В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 52

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 52)

Вот почему в диффузном световом потоке, исходящем от небесного свода, преобладают синие лучи. Подобным же образом объясняется красная окраска солнца во время восхода или заката, так как при малых высотах солнца солнечные лучи проходят в атмосфере более'длинный путь, нежели при больших высотах. При этом короткие волны в спектре солнца в значительной степени рассеиваются и не достигают земной поверхности. Красные же лучи доходят до поверхности земли, испытав сравнительно малое рассеяние. Теория Рэлея объясняет явления, происходящие в разреженных газах, но неприменима для количественного описания рассеяния света в жидкости, так как здесь межмолекулярные расстояния сравнимы с размерами молекул. Световые волны от соседних молекул мало отличаются по фазе, и интерференция их должна привести к ослаблению полного потока рассеянного света.

Процесс рассеяния в жидкости лучше описывает теория Смолуховского, с точки зрения которой рассеяние света имеет место не на индивидуальных молекулах, 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, чем теория Рэлея. Обе теории основаны на предположении, что рассеяние света происходит на объемах, размеры которых малы по сравнению с длиной световой волны, и дают для рассеянного света зависимость, обратно пропорциональную А~.

Основные предположения этих теорий можно принять, если жидкость однородна в оптическом отношении. 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 лучи рассеиваются 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 по-' верхности воль: лучи в зависимости от их цвета обладают разпой яркостью. Если вода очень прозрачна, т.е.

имеет мало взвешенных частиц, то водоем будет окрашен в синий цвет. Если в воде много компо- 285 нентов, 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 непроводящих частиц. Это имеет большое значение для проблем оптики водоемов, поскольку газовые включения и взвешенные в воде мелкие твердые частицы (грунт, бактерии, планктон) не проводят электричества.

Это делает необходимым исследование эффекта рассеяния света как для частиц с показателем преломления большим 1, так и для частиц с показателем преломления меньшим 1. В случае предельно малых частиц (Ы вЂ” О, с~ — диаметр частицы) Шулейкин получил подтверждение рэлеевского закона. Рассмотрим индикатрису молекулярного рассеяния света, изображенную графически на полярной диаграмме на рис.

2.14 в ч. 11. Длина радиуса-вектора от полюса до внешней кривой выражает в условном масштабе полную 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, если смотреть на частицу в направлении, перпендикулярном падающему лучу. Если смотреть по направлению падающего луча или по направлению прямо противоположному, то луч света окажется естественным, т.е. неполяризованным. При этом энергия света, отброшенного частицей в направлении, совпадающем с направлением падающего луча, и прямо противоположном одинакова.

С возрастанием размера частиц симметрия излучения нарушается. Максимум поляризации смещается в направлении падающего луча. В случае частиц, соизмеримык с длиной волны (лШг'Л вЂ” 1), распределение энергии вокруг рассеивающей частицы отличается от распределения, характерного для молекулярного рассеяния (рис. 3.1). Полная поляризация света в этом случае уже не наблюдается ни в каком направлении. С увеличением размеров рассеивающей частицы индикатриса рассеяния все больше 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 све28б в ч зличной крупности: а — размер Рис.

З.А Индикатрисы рассеяния света для частиц ра его и чения; б — более крупные частицы; частицы сравним с длиной волны падающего излуч в — предельно большая частица (по В.В. Шулейкину, 1968) та на шарообразных частицах (рис. 3.2). Пусть на поверхность сферы, из ража щ ф, об ющей частицу, падают световые волны в направлении, указанном стрелкой ЯА. В точке А сферы падающий луч разпространяться в воде в отраженном луче АТ, а часть войдет в венованный на теории многократного отражения и пр л и п еломления явлением света, В.В. Шулейкин сделал следующий вывод: между 287 Рис.

3.2. Схематический ход лучей применительно к предельно большой частице (по В.В. Шулейкину, 1968). МНОГОКРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В 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, вошедшего в воду, равна 1О, то на глубине ~ она будет равна 1=1 е ~'. О (3.7) Помимо пучка прямых лучей с энергией 1 вниз распространяется ! большая часть диффузного потока: (3.8) 288 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 волны убывает.

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.

Рассеяние на частицах водного аэрозоля приводит к тому, что в тумане все предметы имеют белесоватую окраску. Рис. 3.3. Векторный метод, предложенный В.В. Шулейкиным (1968) (а), и схема многократного рассеяния света (б) Для решения этой сложной пространственной задачи В.В. Шулейкин предложил достаточно простой векторный метод. На рис. 3.3„а представлена полярная диаграмма рассеянного света вокруг большой частицы. Вектор, направленный вниз, изображает падающий свет. Через этот вектор проведем вертикальную плоскость, по обе стороны от которой в виде векторов изображены два потока, исходящие от частицы под углами +у и — р.

Если выбрать слой жидкости толщиной Л так, чтобы в нем можно было пренебречь вторичным рассеянием, то световой поток 1, вышедший из исследованного слоя, можно изобразить в виде В следующий слой войдут уже три отдельных потока, причем к каждому из них можно снова применить тот же прием. Таким приемом можно воспользоваться и на следующем этапе и т.д. Результаты вычислений представлены в виде таблицы (рис. 3.3, б). Горизонтальные строчки ее соответствуют последовательным слоям воды толщиной Л.

Вертикальные столбцы таблицы изображают потоки рассеянного света, направленные под углами, кратными р. Практический интерес представляют только те векторы, которые отклонены от вертикали меньше чем на прямой угол, поскольку все остальные лучи пойдут обратно к поверхности моря. Расчеты показали, что в сильно рассеивающей среде ослабление потока параллельных лучей следует гиперболическому, а не экспоненциальному закону. По мере распространения в глубину энергия вторичных, третичных и высших порядков потоков рассеянного света сначала возрастает, достигает некоторого максимума и затем начинает падать (рис. 3.4), Рис. 3.4. Изменение яркости рассеянных лучей различных порядков с глубиной (по В.В.

Шулейкину, 1968) В настоящее время усилия специалистов-гидрооптиков сосредоточены на проведении фундаментальных исследований оптики мутных сред. Гидрооптические исследования сегодняшнего и завтрашнего дня важны также и с позиций экологии, поскольку являются методом контроля чистоты водных масс. ГЛАВА 4 АКУСТИКА ОКЕАНА Гидроакустика — наука о подводном звуке, о его излучении, распространении, поглощении, рассеянии, отражении и приеме. Из всех открытых до настоящего времени видов энергии звуковая энергия распространяется в воде на наибольшие расстояния. СКОРОСТЬ ЗВУКА В ОКЕАНЕ Условия распространения акустических волн в океане имеют целый ряд специфических особенностей, обусловленных, с одной стороны, свойствами собственно водной среды океана, а с другой — свойствами граничных сред, т.е. атмосферы и дна.

Характеристики

Список файлов книги