В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Изучение Мироеого оксана самолетов в различных точках Мирового океана), что позволяет размещать их в отдаленных океанских регионах. Опыт выполненных уже наблюдений показывает, что 30Уо размещенных таким методом дрифтеров выходит из строя сразу после приводнения. Большинство дрифтеров замолкает задолго до контрольного срока в один год. Усилия ученых и конструкторов направлены на ликвидацию выявленных недостатков.
Сравнительно низкая стоимость дрифтеров и спутниковой связи, а также долгий срок их службы (1 — 2 года) сделали их весьма распространенным в настоящее время средством изучения течений Мирового океана и гидрометеополей, в том числе, что очень важно, в районах, отдаленных от центров цивилизации. В настоящее время для получения информации о термодинамическом состоянии атмосферы и океана широко используются возможности искусственных спутников Земли. Основная трудность здесь заключается в расшифровке этой информации и получении не только качественной картины, но и количественных характеристик.
Например, измерение температуры воды поверхностного слоя моря может эффективно осуществляться дистанционными средствами: ИК-радиометрами с самолетов, судов и спутников. Для коррекции влияния атмосферы выполняются замеры радиационной температуры воды с трех уровней: судна, самолета и спутников. Первичная информация со спутников может приниматься как на собственных региональных центрах, так и из Интернета. Широко представлена информация с разных спутников, а также методика обработки и анализа данных на сайте Института космических исследований РАН (вьвр://вайа.йкй.тввй.гп/яе1соше.пьш1), центра НОАА (йстр://яяя.ваа.поаа.йо.к/). Например, первичная информация, получаемая аппаратурой АЪ'НВК со спутника НОАА, представляет собой изображение подспутникового пространства радиометром в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра (0,58-0,68: 0,725-1,1, 3,55-3,93; 10,5--11,5; 11,5 .12,5 мкм) с пространственным разрешением 0,8 1,1 км. В исследованиях океана в настоящее время широко применяется лазерное зондирование, осуществляемое с помощью спектроскопических лазерных локаторов ~133] — - лидаров (1.1ОАВ -.
1лйй1 Ое1есВоп ап4 Еапбшй). Дистанционные методы делятся на два класса - пассивные и активные. В первом случае используются радиометры и сканеры, во втором — локаторы. Все эти приборы работают в СВЧ, ИК и видимом диапазонах оптического спектра. В качестве носителя радиометра используется широкий набор «платформа - от !'о. 7.
Изучение Мирового оневнв 151 судов до спутников. Локаторы (в оптическом диапазоне лидары) размещают на самолетах и вертолетах, судах, береговых станциях и морских платформах. Пассивные и активные методы и средства значительно различаются по своим диагностическим возможностям. В настоящее время с помощью лидара берегового базирования возможно дистанционное определение температуры и солености морской среды; определение ш я1п нефтяных загрязнений морской среды в прибрежных акваториях и идентификация типа гумусового вещества в морской воде; биоиндикация качества морской воды ~134~.
Типичный спектр флуоресценции фитопланктона при возбуждении лазерным излучением на длине волны Ле, = 532 нм представлен на рис. 7.7. Спектр содержит единственную полосу 500- 450- 400- й и 350- 300- 550 600 650 700 750 800 850 длина волны, нм Рис.7.7. Спектр морской воды 1длина волны возбуждения Л,„е = = 532 нм): 1 полоса комбинационного рассеяния молекул воды: 2— полоса флуоресценции фитопланктона флуоресценции фитопланктона с максимумом на Л,, = 685 нм, одинаковую по форме и положению для многих групп водорослей.
Важнейшей проблемой во флуоресцентной диагностике фитоплапктона является определение видовой принадлежности Гл. 7. Изучение Мироаого океана 152 и состояния водорослей. Эти данные важны как для оценки первичной продукции,. так и для создания дистанционного метода биоипдикации состояния экосистемы водоема. Лидары делают возможным не только определение вида нефтяного загрязнения (рис. 7.8), но и дистанционное лазерное определение толщины нефтяной пленки на поверхности воды. Предложено несколько лазерных методов решения этой задачи, во всех этих методах тем или иным образом используется сигнал комбинационного рассеяния воды, который индуцируется лазерным лучом в водной толще под пленкой.
Интенсивность регистрируемого сигнала комбинационного рассеяния воды зависит от оптической толщины пленки на длинах волн лазерного излучения и комбинационного рассеяния воды и, следовательно, от геометрической толщины пленки. - 16 5 0 550 600 350 400 450 500 длина волны, нм Рис. 7.8. Типичные спектры флуоресценции немецкой нефти (1 ), фульвокислоты (2) и их смеси (3) в дисгиллированной воде: Ле„= 337 нм Большие перспективы для лазерного мониторинга открывает использование математических методов, основанных на технике искусственных нейронных сетей 11341.
Важным свойством метода искусственных нейронных сетей является то, что в нем практически не используются какие-либо априорные знания об объекте исследования, а работа алгоритмов основана исключительно па информации, содержащейся во входных данных. Эта информация усваивается и обобщается нейронной сетью, которая делает свои оценки пе только на основе предъявленного ей в данный момент примера, но и па основе всех тех примеров, которые содержались в обучающей выборке. Гл. 7. Изучение Мироеоео онеини 153 Подобные методы особенно эффективны в ситуациях, когда решение задачи плохо алгоритмизуемо или методы ее точного решения отсутствуют, а данные противоречивы и содержат значительную шумовую составляющую. Именно к такому классу задач относятся многочисленные обратные задачи, .которые приходится решать при изучении Мирового океана. Глава 8 Термодинамика океана Лучистая энергия Солнца в океане Основным энергетическим источником для всех геофизических процессов, происходящих на Земле, является энергия Солнца.
Естественно, это относится и к Мировому океану. Существуют еще два источника энергии, о которых следует упомянуть, так как они тоже играют определенную роль в формировании динамического и теплового режимов гидросферы. Это приливообразующие силы, которые вызывают приливы и отливы в Мировом океане и связанные с ними приливные течения, и геотермвльные источники, располагающиеся на дне водоемов, в том числе на дне морей и океанов, которые формируют температурное поле водоемов вулканического происхождения и отдельных областей Мирового океана. Но основной источник, питающий все геофизические процессы Солнце. Благодаря огромной теплоемкости, намного превышающей теплоемкость су|пи и атмосферы, океан является терморегулятором нашей планеты.
Только верхний 10-метровый слой океанических вод содержит тепла болыпе, чем вся атмосфера, эффективная высота которой равна 10 км. В глубинах же океана тепла в сотни раз больше, чем в этом верхнем глое. Поэтому даже при незначительном изменении температуры океана в атмосферу или из нее устремляются большие потоки тепла. Регулирующее влияние оказывает океан и на влагооборот в системе атмосфера — гидросфера.
На испарение тратится, а при конденсации выделяется более 1/3 всего тепла, поступающего на Землю. А источником водяного пара являотся океан. Кроме того, океан поддерживает постоянство газового состава атмосфоры. Океан прекрасно растворяет углекислоту, образующукгся при взаимодействии СО2 с парами воды, и тем самым смягчает пагубные воздействия парникового эффекта. Углекислоту связывают также зеленые водоросли океана. Океан участвует и в поставке в атмосферу кислорода. Растворенный в воде воздух содержит Оз в два раза больше, чем атмосферный.
Верхние слои океана получают Оз от мельчайших Гл. 8. термодинамики океана 155 водорослей (фитопланктона) в результате фотосинтеза. При волнении и при прогреве этот кислород поступает в нижние слои атмосферы. И хотя этот источник меньше, чем тот, который связан с фотосинтезом растительного покрова планеты, однако он есть и его роль велика. Что же происходит с той частью солнечной энергии С,. которая проникает под поверхность Мирового океана и которая может быть записана в виде С=(1 — А)У, где,7 -. солнечная энергия, приходящая на морскую поверхность, А .— альбедо океана.
Распространяясь в толще вод Мирового океана, солнечное излучение испытывает ослабление вследствие поглощения и рассеяния. Океан, так же как и атмосфера, является примером мутных сред, т. е. сред, в которых локальные неоднородности плотности возникают из-за наличия взвесей, частиц органического и неорганического происхождения [43, 49). Поэтому рассеяние солнечной энергии при распространении в океане включает в себя рассеяние как на отдельных молекулах, так и на крупных взвешенных частицах.
По характеру рассеяния различают два вида рассеяния: на частицах, диаметр которых меньше длины волны излу- чения: О ( Л; на частицах, диаметр которых сопоставим или больше дли- ны волны: В > Л. Пример рассеяния первого типа молекулярное рассеяние, основы теории которого заложены Рэлеем. Для этого типа рассеяния зависимость коэффициента рассеяния от длины имеет следующий вид: Крас ОЛ ~. Так, для излучения с длиной волны Л = 0,44 мкм (фиолетовая область) коэффициент рассеяния Крк в 5,1 раза больше, чем для Л = 0,66 мкм (красная область).
Теория Рэлея хорошо оправдала себя при обьяснении явлений, происходящих в разреженных газах и, в частности, в атмосфере. Однако применение ее для количественного описания рассеяния света в океане менее удачно, так как здесь молекулярные расстояния сравнимы с размерами молекул. По Рэлею должно было бы быть ослабление полного потока, так как световые волны, рассеянные соседними 166 77ь 8. 7ермодинимикп океана молекулами, будут мало отличаться друг от друга по фазе и должны интерферировать между собой. Процесс рассеяния света в жидкости лучше описывает теория Смолуховского, которая рассматривает рассеяние не на отдельных молекулах„а на неоднородностях среды, обусловленных случайными изменениями плотности вследствие теплового движения молекул.
При этом в теории Смолуховского, как и в теории Рэлея, при 17 ( Л также получается зависимость Кр, Л вЂ” 4 Таким образом, и в воде сильнее всего рассеиваются синие лучи, а слабее всего красные. Часть световых лучей, рассеянных в водоеме, выходит из воды, попадает в наш глаз и участвует в формировании цветового восприятия моря.
Цвет моря определяется соотношением отраженного водой светового потока и светового потока рассеянного свети, исходящего из глубины моря. Цвет моря сильно зависит от количества взвеси в воде. Синий цвет -- очень прозрачная вода, сине-зеленый и зеленый -. в воде много взвешенных частиц, сильно рассеивающих свет, желто- коричневый много желтого вещества (распад планктона или гумусовые соединения) . Последнее явление характерно для болот или озер, питаемых болотными водами.
Иные закономерности имеют место для рассеяния света на крупных частицах в воде, для которых О > Л. Академик В.В. Шулейкин показал., что в этом случае зависимость Кр„, от длины волны излучения становится меныпе, чем при молекулярном рассеянии [157). Несмотря на существенное рассеяние солнечного излучения водой, основным механизмом, обусловливающим ослабление его с глубиной, является поглощение, характеризуемое объемным показателем поглощения т. Коэффициент рассеяния морской воды Кг„меньше коэффициента поглощения,"~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
