В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Чаще всего примоделировании уменьшают параметр а :а=Ps-PwPw ’т.е, используют на модели заменитель наносов с меньшей плотностью, нежели плотность природных наносов (р^ = 2,65 г/см3).Эту чисто техническую задачу необходимо решить, чтобы сделать возможным надежное лабораторное моделирование равнинных рек. Для горных речек проблема лабораторного моделщювания решается простысм масштабным уменьшением камней врусле.ГЛАВА 3ОПТИКА МОРЯВода природных водоемов с точки зрения их оптических характеристик относится к так называемым мутным средам, изучениюкоторых посвящено большое количество фундаментальных исследований.
Понимание закономерностей распространения лучистойэнергии в океанах, морях, озерах и водохранилищах необходимотакже для решения целого ряда прикладных задач. К их числуможно отнести, в частности, использование гидрооптических характеристик с целью изучения термики и динамики водоемов;определение условий видимости подводных объектов; исследованиевлияния лучистой энергии на жизнедеятельность водных организмов.С точки зрения оптических свойств природная вода содержиттри оптически активных компонента: чистую воду, растворенныенеорганические и органические вещества и взвесь минерального иорганического происхождения. Создать модельную среду, по своимоптическим характеристикам подобную воде реальных водоемов, невозможно, поэтому источником наших знаний о световом режиме водМирового океана являются данные измерений in sity.Оптическая область спектра электромагнитных волн сосредоточена в интервале длин волн от 0,01 мкм до 0,34 мм, т.е.
значительнопревышает видимую часть спектра (от 0,4 до 0,8 мкм).Часть светового потока, падающего на поверхность водоемов, отражается от этой поверхности. Остальной световой поток после преломления входит в воду и распространяется в ней. Доля потокападающей радиации, отраженная от поверхности моря, называетсяальбедо поверхности моря, а доля радиации, вошедшая в море, —коэффициентом пропускания моря. Очевидно, что сумма этих характеристик равна единице.
Для лучей, нормально падающих наводную поверхность, алъбедо составляет 2%. При касательном падении лучей поверхность водоема становится непрозрачной. Солнечный свет может проникать в океан qo больпгах глубин. ^лез:;олсвет можно наблюдать на глубинах порядка 1200 м. При распространении в толще воды световой поток испытывает поглощение и рассеяние. Поглощение света есть результат превращения энергии излучения в другие виды энергии — в тепловую илихимическую. В этом процессе принимают участие как сами молекулы воды, так и взвешенные и растворенные в воде частицы и вещества.
Минимум поглощения чистой воды приходится наX = 360 нм. Коэффициент поглощения для этой длины волны составляет 0,002 м- 1 .Показатели поглощения морской воды в коротковолновой области спектра (А < 570 нм) заметно различаются для разных вод.В красном же участке спектра показатели поглощения для различных вод практически одинаковы: для X > 570 нм зависимости показателя поглощения от длины волны для вод разных водоемов совпадают.Рассеяние света есть процесс отклонения светового луча от первоначального направления распространения в результате взаимодействия с оптическими неоднородностями в воде, например флуктуациями плотности, взвешенными примесями и др.
Общее ослабление,или экстинкция, светового потока в определенном направлении естьрезультат как поглощения, так и рассеяния.Процесс распространения света в водной среде может быть описанс помощью гидрооптических характеристик.ОСН ОВН Ы ЕГИ ДРО ОП ТИ ЧЕСКИ Е Х АРАК ТЕРИ С ТИ К ИЭкспериментально установлено, что поглощение и рассеяние излучения б элементарном слое толщиной dz пропорционально лучистому потоку Ф0 и толщине слоя dz:d/Ф^ = — к Ф0 dz,d<&a — — о Ф0 dz.(3.1)Коэффициенты пропорциональности к и а в этих выраженияхназываются показателями поглощения и рассеяния света соответственно и имеют размерность м- 1 . Суммарный коэффициент е = к + аназывается показателем экстинкции или показателем полного ослабления света.Распределение световой энергии по различным направлениям неодинаково.
Величина / = d<&! dto называется энергетической силойсвета (здесь da> = sin © • d S dip — элементарный телесный угол,ip и © — азимут и зенитное расстояние падающего излучения).280Поскольку рассеяние вокруг направления падающих лучей симметрично, то для dco справедливо выражениеd(o = 2л sin 0 dO.(3.2)Представим себе некоторую самосветящуюся элементарную площадку ds, ориентация которой в пространстве определяется ортомнормали п.
Тогда для потока излучения Ф, входящего в телесный'Лугол dco, можно записать соотношение d Ф = В ds cos © dco, где В —энергетическая яркость, ds cos © — проекция площадки на направление распространения излучения. Для изотропно рассеивающихплощадей В = const.Величина Е = с/Ф/ds представляет собой энергетическую освещенность, которая связана с энергетической яркостью следующимсоотношением: В = d E l (cos © dco).
Переходя от потока излучения косвещенности, уравнения (3.1) можно записать в видеdФji = — кЕ dv,d<&0 = —оЕ dv,где dv — элементарный объем.Показатель рассеяния а является средним пространственным значением величины /?(©), выражающей рассеяние света в определенном направлении зенитного угла:14л£(©) dco,4лгили, если учесть, что dco = 2л sin © d S ,1°= 2/3(0) sin © dO.Показатель рассеяния характеризует среднюю сферическую силусвета dl элементарного объема dv:14ж dIRdI = j - a E d v , / 3 ( 0 ) = ---- — .4е dvОтносительная сила света, рассеянною в данном направлении, выражается величинойгде dls — сила света в направлении, определяемом углом в .
Поверхность, огибающая концы векторов /* (0 ), проведенных из центрарассеивающего объема, называется индикатрисой рассеяния и позволяет оценить пространственное распределение энергии рассеянного света вокруг объема. Обычно индикатрису рассеяния рассматривают как плоскую кривую, поскольку для неполяризованного излучения она симметрична относительно любой плоскости, проходящейчерез центр рассеивающего объема и направление падающих лучей.Индикатриса зависит также от спектрального состава излучения,т.е. / ( 0 , А), ще А — длина волны излучения.Для всех реальных сред наблюдается асимметрия индикатрис рассеяния относительно плоскости, перпендикулярной падающим лучами проходящей через центр рассеивающего объема.
Эта асимметрияопределяется наличием в воде взвешенных частиц.Величинами, характеризующими различие в потоках рассеянного излучения, идущих вперед и назад, служат показатель рассеяния вперед X и показатель рассеяния назад хх. Величина Xопределяет долю потока рассеянного излучения, распространяющегося в пределах телесного угла 2л ср с осью, совпадающейс направлением падающих лучей. хх определяет долю потока, распространяющегося в пределах телесного угла 2л ср, ось которогопротивоположна направлению падающих лучей.
Естественно, чтоо = X + Xх.Как уже говорилось выше, общее ослабление света в водной среде происходит в результате совместного действия поглощения и рассеяния:d<£>e = dsI>£ + d<£>a = - £Ф0 dz —оФ0 dz =(3.3)Из этого соотношения следует один из основных законов оптики мутных сред— закон Бугера (см. ч. II, гл. 2), согласно которому ослабление монохроматического направленного излучения в оптически однородной среде подчиняется экспоненциальной зависимости:Здесь Ф2 — поток излучения, прошедший сквозь елей толщиной z.Помимо перечисленных выше, важными оптическими характерис282тиками воды являются также коэффнцкеят пропускания Т* и величина оптической плотности D, определяемые соотношениямиГ = Фг/Ф ^D = \g ~ .тКоэффициент направленного пропускаю** для однородного слояжидкости единичной толщины называет прозрачностью воды. Ослабление естественного света с глубиной характеризуют показателемвертикального ослабления.
Наблюдения показали, что в первом приближении световой поток, распространяющийся в море, ослабляется сглубиной по экспоненциальному закону:ф . = Ф , е ~ а(2г " Ч21( 3. 4)ще Ф2 иФ 2 — поток естественного излучения (излучение солнца инебосвода) на глубинах z2 и z x соответственно. Отсюда показательвертикального ослабления а может быть представлен в виде« •»В гидрооптике может иметь место как направленное, так и диффузное и смешанное излучение. При этом следует помнить, чтопоказатели поглощения, рассеяния и общего ослабления для направленного излучения сильно отличаются от соответствующих показателей для диффузного излучения.П ОГЛОЩ ЕНИ Е СВЕТА В М О РЕКак уже отмечалось, ослабление дневного света при его проникновении в глубь водоема обусловлено поглощением и рассеянием каксамой водой, так и взвешенными и растворенными в ней веществами.На оптические свойства морской воды влияют неорганические соли иорганические соединения, при этом их влияние относится главнымобразом к фиолетовой и ультрафиолетовой областям спектра.
Газы,растворенные в морской воде, практически не сказываются на ееоптических характеристиках. Из органических веществ, растворенных в морской воде, с оптической точки зрения наибольший интерес представляет так называемое желтое вещество, образующеесяв результате распада планктона и продуктов его жизнедеятельности.Другим источником желтого вещества являются гумусовые соединения речного стока, которыми наиболее богаты северные моря. Обычновзвешенные и растворенные в воде вещества дают больший вкладв суммарное ослабление света* чем сама вода. Диапазон физическихусловий (давление и температура), в которых вода находится в океане, практически не сказывается на ее оптических характеристиках.Поэтому если из наблюдаемых оптических характеристик морскойводы вычесть долю, обусловленную чистой водой, то можно оценитьроль растворенных и взвешенных компонентов в оптическом режимесреды.Относительная освещенность сверху горизонтальной поверхностина разных глубинах водоема, как показали наблюдения, не слишкомзависит от высоты солнца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
