В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Очевидно, что сумма этих характеристик равна единице. Для лучей, нормально падающих на водную поверхность, алъбедо составляет 2%. При касательчом паде,нии лучей поверхность водоема становится непрозрачной. '"олпечный свет может проникать в океан о большзх глубин. ':.-езыол свет можно наблвдать на глубинах порядка- 12ОО 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 или химическую. В этом процессе принимают участие как сами молекулы воды, так и взвешенные и растворенные в воде частицы и вещества, Минимум поглощения чистой воды приходится на А = 360 нм. Коэффициент поглощения для этой длины волны составляет 0,002 м Показатели поглощения морской воды в коротковолновой области спектра Я<570 нм) заметно различаются для разных вод. В красном же участке спектра показатели поглощения для различных вод практически одинаковы: для Я >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 плотносги, взвешенными примесями и др, Общее ослабление, или экстинкция, светового потока в определенном направлении есть результат как поглощения, так и рассеяния.
Процесс распространения света в водной среде может быть описан с помощью гидрооптических характеристик. ОсоаВНЫЕ I 'ИДРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Экспериментально установлено, что поглощение и рассеяние излуч< кия в элементарном слое толщиной ~Й пропорционально лучистому потоку Ф и толщине слоя ~й: ИФ~ — — — й Ф ~Й, г7Ф = — оФ ~й. Коэффициенты пропорциональности Й и о в этих выражениях называются показателями поглощения и рассеяния света соответственно и имеют размерность м ~. Суммарный коэффициент в = к + о называется показателем экстинкции или показателем полного ослабления света. Распределение световой энергии по различным направлениям неодинаково. Величина 1 = дФ/Исо называется энергетической силой света (здесь йо = з1п О . сЮ сЬр — элементарный телесный угол, р и Π— азимут и зенитное расстояние падающего излучения).
280 Поскольку рассеяние вокруг направления падающих лучей симмет- рично, то для йо справедливо выражение сЬ=2л япОЮ. (3.2) Представим себе некоторую самосветящуюся элементарную площадку Ия, ориентация которой в пространстве определяется ортом нормали и. Тогда для потока излучения Ф, входящего в телесный угол Ым, можно записать соотношение И Ф = В сй сох О йо, где В— г энергетическая яркость, Ык сох Π— проекция площадки на направление распространения излучения. Для изотропно рассеивающих площадей В = сопз1. Величина Е = ЫФ/сЬ представляет собой энергетическую освещенность, которая связана с энергетической яркостью следующим соотношением: В = йЕ~(соз О йо). Переходя от потока излучения к освещенности, уравнения (3.1) можно записать в виде ИФ, = — КЕ сЬ7, с~Ф = — сгЕ й7, где Й7 — элементарный обьем.
Показатель рассеяния о является средним пространственным значением-величины Р(О), выражающей рассеяние света в определенном направлении зенитного угла: сг = — ф(О) саум, 1 4л или, если учесть, что Ым = 2л яп О сЮ, о = — ф(0) яп ОЖ 1 2 Показатель рассеяния характеризует среднюю сферическую силу света сП элементарного объема Й7: 4л Ж'в сг1 = — стЕ йу, Р(Е) = 4л ',у 281 Относительная сила света, рассеянного в данном направлении, выражается величиной где Н вЂ” сила света в направлении, определяемом углом О. Поверхность, огибающая концы векторов Х (О), проведенных из центра рассеивающего 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, проходящей через центр рассеивающего обьема и направление падающих лучей.
Индикатриса зависит также от спектрального состава излучения, т.е. 1(О, А), где А — длина волны излучения. Для всех реальных сред наблюдается асимметрия индикатрис рассеяния относительно плоскости, перпендикулярной падающим лучам и проходящей через центр рассеивающего объема. Эта асимметрия определяется наличием в воде взвешенных частиц.
Величинами, характеризующими различие в потоках рассеянного излучения, идущих вперед и назад, служат показатель рассеяния вперед Х и показатель рассеяния назад т~. Величина Ж определяет долю потока рассеянного излучения, распространяющегося в пределах телесного угла 2л ср с осью, совпадающей с -направлением падающих лучей. т~ определяет долю потока, распространяющегося в пределах телесного угла 2л ср, ось которого противоположна направлению падающих лучей.
Естественно, что 0=К+7 . Как уже говорилось выше, общее ослабление света в водной среде происходит в результате совместного действия поглощения и рассеяния: е а /с а О О (3.3) Из этого соотношения следует один из основных законов оптики мутных сред — закон Бугера (см. ч. Ц, гл. 2), согласно которому ослабление монохроматического направленного излучения в оптически однородной среде подчиняется экспоненциальной зависимости: Ф Ф вЂ” Яг г О Здесь Ф, — поток излучения, прошедший сквозь слой толщиной з. Помимо перечисленных выше, важными оптическими характерис- 282 тиками воды являются также коэффвпнриент прппускаиия Ё и ве- личина оптической плотности Ю, определяемые соотношениями Т'= Ф /Ф„ ~М жидкости единичной толщины называют прозрачностью води, Ослабление естественного света с глубиыай характеризукгт показателем вертикального ослабления.
Наблюдения показали, что в первом приближении световой поток, распространяющийся в море, ослабляется с — а (л — л~ ,е г (3.4) где Ф и Ф вЂ” поток естественною излучения (излучение солнца и ~г небосвода) на глубинах з2 и л соответственно. Отсюда показатель вертикального ослабления а может быть представлен в виде 1 х а= 1п —. (г2 — з1) (3.5) В гидроонтике может иметь место как направленное, так и диффузное и смешанное излучение.
При этом следует помнить, что показатели поглощения, рассеяния и общего ослабления для направленного излучения сильно отличаются от соответствующих показателей для диффузного излучения. поглощкник свктл в мот Как уже отмечалось, ослабление дневного света при его проникновении в глубь водоема обусловлено поглощением и рассеянием как самой водой, так и взвешенными и растворенными в ней вещесгвамн. На оптические свойства морской воды влияют неорганические соли н органические соединения, прн этом их влияние относится главным образом к фиолетовой и ультрафиолетовой областям спектра. Газы, растворенные в морской воде, практически не сказываются на ее оптических характеристиках. Из органических веществ, растворенных в морской воде, с оптической точки зрения наибольший интерес представляет так называемое желтое вещество, образующееся в результате распада планктона и продуктов его жизнедеятельности.
Другим источником желтою вещества являются гумусовые соединения речного стока, которыми наиболее богаты северные моря. Обычно 283 взвешенные-.и.растворенные в- воде вещества дают больший. вклад в суммарное ослабление света, чем сама вода. Диапазон физических условий (давление и температура), в которых вода находится в океане, практически не сказывается на ее оптических характеристиках.
Поэтому если из наблюдаемых оптических характеристик морской воды вычесть долю, обусловленную чистой водой, то можно оценить роль растворенных и взвешенных компонентов в оптическом режиме среды. Относительная освещенность сверху гориэонтальной поверхности на разных глубинах водоема, как показали наблюдения, не слишком зависит от высоты солнца. При солйечной и пасмурной погоде ослабление света по вертикали в море остается приблизительно одним и тем же. По-видимому, этот результат может быть объяснен тем, что на=. неровностях взволнованной поверхности моря и включениях в тонком слое у поверхности (пузырьки воздуха, планктон) даже прямой .солнечный.
свет быстро рассеивается и далее по нормальному направлению к поверхности моря идет распространение полностью рассеянного света. РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ПРИРОДНЫХ ВОДОЕМАХ Рассеяние света при распространении его в реальных водоемах включает как молекулярное рассеяние, так и сложные явления, происходящие вокруг крупных взвешенных в воде частиц.
"Основы теории молекулярного рассеяния 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 на поверхности раздела среда — частица возникают вынужденные электромагнитные колебания, которые порождают вокруг частицы две системы световых волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом поляризация в направлении падающего света и в прямо противоположном направлении будет равна нулю, а в направлениях 90 и 270 по отношению к направлению падающих лучей свет будет полностью поляризован.
Найдя распределение рассеянной световой энергии вокруг одной частицы, Рэлей исследовал эффект множества частиц, включенных в однородную среду, и получил следующее выражение для коэффициента рассеяния: (З.б) где а есть функция показателя преломления вещества и числа частиц в единице обьема. Следовательно, энергия, рассеянная слоем мутной 284 среды, обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны. Этот факт объясняет происхождение голубого'цвета неба: прямые солнечные лучи на пути сквозь атмосферу претерпевают частичное рассеяние, причем в синем конце спектра (более короткие волны) рассеяние оказывается наибольшим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
