книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

Таблица 19

Натуральная длина ослабления света для дистиллированной воды (по С. К. Дантли)

месей определяет общепринятые оптические характеристики: про­ зрачность морской воды и цвет моря.

Прозрачностью морской воды называют отношение потока из­ лучения, прошедшего в ней без изменения направления путь, рав­ ный единице, к потоку излучения, вошедшему в воду в виде па­ раллельного пучка. Прозрачность морской воды тесно связана с коэффициентом пропускания Т морской воды, под которым пони­ мается отношение потока излучения, пропущенного некоторым слоем воды, к потоку излучения, упавшему на этот слой. Учитывая соотношение (5.11) для коэффициента пропускания, можно запи­ сать равенство

т. е. равна коэффициенту пропускания для однородного слоя еди­ ничной толщины.

Наряду с указанным физическим определением прозрачности используется и другое, в котором под прозрачностью морской воды понимается глубина, на которой перестает быть видным бе­ лый диск диаметром 30 см (стандартный диск). Эту величину сей­

ность, может быть связана с физическим понятием прозрачности, так как обе характеристики зависят от коэффициента ослабления.

Физическая природа исчезновения диска на определенной глу­

глощения. При этом, как показал В. В. Шулейкин, с увеличением глубины происходит увеличение потока рассеянного света в сто­ роны (за счет рассеяния высших порядков). Иными словами, рас­ сеянный поток идет «веером» от поверхности в глубину. На не­ которой глубине рассеянный в стороны поток оказывается равным

энергии прямого света. Следовательно, если опускать диск ниже этой глубины, то поток, рассеянный в стороны, будет больше ос­ новного потока, идущего вниз, и он будет «закрывать» диск. Диск перестает быть видимым.

По расчетам Шулейкина, глубина, на которой выравниваются энергии основного потока и потока, рассеянного в стороны, соот­ ветствующая глубине исчезновения диска, равна для всех морей двум натуральным длинам ослабления света. Иными словами, про­ изведение показателя рассеяния на прозрачность есть величина по­ стоянная и равная 2, т. е.

где Н — глубина исчезновения белого диска. Это соотношение дает возможность связать условную характеристику морской воды — от­ носительную прозрачность с физической характеристикой — показа­ телем рассеяния.

Так как показатель рассеяния входит составной частью в по­ казатель ослабления, оказывается возможным связать относитель­ ную прозрачность и с показателем ослабления, а следовательно, и с физическими характеристиками прозрачности.

Такая зависимость была установлена Гершуном на основании наблюдений, произведенных в наших внутренних морях. Зависи­

Так как между показателями поглощения и рассеяния нет пря­ мой пропорциональности, то, очевидно, соотношение (5.16) не бу­ дет справедливым для каждого моря (как это имеет место для соотношения (5.15). В каждом море связь показателя ослабления с прозрачностью будет своя.

Так, например, по наблюдениям Пуля и Аткинса в Ламанше, соотношение между показателем ослабления и прозрачностью по­ лучилось следующее:

сЯ = 1,7.

А. В. Трофимов дает для Белого моря соотношение

сН = 3,06.

По наблюдениям автора, в водах большой прозрачности соот­ ношение оказалось следующим:

сН = 2,

т. е. совпадающее с соотношением Шулейкина (5.15), полученным им теоретически. Однако в соотношении Шулейкина вместо пока­ зателя ослабления стоит показатель рассеяния. Это указывает на то, что, по-видимому, в исследованном автором случае общее ослаб­ ление света было обусловлено главным образом рассеянием света.

Ослабление с глубиной распространяющегося в море потока дневного света бывает удобно характеризовать коэффициентом

162

подводной освещенности rj, под которым понимается отношение освещенности Ег некоторой плоскости, находящейся в море на глу­ бине г, к одновременному значению подповерхностной освещенно­ сти Еоа, т. е.

Ez

Значение коэффициента ц может быть выражено и в процентах. Процентное соотношение более наглядно показывает интенсивность убывания света с глубиной. В качестве примера в табл. 20 приве­ дено значение коэффициента подводной освещенности в процентах на разных глубинах для вод различной относительной прозрачно­ сти.

Т а б л и ц а 20

Значения коэффициента подводной освещенности

(%) для вод различной относительной прозрачности

Коэффициент подводной освещенности может быть достаточно просто определен из наблюдений над освещенностью на разных глубинах с помощью гидрофотометра. По величинам .Eon и Ez для различных глубин рассчитывается коэффициент подводной осве­ щенности.

Из данных табл. 20 следует, что наибольшая часть световой энергии поглощается в самых верхних слоях. До глубины 50 м доходит всего несколько процентов и даже доли процента энергии, падающей на поверхность моря. Применяя для видимой части спектра формулу (5.11), можно записать

только после прохождения толщи воды, равной бесконечности. По­ этому совершенно неверно ставить вопрос о том, до какой глу­ бины распространяется свет в море. Такую задачу пытались ре­ шить опытным путем, опуская фотопластинки на разные глубины и наблюдая их почернение. Очевидно, что при таком подходе «пре­ дельная» глубина проникновения света зависит от уровня

развития техники: с появлением более чувствительных пластинок будет возрастать и «предельная» глубина.

Следовательно, можно ставить только задачу определения глу­ бины, на которой световой поток составляет заданную долю све­ тового потока, падающего на поверхность моря.

Пользуясь данными табл. 20 и формулой (5.17), можно рассчи­ тать значения показателя ослабления для видимой части спектра

10100 раз для соответствующих длин волн, т. е. свет с длиной волны Л = 0,62 мк ослабляется в десять миллиардов раз. Поэтому можно считать, что 100-метровая толща воды не пропускает света с длиной волны больше 0,6 мк.

В инфракрасной части спектра ослабление света идет еще бы­ стрее. Так, для света с длиной волны 1 мк коэффициент поглоще­ ния оказывается равным 47 м-1. Поэтому инфракрасная радиация поглощается почти полностью уже в самом верхнем слое морской воды толщиной несколько см.

Сказанное хорошо иллюстрируется рис. 5.13, показывающим спектральное распределение облученности сверху (по Компа, 1961). Под облученностью ЕИсверху понимается лучистый поток, падаю­ щий сверху (0—180°) на бесконечно малый элемент горизонталь-

164

ной поверхности, отнесенный к площади этого элемента. Она из­ меряется в Вт/м2. Если учесть функцию видности, то не трудно по­ нять, что максимумы облученности (в данном случае освещенно­ сти) на всех горизонтах еще сильнее смещены в сторону коротких волн. Поэтому нетрудно себе представить то, о чем рассказывают Ж. И. Кусто и Ф. Дюма:

«Удивительная картина открылась перед нами, когда на глу­ бине нескольких десятков метров Дюма (Диди) ранил гарпуном большую рыбу-лихию. Кровь была зеленая! Мы недоумевающе пе­ реглянулись. Крепко держа гарпун со своим трофеем, Диди пошел вверх. На глубине пятидесяти футов кровь стала коричневой. Двад­ цать пять футов — она уже розовая, а на поверхности растеклась алыми струями» *.

Сказанное об избирательном ослаблении светового потока лиш­ ний раз указывает на то, что относительная прозрачность-—поня­ тие условное. Она характеризует, как отмечено выше, глубину ис­ чезновения б е л о г о диска , наблюдаемого в полихроматическом свете. Кроме того, величина относительной прозрачности зависит от высоты, с которой производятся наблюдения, состояния поверх­ ности моря (волнения), условий освещенности и т. п.

С увеличением высоты наблюдения относительная прозрачность увеличивается, благодаря уменьшению влияния отраженного от по­ верхности моря светового потока солнца и небесного свода, кото­ рый мешает наблюдениям. Однако увеличение относительной проз­ рачности с высотой наблюдается до высот порядка 200—300 м", где мало сказывается уменьшение угловых размеров предмета и умень­ шение отраженного от предмета светового потока. При больших высотах увеличение относительной прозрачности за счет уменьше­ ния отраженного потока становится меньше ее понижения за счет уменьшения угловых размеров предмета и светового потока, иду­ щего от предмета.

Волнение уменьшает относительную прозрачность, создавая уве­

условия освещения, при которых величина относительной прозрач­ ности наибольшая. При отсутствии облаков наблюдения затруд­ няются солнечными бликами, и относительная прозрачность умень­ шается. При наличии мощного покрова облаков уменьшается све­ товой поток, достигающий поверхности моря, что также приводит к уменьшению относительной прозрачности.

Для того чтобы приблизить результаты наблюдений над отно­ сительной прозрачностью к решению практических задач о выборе наиболее выгодной окраски подводных объектов, производят на­ блюдения с цветными дисками.

1 Ж.-И. Кусто, Ф. Дюма. «В мире безмолвия». М., «Молодая гвардия», 1957.

165

Значения относительной видимости цветных дисков по сравне­ нию с видимостью белого диска, принятой за единицу (по Ю. В. Преображенскому), характеризуются данными табл. 21.

Т а б л и ц а 21

Относительная видимость цветных дисков

Цвет Белый Синий Зеленый Желтый Красный Черный

Из приведенных данных нетрудно видеть, что для расчета ос­ вещенности на различных глубинах необходимо исходить не из относительной прозрачности воды, а из ее физических характери­ стик: показателей рассеяния, поглощения и ослабления.

§ 27. Некоторые особенности распространения света в море от искусственных источников

Рассмотренные оптические характеристики морской воды отно­ сятся к первичным, т. е. не зависящим от характеристик источни­ ков света. Они практически полностью определяют условия рас­ пространения дневного естественного света. При исследовании распространения света от искусственных источников возникает не­ обходимость учитывать вторичные характеристики, зависящие так­ же и от геометрической структуры светового поля.

Характеристики искусственных источников света. При оценке подводной освещенности искусственными источниками света необ­ ходимо учитывать следующие особенности:

— сильное рассеяние света водной средой, содержащей раство­ ренные вещества и взвешенные частицы, которое обусловливает вы­ бор наиболее рационального принципа подводного освещения, за­ ключающегося в засветке минимальных объемов воды;

— избирательное ослабление света, вызывающее для немоно­ хроматических источников света существенное различие в распре­ делении энергии по спектру для них и на освещаемом объекте.

Учет отмеченных особенностей приводит к выводу о целесооб­ разности использования прожекторного освещения при варьирова­ нии следующими светотехническими характеристиками:

—мощностью источника света;

—спектральным составом излучения;

—углом рассеяния светильника.

При этом оказалось, что в большинстве случаев нецелесооб­ разно применять источники большой мощности (более 1 кВт), так как при большой мощности источника наряду с увеличением осве­ щенности объекта усиливается и световая дымка, создаваемая рас­

166

сеянным светом, что может значительно снизить видимый контраст освещаемого объекта.

В качестве источников света для подводных осветителей обычно применяются лампы накаливания и газосветные (ртутные и натрие­

вые) .

Ртутные лампы (с добавками металлических солей иодистоводородной кислоты) обладают малым телом накала большой яркости. Их достоинством служит то, что они обеспечивают максимальную дальность видимости при параллельном пучке, а при широком рас­ ходящемся пучке — оптимальные условия освещения для подводной фотографии и телевидения. Значительная доля энергии излучения по спектру приходится на желто-зеленую часть, которая соответст­ вует максимуму восприятия светового потока человеческим глазом.

Исследования показали, что при прохождении двухметровой толщи воды свет от ртутной лампы с иодидом таллия ослабляется на 78%, от обычной — на 80%, а от лампы накаливания на 90%.

Достоинством натриевых ламп является их эффективность, обу­ словленная наименьшим рассеянием света длинноволновой части спектра, соответствующей максимуму излучения натриевых ламп.

В последние годы широкое применение получили лазеры как для решения практических задач (подводной связи, светолокации и др.), так и для изучения оптических характеристик морской воды.

Одной из основных характеристик искусственных источников света является угловое распределение излучаемого светового по­ тока, т. е. излучает ли источник параллельный или расходящийся пучок света.

Параллельный пучок света. Подводный светильник, создающий параллельный пучок (с расходимостью лучей меньше 1°) обладает отличительными свойствами. Если смотреть на него со стороны ос­ вещаемого им предмета, то удаленный светильник с параллельным пучком подобен светильнику с широким пучком, находящимся на некотором меньшем расстоянии. Он также окружен ореолом, обра­ зованным рассеянным светом, распределение яркости которого сле­ гка отлично от распределения яркости ореола широкого пучка за­ метным увеличением яркости в пределах малых углов (вблизи оси пучка). Освещенность прямым светом Нтплощадки, расположенной нормально к пучку света на расстоянии г от светильника, равна

где Н0— энергетическая освещенность в воде у линзы; а — эмпири­ ческий коэффициент.

Если учитывать освещенность, создаваемую рассеянным светом, общая освещенность площадки будет больше Я,.. При этом, чем больше расстояние от источника, тем большее влияние на освещен­ ность оказывает рассеянный свет. Однако для восприятия (фотогра­ фирования) предмета существенное значение имеет именно свето­ вая энергия прямого света, достигающая объекта. Поэтому рассе­ янный свет, который по мере удаления от источника превышает

167

прямой н является преобладающим при оценке освещенности, ста­ новится помехой при оценке контрастности (возможности фотогра­ фирования) освещаемого объекта.

Расходящийся пучок света. Каждый подводный предмет и каж­ дый! объем воды, освещенный подводным источником света с рас­ ходящимся пучком, имеет определенное распределение энергетиче­ ской яркости, которое зависит от силы излучения лампы, оптических характеристик воды и от расстояния до источника света (лампы).

Если источник света представляет собой сферическую лампу, то наблюдателю светящаяся лампа будет представляться окруженной ореолом рассеянного света, который становится все более заметным с увеличением расстояния от лампы. При определенном удалении от лампы (часто до 18—20 натуральных длин ослабле­ ния) изображение лампы не может быть распознано и виден только ореол. Ореол может наблюдаться на зна­ чительно больших расстоя­ ниях, зависящих от силы из­ лучения источника и оптиче­

ских характеристик воды. Яркость лампы убывает

практически по экспоненте

Nr= NGe~ar,

где Nr— яркость лампы па расстоянии г, N0— яркость поверхности лампы, а — на­ туральный показатель ослаб­ ления воды.

Яркость ореола меняется с изменением угла поля зрения и имеет вид, представленный на рис. 5.14, где показано угловое распределе­ ние яркости от сферической лампы.

Имея кривые яркости ореола и зная показатель ослабления и рассеяния воды, можно в любой точке рассчитать яркость предмета, яркость фона, контраст предмета.

Освещенность предмета создается прямым и рассеянным светом. Освещенность Нг, создаваемая прямым светом на расстоянии г при нормальном падении света от источника, имеющего силу излучения На, определяется соотношением

Н°_=Нп

где с — показатель ослабления света.

Дополнительно предмет имеет освещенность Н*, создаваемую рассеянным излучением. Следовательно, общая освещенность

н т= н ° + н * .

1 т Г

168

Величина Нг может быть измерена, а Н° рассчитано. Следова­ тельно, можно рассчитать и Н* как разность Н* = НТ— Н°.

Если положить, что рассеяние происходит равномерно по всем направлениям, то можно считать, что

Из этого соотношения можно найти значение показателя рас­ сеяния k. Но если определить значение k непосредственно, то рас­ четы дают суммарную освещенность вдвое меньше измеренной. Это объясняется тем, что в приведенных соотношениях не учитывается влияние многократного рассеяния и неравномерности рассеяния в различных направлениях. Поэтому необходимы тщательные ги­ дрооптические наблюдения в естественных условиях.

Характеристика распространения светового луча лазера. С по­ явлением лазеров было уделено очень большое внимание исследо­ ванию полос пропускания света морской водой. Эти исследования показали, что в воде (в отличие от атмосферы) не существует уча­ стков спектра с большой пропускной способностью. Поэтому рас­ пространение светового луча лазера аналогично распространению параллельного пучка света от любых источников.

Отличие лазерных источников от описанных выше искусственных источников состоит только в том, что лазерные устройства могут создавать пучки света с малым уклонением по длине волны. Обычно лазерные установки, предназначенные для использования в море, имеют длину волны света, соответствующую сине-зеленому участку спектра. На этом участке, как показано выше, морская вода обла­ дает наибольшей прозрачностью. Наиболее распространенными яв­ ляются лазеры с зеленым лучом. Испытание таких лазеров пока­ зало, что при угловом отклонении луча до ± 1,5° интенсивность све­ тового потока луча лазера соответствует прямому лучу до расстояния около 50 м. При больших расстояниях уменьшается направленность луча лазера и увеличивается влияние фона, создаваемого рассеян­ ным светом. Особенно резко происходит ослабление интенсивности луча лазера на близких расстояниях от источника при различной прозрачности морской воды. При больших расстояниях влияние прозрачности сказывается меньше. Так, например, при относитель­ ной прозрачности воды 5 м интенсивность луча лазера на расстоя­ нии 5 м уменьшается в тысячу раз, а при прозрачности воды 15 м в сто раз. При расстояниях от лазера 50 м относительное уменьше­ ние интенсивности луча света лазера примерно одинаково как для вод с относительной прозрачностью 5 м, так и для вод с прозрач­ ностью 15 м.

§ 28. Цвет моря

При рассмотрении вопроса о цвете моря необходимо различать два понятия: цвет моря 1и цвет морской воды.

1 Под цветом моря понимается видимый цвет его поверхности.

169

Собственный цвет воды есть следствие избирательного погло­ щения и рассеяния, т. е. зависит от оптических свойств воды и тол­ щины просматриваемого слоя воды, но не зависит от внешних фак­ торов. Ц в е т моря, напротив, в сильной степени зависит не только от оптических свойств самой воды, но и от внешних факторов. По­ этому он изменяется в зависимости от внешних условий (освещен­ ности, волнения и т. п.).

Говоря о цвете морской воды, надо условиться, к какой толще воды относится этот термин. Учитывая избирательное ослабление света в море, представленное кривыми рис. 5.12, можно рассчитать, что даже для чистой океанской воды на глубине 25 м солнечный свет будет лишен всей красной части спектра, затем (при увеличе­ нии глубины) отпадает желтая часть и цвет воды покажется зеле­ новатым, к глубине 100 м останется только синяя часть и цвет воды будет синим. Поэтому говорить о цвете воды можно тогда, когда мы просматриваем толщу воды. При этом в зависимости от толщи воды цвет воды будет различным, хотя ее оптические свойства и не ме­ няются.

Наблюдатель, стоящий на берегу или наблюдающий с борта судна, видит не цвет воды, а цвет моря. Последний будет опреде­ ляться соотношением величин и спектральным составом двух основ­ ных световых потоков, попадающих в глаз наблюдателя. Первый из них это поток отраженного поверхностью моря светового потока, падающего от Солнца и небесного свода, второй — световой поток диффузного света, исходящего из глубин моря.

Впервые правильное объяснение и теорию цвета моря дал в 1921 г. академик В. В. Шулейкин. Теория В. В. Шулейкина спра­ ведлива для любого моря, не содержащего красящих веществ, и ос­ нована на рассмотрении процесса прохождения света через толщу воды. При этом он учитывает одновременно и процесс поглощения и процесс рассеяния, неразрывно связанные между собою.

Цвет моря при отсутствии в воде взвешенных частиц. Как указано выше, цвет моря определяется соотношением и спектраль­ ным составом двух световых потоков, попадающих в глаз наблюда­ теля: отраженного поверхностью моря светового потока, падающего от солнца и небесного свода, и светового потока, исходящего из глу­ бин моря. Последний представляет поток диффузного (рассеян­ ного) света, обусловленного рассеянием вверх и изменяющегося под влиянием избирательного поглощения и рассеяния высших по­ рядков при его распространении к поверхности моря.

Для простоты решения задачи положим вначале, что имеет ме­ сто только молекулярное рассеяние света (обратно пропорцио­ нально 4-й степени длины световой волны), а наблюдатель смотрит на поверхность моря вертикально вниз.

Согласно формуле (5.12), энергия света /, дошедшая до глубины 2 , будет равна

1=1»е—Lт (К) +*]Z

170