиды имеет ширину от 280 до 1100 миль. Основная масса морских льдов формируется с марта по апрель преимущест­ венно в морях Уэдделла, Беллинсгаузена и Росса, а также вблизи материка. В антарктических водах паковые (квазипостоянные мор­ ские льды) дрейфуют с большей скоростью, чем в арктических. Скорость дрейфа в среднем достигает 4 (море Росса) — 5 (море Уэдделла) миль в сутки. В отдельных случаях скорость дрейфа может доходить до 2 миль в час.

Вотличие от Арктики, где движение льда происходит в основ­ ном по замкнутым круговым траекториям, в южном полушарии льды двигаются преимущественно в северо-западном направле­ нии, поэтому продолжительность существования морского льда меньше, чем в Арктике. По мере удаления от Антарктиды дрей­ фующие льдины попадают в открытый океан и начинают посте­ пенно расходиться; между отдельными ледяными полями появля­

же располагается зона антарктической конвергенции, где холод­ ные полярные воды встречаются с более теплой водой из других широт. Здешние воды — самые бурные на нашей планете. Сильные ветры замедляют дальнейшее движение льдов к северу. Четко вы­ раженная граница распространения антарктического льда обычно располагается в широтах 53—54° ю. ш. Здесь происходит его на­ копление, весьма затрудняющее плавание судов в этом районе.

Зимой и весной (с июля по октябрь) площадь, занятая пако­ вым льдом, составляет около 2310е км2, а в осенние месяцы (фев­ раль—март) уменьшается до 4-106 км2. Летом ледовая кромка в южном полушарии проходит в тихоокеанском и индийском сек­ торах между 63—65° ю. ш., поднимаясь до 58° ю. ш. на меридиане

По горным долинам сползают огромные ледники. Достигнув оке­ ана, они дают начало ровным, столообразным айсбергам.

141

Глава V

о п т и к а м о р я

Оптика моря (гидрооптика) представляет раздел океаногра­ фии, исследующий перенос и трансформацию светового излучения

в море.

Под термином свет (определяемый в океанографии как оптиче­ ское излучение) понимается не только видимая часть спектра, ле­ жащая в пределах 0,380—0,770 мк (микрон) или 380—770 нм (наннометров), но и ультрафиолетовая (0,010—0,380 мк) и инфра­ красная (0,770—3,000 мк). Инфракрасная часть спектра с длиной волны более 3 мк в оптике моря не рассматривается, так как она поглощается тончайшим поверхностным слоем воды и имеет су­ щественное значение при изучении тепловых процессов в море (тепловой баланс моря).

В настоящее время основными направлениями оптики моря яв­

ляются:

теоретическая оптика — исследующая закономерности распро­ странения света в море;

гидрофотометрия — изучающая оптические характеристики воды и методы их измерений;

прикладная гидрооптика — рассматривающая методы практи­ ческого применения результатов гидрооптических исследований для решения различных практических задач.

В данной главе основное внимание будет уделено первому на­ правлению,

§ 21. Основные термины и определения

Оптические явления, наблюдаемые в океанах и морях, опреде­ ляются, с одной стороны, физическими свойствами самой воды, а с другой — характеристиками источников света. Основной источ­ ник света — Солнце. С солнечным излучением связано не только поступление энергии, потребляемой океаном, но и создание необ­ ходимых жизненных условий для морских животных и раститель­ ных организмов.

143

При исследовании оптических явлений в морях и океанах ос­ новное значение имеет не энергетическая, а фотометрическая сто­ рона солнечного излучения.1 Последняя тесно связана с физиоло­ гическим действием света, вследствие чего фотометрические вели­ чины в отличие от энергетических носят в значительной мере субъ­ ективный характер. Дело в том что излучение различных длин волн воспринимается человеческим глазом неодинаково. При одном и том же излучении глаз человека наиболее восприимчив к участку спектра с длинами волн 500—556 нм, соответствующему желтозеленому цвету. Излучение с другими длинами волн видимой ча­ сти спектра, лежащей в диапазоне 380—770 нм, воспринимается значительно хуже. Если принять за единицу восприятия яркости человеческим глазом лучистый поток с длиной волны 556 нм, то

(700 нм) —■в 250 раз.

Приведенный пример показывает, что люди по-разному ощу­ щают отдельные участки спектра. Поэтому для измерения фото­ метрических величин исходят из так называемой средней чувстви­ тельности глаза, устанавливаемой из сравнения чувствительности глаза большого числа лиц, не страдающих дефектами зрения. Средняя чувствительность глаза характеризуется особой величи­ ной, называемой ф у н к ц и е й в и д н о с т и V, значение которой за­ висит от длины волны света. Она определяется как отношение све­

Стандартная величина силы света — свеча. При силе света в одну свечу и телесном угле, равном одному стерадиану, световой поток равен одному люмену.

Л у ч и с т ы й по т о к — количество энергии, переносимое излу­ чением в единицу времени и соответственно выражается в едини­ цах энергии — ваттах.

Следовательно, лучистый и световой потоки различаются чис­ ленно на величину функции видности. Поэтому в зависимости от решаемой задачи пользуются одним или другим потоком.

Си л а и з л у ч е н и я ЛПлучистый поток, испускаемый источни­ ком или элементом источника в бесконечно малом конусе, ось которого совпадает с данным направлением, отнесенный к вели­ чине телесного угла этого конуса, выражается в Вт/стер.

1 Основные определения оптических характеристик приведены ниже.

144

Я р к о с т ь — лучистый поток в единице телесного угла на еди­ ницу площади проекции на поверхность, перпендикулярную на­ правлению излучения. Выражается в Вт/'м2 • стер.

Лучистый поток, падающий на единицу поверхности, называ­ ется о б л у ч е н н о с т ь ю и выражается в Вт/м2.

Световой поток, падающий на единицу поверхности, называется о с в е щ е н н о с т ь ю и выражается в люксах. Люкс соответствует освещенности, создаваемой потоком в 1 лм на площади 1 ы2, т. е.

Для примера можно сказать, что освещенность поверхности моря днем при положении Солнца в зените равна 140 тыс. лк,

а ночью, при полнолунии, —-1л к .

Как отмечено выше, оптические явления, наблюдаемые в океа­ нах и морях, определяются двумя группами оптических характе­ ристик. Первую группу составляют характеристики, зависящие

метрической структуры светового поля, называемые в т о р и ч н ыми . К первичным характеристикам относятся показатели поглоще­ ния, рассеяния и ослабления света, а также индикатриса рассея­ ния; вторичными характеристиками являются такие, как показа­

тели яркости и облученности.

П о к а з а т е л ь п о г л о щ е н и я т ( Х ) — коэффициент погло­ щения бесконечно тонкого слоя воды для нормально падающего на нее пучка, отнесенный к толщине этого слоя. Единица измере­

бесконечно тонкого слоя воды для нормально падающего на нее пучка, отнесенный к толще этого слоя. Показатель ослабления

с — т (X) + k.

С показателем ослабления света тесно связаны понятие проз­ рачности морской воды и коэффициент пропускания Т слоя мор­ ской воды. К о э ф ф и ц и е н т о м п р о п у с к а н и я слоя морской воды называется отношение лучистого потока F (потока излуче­

ния), прошедшего без изменения направления сквозь данный слой

р

воды, к потоку Fo, вошедшему в этот слой, т. е. Т = - у —.

Спектральный коэффициент пропускания относится к монохро­ матическому излучению определенной длины волны К.

П р о з р а ч н о с т ь ю м о р с к о й воды называется коэффициент пропускания, отнесенный к однородному слою воды толщиной 1 м. Она обычно выражается в процентах на 1 м. Прозрачность свя­ зана с показателем ослабления с соотношением с = —logiO0.

Следовательно, показатель ослабления с численно равен величине* обратной расстоянию, на котором поток параллельного пучка моно­ хроматического излучения ослабляется в 10 раз. Измеряется он,.

как было сказано выше, в обратных метрах ( _]^“') - Напомним*

что он равен сумме показателей поглощения и рассеяния света.

В океанографии, наряду с указанным выше физическим опре­ делением прозрачности, используется характеристика, которую для сокращения так же называют прозрачностью, но имеющая другой смысл. Это о т н о с и т е л ь н а я прозрачность. Относительная про­ зрачность характеризуется глубиной исчезновения белого диска

ного объема в данном направлении, отнесенная к величине этого объема и к нормальной облученности.

§ 22. Основы теории распространения излучения в море

Основным уравнением теории распространения излучения в море служит уравнение переноса излучения, определяющее из­ менение интенсивности излучения вдоль луча и связывающее ме­ жду собой количество энергии, рассеиваемое элементарным объ­ емом. В общей форме уравнение переноса энергии достаточно сло­ жно и получить полное его решение на сегодня не представляется возможным. Причина этого заключается в чрезвычайной сложно­ сти самого явления распространения излучения в море и вытекаю­ щих отсюда больших математических трудностей, с которыми со­ пряжено решение этой задачи, а также в отсутствии необходимых конкретных данных об оптических характеристиках, входящих в ос­ новное уравнение.

Поэтому при решении практических задач применяют упрощен­ ные уравнения при широком использовании экспериментальных данных. В качестве примера приведем упрощенное уравнение пе­ реноса излучения без учета поляризации, для случая освещения поверхности моря направленным излучением при условии изотроп­ ности морской воды и отсутствии источников света в самой среде. Оно имеет вид

146

(луча), а ср — азимутальный угол распространения потока; с (г) — показатель ослабления света морской водой на глубине 2 ; k(z) — показатель рассеяния света морской водой на глубине z; |3 (у) — индикатриса рассеяния в направлении угла рассеяния у; ц', ф '— координаты направления распространения рассеянного света на глубине z, аналогичные ц и ф.

Однако даже и в таком виде получить полное решение иско­

исследований.

При решении многих прикладных задач, связанных с исследо­ ваниями распространения излучения в море, в первую очередь не­ обходимо иметь данные о характере изменения потока излучения с глубиной и параметров поля излучения, создаваемого потоком естественного света. В этом случае направление распространения света можно принять перпендикулярным к поверхности моря, т. е. вертикальным, и рассматривать изменение интенсивности излуче­ ния только для потоков, распространяющихся вниз и вверх. Это существенно упрощает решение. Далее основное внимание будет уделено именно этому случаю и лишь в общих чертах будет рас­ смотрено распространение света от искусственных источников, на­ правление излучения которых может быть любым.

§ 23. Освещенность поверхности моря

Поверхность моря освещается как прямым солнечным светом, так и светом, рассеиваемым самой атмосферой (небесным сводом) и облаками. Освещенность зависит от высоты Солнца. Если при­ нять освещенность при положении Солнца в зените за единицу, то относительная освещенность при других высотах Солнца может быть выражена кривой S, представленной на рис. 5.1.

Для получения абсолютных величин освещенности достаточно умножить относительные величины на 140 тыс. люкс, соответст­ вующие освещенности поверхности моря при положении Солнца в зените.

На рис. 5.1 представлена также кривая N, выражающая ход освещенности рассеянным (диффузным) светом небесного свода при отсутствии облаков и различных высотах Солнца над гори­ зонтом в тех же относительных единицах.

Если Солнце полностью закрыто облаками, вся освещенность поверхности моря обусловлена рассеянным светом, исходящим от облаков.

На рис. 5.2 показаны кривые, характеризующие изменение от­ носительной освещенности (в тех же единицах) с изменением вы­

соты Солнца, создаваемой облаками различных форм, по Н. Н. Калитину.

Кривая 1 характеризует освещенность, создаваемую небесным сводом, при отсутствии облаков и соответствует кривой N рис. 5.1.

Остальные кривые отвечают освещенности, создаваемой облаками различных форм, а именно:

кривая 2 — перистыми и перисто-слоистыми, 3 — перисто-кучевыми, 4 — высококучевыми, 5 — высокослоистыми,

6— слоисто-кучевыми,

7—•кучево-дождевыми,

8— слоистыми,

9—■дождевыми.

Спектральный состав падающего на поверхность моря свето­ вого потока не одинаков для различных условий освещения. На рис. 5.3 представлено среднее спектральное распределение от­ дельно для прямого солнечного излучения, суммарной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, пасмурного неба и участка неба в зените при отсутствии облачности.

Как видно на рисунке, для спектрального состава небесного свода (кривая А) характерно максимальное излучение в области синей части спектра. Для суммарной радиации на горизонтальную поверхность максимум смещается в сторону зеленой части спек­ тра. Поэтому основной характеристикой спектрального состава падающего на поверхность моря светового потока служит кри­ вая В.

148

Падая на поверхность моря, этот световой поток частично отра­ жается, а частично преломляется и проникает в глубины моря. Со­ отношение между преломленным и отраженным световыми пото­ ками зависит от высоты Солнца. На рис. 5.4 показана рассчитан­ ная В. В. Шулейкиным кривая, характеризующая отношение све­ тового потока /, проникающего в воду, к потоку /о, падающему на поверхность моря, в зависимости от высоты Солнца. Как видно

I

на рисунке, при высоте Солнца 0° весь световой поток отражается от поверхности моря. С увеличением высоты Солнца доля свето­ вого потока, проникающего в воду, увеличивается, и при высоте Солнца 90° в воду проникает 98% всего падающего на поверх­ ность потока.

Воптике моря чаще пользуются не отношением проникающего

вводу светового потока к падающему, а отношением отраженного от поверхности моря потока к падающему, называемому а л ь б е д о поверхности моря. Тогда альбедо поверхности моря для высоты Солнца 90° составит 2%, а для 0°— 100%.

Альбедо поверхности моря различно для прямого и рассеян­ ного светового потоков (радиации). Приведенные цифры отно­ сятся к прямой радиации, для которой альбедо существенно зави­ сит от высоты Солнца. Для рассеянной радиации альбедо практи­ чески не зависит от высоты Солнца. По расчетам А. А. Гершуна,

оно равно 7%. По данным наблюдений альбедо рассеянной радиа­ ции колеблется в пределах 5—6%.

Альбедо зависит от состояния поверхности моря, т. е. от вол­ нения. Однако точных связей пока не получено. Проведенные наблюдения при волнении до четырех баллов дают основание

149

полагать, что с увеличением волнения альбедо несколько возрастает при высотах Солнца до 70°, а затем уменьшается.

От высоты Солнца зависит п длина пути Д солнечных лучей,

ется с повышением температуры и заметно растет с увеличением

Зависимость коэффициента преломления от солености исполь­ зуется в оптических методах определения солености.

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

§ 24. Поглощение света в море

Наблюдения над поглощением света водой показывают, что оно неодинаково для световых волн разной длины. Сильнее всего по­

150