В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 51
Текст из файла (страница 51)
При солнечной и пасмурной погоде ослабление света по вертикали в море остается приблизительно одними тем же. По-видимому, этот результат может быть объяснен тем, чтона. неровностях взволнованной поверхности моря и включениях втонком слое у поверхности (пузырьки воздуха, планктон) даже прямой солнечный свет быстро рассеивается и далее по нормальномунаправлению к поверхности моря идет распространение полностьюрассеянного света.РА С С Е Я Н И Е СВЕТАВ П РИ РО ДН Ы Х В О Д О Е М А ХРассеяние света при распространении его в реальных водоемахвключает как молекулярное рассеяние, так и сложные явления, происходящие вокруг крупных взбешенных в воде частиц.Основы теории молекулярного рассеяйия были заложены Рэлеем,исследовавшим действие весьма малой частицы на световые волны.В теории Рэлея размер рассеивающей частицы меньше длины световой волны.
Если на пути световой волны оказывается частица, то наповерхности раздела среда — частица возникают вынужденные электромагнитные колебания, которые порождают вокруг частицы двесистемы световых волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом поляризация в направлении падающегосвета и в прямо противоположном направлении будет равна нулю, ав направлениях 90° и 270° по отношению к направлению падающихлучей свет будет полностью поляризован. Найдя распределение рассеянной световой энергии вокруг одной частицы, Рэлей исследовалэффект множества частиц, включенных в однородную среду, и получил следующее выражение для коэффициента рассеяния:а = а/Л4,(3.6)где а есть функция показателя преломления вещества и числа частицв единице объема. Следовательно, энергия, рассеянная слоем мутнойсреды, обратно пропорциональна четвертой степени длины световойволны.Этот факт объясняет происхождение голубого цвета неба: прямыесолнечные лучи на пути сквозь атмосферу претерпевают частичноерассеяние, причем в синем конце спектра (более короткие волны)рассеяние оказывается наибольшим.
Вот почему в диффузном световом потоке, исходящем от небесного свода, преобладают синие лучи.Подобным же образом объясняется красная окраска солнца во времявосхода или заката, так как при малых высотах солнца солнечныелучи проходят в атмосфере более длинный путь, нежели при большихвысотах. При этом короткие волны в спектре солнца в значительнойстепени рассеиваются и не достигают земной поверхности. Красныеже лучи доходят до поверхности земли, испытав сравнительно малоерассеяние.Теория Рэлея объясняет явления, происходящие в разреженныхгазах, но неприменима для количественного описания рассеяния света в жидкости, так как здесь межмолекулярные расстояния сравнимы с размерами молекул.
Световые волны от соседних молекулмало отличаются по фазе, и интерференция их должна привестик ослаблению полного потока рассеянного света. Процесс рассеянияв жидкости лучше описывает теория Смолуховского, с точки зрения которой рассеяние света имеет место не на индивидуальныхмолекулах, как в теории Рэлея, а на неоднородностях среды, возникающих благодаря случайным изменениям плотности при тепловом движении молекул. Поэтому теория Смолуховского в применении к жидкости дает результат, более близкий к истине, чемтеория Рэлея.
Обе теории основаны на предположении, что рассеяниесвета происходит на объемах, размеры которых малы по сравнению с длиной световой волны, и дают для рассеянного света зависимость, обратно пропорциональную Я4. Основные предположенияэтих теорий можно принять, если жидкость однородна в оптическомотношении.Рассеяние света в морской воде также подчиняется зависимости(3.6). Здесь сильнее всего рассеиваются синие лучи, а слабее всего —красные. При распространении солнечного света в водоеме лучирассеиваются по всем направлениям, некоторая часть их отбрасывается наверх, выходит из воды и попадает в глаз наблюдателя.
Именно эта часть лучей и формирует цвет моря. Исходящие из-под поверхности воды лучи в зависимости от их цвета обладают разйойяркостью.Если вода очень прозрачна, т.е. имеет мало взвешенных частиц,то водоем будет окрашен в синий цвет. Если в воде много компонентов, сильно рассеивающих свет, т.е. много взвешенных частиц,то водоем окрашивается в сине-зеленый или зеленый цвет.
При наличии же большого количества желтого вещества цвет воды приобретает желто-коричневый оттенок, как это типично для болот.Пользуясь электромагнитной теорией света, В.В. Шулейкин нашел распределение энергии рассеянного света для непроводящихчастиц. Это имеет большое значение для проблем оптики водоемов, поскольку газовые включения и взвешенные в воде мелкиетвердые частицы (грунт, бактерии, планктон) не проводят электричества. Это делает необходимым исследование эффекта рассеяния света как для частиц с показателем преломления большим 1, таки для частиц с показателем преломления меньшим 1.В случае предельно малых частиц W 0, d — диаметр частицы)Шулейкин получил подтверждение рэлеевского закона.
Рассмотриминдикатрису молекулярного рассеяния света, изображенную графически на полярной диаграмме на рис. 2.14 в ч. II. Длина радиуса-вектора от полюса до внешней кривой выражает в условном масштабеполную энергию света, рассеиваемого по данному направлению,а длина от полюса до внутренней кривой в таком же масштабе —энергию естественного света в том же направлении.
Отрезок радиуса-вектора, заключенный между обеими кривыми, показывает энергию поляризованного света (в плоскости, перпендикулярной плоскости зрения). Свет оказывается полностью поляризованным, еслисмотреть на частицу в направлении, перпендикулярном падающемулучу. Если смотреть по направлению падающего луча или по направлению прямо противоположному, то луч света окажется естественным, т.е. неполяризованным. При этом энергия света, отброшенногочастицей в направлении, совпадающем с направлением падающеголуча, и прямо противоположном одинакова. С возрастанием размерачастиц симметрия излучения нарушается. Максимум поляризациисмещается в направлении падающего луча.
В случае частиц, соизмеримых с длиной волныраспределение энергии вокруграссеивающей частицы отличается от распределения, характерногодля молекулярного рассеяния (рис. 3.1). Полная поляризация света вэтом случае уже не наблюдается ни в каком направлении. С увеличением размеров рассеивающей частицы индикатриса рассеяния всебольше растягивается в сторону направления падающего света(рис. 3.1).Для частиц, размеры которых можно считать бесконечно большими по отношению к длине световой волны, В.В. Шулейкин применил метод, основанный на теории отражения и преломления све-вРис.
3 .1. Индикатрисы рассеяния света для частиц различной крупности: а — размерчастицы сравним с длиной волны падающего излучения; б — более крупные частицы;в — предельно большая частица (по В.В. Ш улейкину, 1968)та на шарообразных частицах (рис. 3.2). Пусть на поверхностьсферы, изображающей частицу, падают световые волны в направлении, указанном стрелкой SA. В точке А сферы падающий луч разделится на две компоненты: часть энергии будет продолжать распространяться в воде в отраженном луче А Т , а часть войдет в вещество частицы с преломленным лучом АВ. Применяя метод, основанный на теории многократного отражения и преломлениясвета, В.В.
Шулейкин сделал следующий вывод: между явлениемРис. 3.2. Схематический ход лучей применительно к предельно большой частице(по В.В. Ш улейкину, 1968).рассеяния света и явлением отражения на границе предельно большой частицы устанавливается плавный непрерывный переход. Исследуя спектральный состав света, рассеиваемого крупными частицами, Шулейкин показал, что при увеличении размеров частицы зависимость интенсивности рассеянного света от длины волныубывает.Именно этим эффектом можно объяснить тот факт, что в безоблачную погоду небо над морем более блеклое, чем над степью.
Дело в том, что в атмосфере над степью имеет место чисто молекулярное рассеяние, а над морем помимо того существует также рассеяние на крупных с оптической точки зрения частицах воды. Рассеяниена частицах водного аэрозоля приводит к тому, что в тумане всепредметы имеют белесоватую окраску.М Н О ГО К РАТН О Е РА С С Е Я Н И Е СВЕТАВ поверхностных слоях природных водоемов наблюдается интересное явление, называемое многократным рассеянием света.Пусть световой поток распространяется в глубину моря и лучи света направлены вертикально. Если энергия потока, вошедшегов воду, равна / 0, то на глубине z она будет равна(3.7)Помимо пучка прямых лучей с энергией / вниз распространяетсябольшая часть диффузного потока:~5у> -«г~3Г~2р♦/р0~'Г+Jjp+5f1с/х 1ч ЧВ,/ В,t V Я,Г Д 4'(*в>/Ь’В, bRj ь'е.У / к ьд, к ь%~гж ЖЖ 7а*б^/ ь’вг \ь я {ья ,/ Ь'егь‘сгЬ°Сг b’Bi b*Ci4^Л±Лу'ап£\ 7aJnj>\‘"вК 1bmD, bBCj* кь'в*кь’е,/' ^bflj *'Slь% b°CjЛ* ЖА*Л \ ~Жж Ж\й.!Ву<а°ГУ~1♦Ча та,к Золе е|16Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
