книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

Выберем на глубине г элементарный слой толщиной dz, на кото­ рый падает энергия /. Этот элементарный слой рассеет вверх ко­ личество энергии

diz = kl dz.

Подставляя вместо k и / их значения, получим

Но поток энергии diz, прежде чем достигнет поверхности моря, должен пройти сквозь вышележащую толщу воды г, где он подверг­ нется вторичному рассеянию и частичному поглощению по закону, определяемому формулой (5.12). До поверхности моря, следова­ тельно, дойдет количество энергии d h , определяемое соотношением

или, подставляя вместо diz его значение, имеем

Считая море бесконечно глубоким, можно получить общее коли­ чество энергии, рассеиваемое всей толщей воды вверх. Для этого проинтегрируем выражение (5.18) по всей толще воды от нуля до бесконечности:

<х>+1т] 2г

т ^

Выражение (5.19) дает не полную энергию света, исходящую из глубины моря. Необходимо учесть и эффект вторичного рассеяния светового потока, отбрасываемого слоем dz вниз, который мы не учитывали. Отброшенный слоем dz вниз световой поток не пропа­ дает бесследно. Встречая на своем пути нижележащие слои, он бу­ дет подвергаться вторичному рассеянию. Очевидно, что часть вто­ ричного рассеянного потока, отброшенная вверх и претерпевшая по­ глощение и рассеяние, прежде чем достигнет поверхности моря, даст какую-то добавку к световому потоку А. Эта вторая порция свето­ вого потока выражается соотношением

171

Вторичный рассеянный поток, направленный вниз, в свою оче­ редь, вызовет появление третьей порции светового потока, дости­ гающей поверхности моря и определяемой выражением

а

т ('О г U

Рассуждая аналогично относительно потоков рассеянного света 4, 5, 6 ... п порядка, придем к выражению

а а

1 1?

Общий поток /, исходящий из глубины моря и достигающий по­ верхности, найдется суммированием потоков

I = h + h + h + ... + In

в пределах от единицы до бесконечности, т. е.

Записанное выражение представляет сумму ряда геометриче­ ской прогрессии, у которой первый член

1а

л2 1 * '

А= -----------------

ra W + jT

равен коэффициенту прогрессии q.

Но известно, что сумма бесконечного ряда геометрической про­

т (^Н

172

Подставляя найденное значение суммы, получим

Отношение энергии светового потока, исходящего из глубин моря (внутреннего диффузионного света) к энергии потока, падаю­ щего на поверхность моря,

вой, соответствующей длине волны, имеющей наибольшую энергию и определяющей цвет моря, делается более

расплывчатым (окраска менее насыщена) и захватывает не одну, а несколько длин волн. Следствием этого является переход от голу­ бого более насыщенного цвета к зеленовато-голубому, менее насы­ щенному цвету моря.

Кривые рис. 5.15, характеризующие цвет моря при молекуляр­ ном рассеянии, дают преобладание коротковолновой части спектра в диффузном потоке, выходящем из моря. Это вполне понятно, так как при этих условиях сам световой поток рассеянного света вверх содержит преимущественно короткие лучи, рассеиваемые наиболее интенсивно, и, кроме того, при прохождении вышележащих слоев воды у него срезается длинноволновая часть вследствие избиратель­ ного поглощения. Следовательно, спектральное распределение энер­ гии, выходящей из моря, определяющее цвет моря, зависит как от рассеяния, так и поглощения. При этом оказывается, что максимум наблюдается при той длине волны, при которой отношение коэф­ фициентов рассеяния и поглощения достигает максимума. Для

173

чистой океанской воды этот максимум лежит около 0,47 мк, т. е. в синей части спектра.

Однако цвет моря зависит, как указано выше, не только от опти­ ческих свойств воды (хотя это и главная причина), но и от усло­ вий освещенности моря прямым солнечным и рассеянным светом неба, от угла зрения, волнения, наличия примесей в воде и др. причин.

Кривые рис. 5.15 характеризуют цвет моря при наблюдении на ее поверхность по нормали, при отсутствии примесей и при условии, что отраженный от поверхности моря световой поток, поступаю­ щий от Солнца и небесного свода, не попадает в глаз наблю­ дателя.

Когда отраженный от поверхности моря световой поток попа­ дает в глаз наблюдателя, цвет моря будет определяться соотноше­ нием спектрального состава отраженного от поверхности моря и внутреннего диффузного потоков. Так как отраженный поток является бе­ лым, при его возрастании цвет моря становится менее насыщенным (беле­ соватым). Это легко проследить, на­ блюдая за цветом поверхности моря в штилевую погоду. Когда наблюдатель смотрит по вертикали вниз на поверхность, цвет моря насыщенный (отра-

Рис. 5.16. Ход световых лучей женный поток мал). При перемещении при волнении. взгляда к горизонту цвет моря стано­

вится все менее насыщенным (белесо­ ватым); приближаясь к цвету небосвода, благодаря возрастанию отраженного потока. Поэтому в штилевую погоду горизонт менее резко очерчен.

Изменением соотношения между отраженным и внутренним све­ товыми потоками объясняется и изменение окраски моря при волне­ нии. На рис. 5.16 изображен ход световых лучей на волне. В глаз наблюдателя попадает световой поток М, складывающийся из потока внутреннего света Мй, выходящего из-под поверхности воды и отраженной части потока Н0. Поток М, очевидно, меньше пол­ ного внутреннего потока М0 и светового потока Но, посылаемого небесным сводом.

Создаваемый волнением наклон поверхности моря благоприят­ ствует восприятию светового потока внутреннего света, а следова­ тельно, и увеличению насыщенности цвета; так как при этом угол зрения относительно волны мало меняется при переводе глаза к го­ ризонту, то и окраска моря остается насыщенной до самого гори­ зонта. Горизонт виден очень четко.

Приведенные на рис. 5.15 кривые спектрального состава вну­ треннего света моря, определяющие его цвет, достаточно хорошо со­ гласуются с наблюдениями над цветом моря и непосредственными измерениями для открытых районов океанов.

В океанах отмечаются огромные пространства воды темно-голу­

174

бого цвета, свидетельствующие об отсутствии в воде посторонних примесей и об ее исключительной прозрачности. С приближением к берегам и уменьшением глубин океана наблюдается постепенный переход к зеленовато-голубым и голубовато-зеленым тонам, а в не­ посредственной близости от берегов — к желто-зеленым.

Цвет моря при наличии в воде взвешенных частиц. При на­ личии в воде крупных взвешенных частиц существенно изменяется и цвет моря. Они, с одной стороны, изменяют спектральный состав рассеянного света, исходящего из толщи воды, а с другой, — добав­ ляют поток, спектральный состав которого определяется собствен­ ным цветом этих крупных частиц. Этот дополнительный поток, со­ здаваемый крупными частицами, зависит главным образом от их избирательного поглощения и отражения света. Если избирательное отражение света крупной частицей, характеризующее ее цвет, обо­ значить через ф(А,), а вероятность встречи с ней светового луча че­ рез р, то формула для расчета спектрального состава внутреннего света, исходящего из глубины моря, при наличии крупных частиц, т. е. формула, определяющая цвет моря, примет вид

частиц в единице объема и с увеличением их размеров, т. е. с воз­ растанием вероятности встречи р, возрастает зависимость спек­ трального состава внутреннего света, т. е. цвет моря, от спектраль­ ного состава, отраженного крупной частицей света. Иными словами, получается, что с увеличением р цвет моря приближается к цвету взвешенных частиц. При р= 0 формула (5.23) переходит в фор­ мулу (5.22).

На рис. 5.17 приведены вычисленные Шулейкиным спектральные кривые внутреннего света для случая, когда в воде взвешены ча­ стицы коричневой глины. Коэффициент рассеяния принят равным

а

—-—при значении модуля рассеяния а = 0,008, как и для кривой 1

А4

рис. 5.15. Эта же кривая показана на рис. 5.17 пунктиром. Кривые 4, 5, 6 построены для значений вероятности р 1,0; 0,2 и 0,02 соот­ ветственно.

Кривая 6 дает максимум в сине-зеленой части спектра, и, следо­ вательно, цвет моря при заданных условиях (Р = 0,02) должен быть сине-зеленым.

Кривая 5 дает максимум в зеленой части спектра, что соответст­ вует зеленому цвету моря.

Кривая 4 характеризует предельный случай, когда цвет моря определяется цветом крупных частиц, т. е. становится коричневым (максимум в красной части спектра).

На рис. 5.17 ясно видно, что максимум кривых с увеличением р

175

становится более расплывчатым и меньшим по абсолютной вели­ чине, что говорит об уменьшении насыщенности окраски моря.

Формулы (5.22) и (5.23) позволяют рассчитать спектральный состав внутреннего диффузного света, определяющего цвет моря, по заданным значениям коэффициентов рассеяния и поглощения света, а при наличии крупных частиц дополнительно по известным характеристике избирательного отражения — ср(л) и вероятности встречи светового луча с крупной частицей (3.

Объективным методом определения цвета моря является метод фотометрического определения гидрофотометром спектрального со­ става диффузного внутреннего света.

В практике для определения цвета моря чаще используется шкала цвета моря — шкала Фореля—Уле, которую можно отнести к приборам, дающим возможность полу-

2)приноса тех же веществ береговым стоком;

3)перемешивания поверхностных слоев, включающих пузырьки воздуха.

Люминесценция оказывает двоякое влияние на видимую окраску моря. С одной стороны, она создает дополнительную окраску, зави­ сящую от спектрального состава люминесцирующего потока (обы­ чно зеленую), а с другой стороны, изменяет поглощение света во­

дой, так как возбуждается лучами определенных длин волн (обы­ чно фиолетовыми).

Учесть изменение спектра поглощения света при люминесцен­ ции можно, положив коэффициент избирательного поглощения воды вместо т (А) •— F (л).

Собственное влияние люминесценции можно учесть, введя ко­ эффициент люминесценции б^А,). Тогда спектральный состав внут­ реннего света определится соотношением

176

При выводе формулы (5.24) было принято, что имеет место только молекулярное рассеяние и люминесценция. Если в воде к тому же находятся крупные частицы, не вызывающие люминес­ ценции, спектральный состав внутреннего света будет определяться еще более сложной формулой.

Цветение и свечение моря. Цветением моря называется изме­ нение окраски моря при скоплении в поверхностных слоях мельчай­ ших животных организмов—зоопланктона или растений — фито­ планктона.

Обычно цветение происходит при массовом развитии какого-ни­ будь одного вида планктона. Жгутиковые — перидинеи и ноктилюки, развиваясь иногда в огромных количествах, вызывают цветение в виде розовых, буро-красных, желтых или зеленоватых пятен и по­ лос. В открытых морских районах тропической зоны иногда наблю­ дается интенсивное развитие сине-зеленой водоросли — триходесмиум, наблюдаемое на протяжении десятков и даже сотен миль. В полярных районах за счет скопления бледно-розовых рачков не­ редко наблюдается красное или розовое цветение. Резко падает в это время и прозрачность воды.

Мельчайшие живые организмы приводят н к другому явлению — свечению моря. У разных организмов свечение может быть разного цвета: зеленоватое, синеватое, красноватое. Светящимися организ­ мами являются простейшие панцирно-жгутиковые организмы — перидинеп и ноктилюки (ночесветки), планктонные рачки (рапшак, или китовая пища), планктонные ракушковые и веслоногие рачки. Иногда свечение моря бывает настолько сильным, что его отблеск на облаках создает впечатление зарева огней далекого города или лучей прожектора.

Свечение моря демаскирует объекты, перемещающиеся в воде (корабли, шлюпки), так как оно возникает чаще всего при механи­ ческом раздражении светящихся организмов. Свечение может ока­ зать помощь мореплавателю при подходе к берегу, когда при нали­ чии светящихся организмов в воде светится полоса прибоя, буруны.

Свечение наблюдается и у крупных морских организмов: медуз, моллюсков, рыб. Однако их свечение отмечается хотя иногда и очень яркими, по только отдельными пятнами и демаскирующего значе­ ния не имеет.

§29. Оптические характеристики вод Мирового океана

Внастоящее время основными оптическими характеристиками вод Мирового океана служат относительная прозрачность и цвет моря. Хотя они и являются качественными, но обладают важным преимуществом — массовостью наблюдений и доступностью вос­ приятия. Как показано выше, они в некоторой степени отражают и объективные физические оптические характеристики: показатели поглощения, рассеяния и ослабления, материалы наблюдений над которыми весьма ограничены.

Обобщенные результаты таких наблюдений представлены в табл. 22 и в приложении 13.

Т а б л и ц а 22

Относительная прозрачность (глубина исчезновения белого диска) в различных районах Мирового океана

носительной прозрачности, наблюдаемые в открытых районах океа­ нов и морей. С приближением к берегу прозрачность воды обычно уменьшается. Меняется она также и в зависимости от сезона, умень­ шаясь обычно в летний период.

Распределение цветности моря можно охарактеризовать табл. 23, где представлен спектральный состав диффузного света, достигаю­ щего поверхности моря.

Т а б л и ц а 23

Цвет вод отдельных районов Мирового океана, определенный по спектральному распределению энергии диффузного света (по Н. Ерлову)

178

Наибольшая изменчивость цвета моря относится к поверхност­ ному слою моря. С глубиной цвет (преобладающая длина волны диффузного света) становится более «устойчивым» и практически не зависящим от сезона года.

Изучение оптических характеристик морской воды имеет важное теоретическое и практическое значение. Распределение основных оп­ тических характеристик позволяет судить о динамике вод Мирового океана. Н. Ерлов, используя в качестве основной оптической харак-

крытой части океанов и пять типов прибрежных вод — 1—5. Спек­ тральные кривые подводной освещенности (пропускания) в про­ центах представлены на рис. 5.18.

Естественно, что приведенная классификация в определенной степени схематична. При изучении оптических характеристик от­ дельных районов океанов и морей исследователи встречаются с боль­ шой их изменчивостью во времени и пространстве, обусловленной динамикой вод. Поэтому изучение оптических характеристик оказы­ вает большую помощь и в изучении динамики вод.

12*

Глава VI

АКУСТИКА МОРЯ

Распространение звуковых колебаний в морской воде представ­ ляет собой сложное явление, зависящее от распределения темпера­ туры и солености, изменения давления, глубины моря и характера грунта, состояния поверхности моря, замутненное™ воды взвешен­ ными примесями органического и неорганического происхождения и наличия растворенных газов.

Морская вода представляет собой среду, акустически неодно­ родную. Эта неоднородность заключается прежде всего в изменении плотности с глубиной, в результате чего изменяется с глубиной и скорость звука, а распространение звуковых колебаний происходит не по прямым, а по более сложным траекториям. Это явление назы­ вается рефракцией. Наличие в морской воде пузырьков газа, взве­ шенных частиц и планктона вызывает рассеяние и поглощение зву­ ковой энергии при ее распространении.

Кроме того, при исследовании распространения звука в морской воде приходится учитывать отражение звука от поверхности моря и дна, которое определяется состоянием поверхности моря (волне­ нием) и характером грунта.

Указанные обстоятельства усложняют строгое математическое решение задачи волновой акустики о распространении звука в мор­ ской воде. Поэтому обычно используются косвенные или прибли­ женные методы. Например, в рамках лучевой акустики можно ре­ шить многие вопросы, которые выдвигаются практикой использова­ ния гидроакустической аппаратуры.

§ 30. Скорость распространения звука в море

Распространение звука в воде представляет собой периодиче­ ские сжатия и разрежения воды в направлении движения звуковой волны. Скорость передачи колебательного движения от одной ча­ стицы воды к другой называется скоростью распространения звука.

Теоретическая формула скорости звука для жидкостей и газов:

(6. 1)

где а —-удельный объем, исправленный поправками на сжимае-

180