Свет в море - Юлен Очаковский

Перемещение взмученных частиц у южных берегов Балтийского моря изучал с помощью фотоэлектрического прозрачномера немецкий исследователь Г. Люнебург. С этой же целью на подводной лаборатории «Черномор» был установлен прозрачномер, сконструированный в Южном отделении Института океанологии. Потоки мелких иловых частиц нередко имеют внушительные размеры. Такой поток, простирающийся на 1200 км, известен у берегов южноамериканского континента.

Оптика моря весьма успешно помогает океанологии и в таком важном и сложном вопросе, как распознавание вод различного происхождения. Часто такие воды отличаются не только по основным гидрологическим характеристикам — температуре и солености, но и по содержанию взвешенных частиц, а следовательно, по прозрачности. Даже когда прозрачность разнородных вод, переносимых мощными океанскими течениями, одинакова, все же удается разграничить их, используя оптические методы.

Рис. 23. Блок-диаграмма прозрачности вод тропической части Индийского океана. Стрелками указано направление основных течений, пунктиром — границы между течениями.

На рис. 23 представлена блок-диаграмма прозрачности вод тропической части Индийского океана, построенная по результатам исследований «Витязя». На ней указаны границы течений, определенные гидрологическими методами. Легко видеть, что границы совпадают с зонами мутных вод, вытянутых вдоль течений. Понижение прозрачности в граничных зонах связано с различными динамическими процессами, которые стимулируют накопление там минеральных частиц и развитие фито- и зоопланктона.

Воды открытого океана и внутренних морей весьма рельефно отличаются друг от друга содержанием «желтого вещества», о концентрации которого в море легко судить по измерениям прозрачности в синей или ультрафиолетовой части спектра.

Можно было бы привести еще много примеров, когда оптика моря оказывается полезной при океанологических исследованиях.

Солнечный свет в море

Свет на поверхности моря

Изучая естественный свет в толще моря, мы прежде всего должны задаться вопросом: что представляет собой свет, освещающий его поверхность?

Каждую секунду в результате ядерных реакций в недрах Солнца 564 млн. т водорода превращаются в 560 млн. т гелия; 4 млн. т солнечного водорода излучаются в космос в виде тепла и света.

Энергетическая мощность излучения Солнца оценивается в 3,86∙1023 квт. Если выразить энергию Солнца в калориях в секунду и просуммировать всю энергию, излучаемую им за год, мы получим величину, примерно равную 3∙1033 кал. Конечно, наша планета из этого количества получает ничтожную часть — всего лишь около одной двухмиллиардной доли, т. е. 1024 кал., но и это — огромное количество энергии.

Основной характеристикой излучательной способности Солнца принято считать солнечную постоянную, т. е. мощность солнечного излучения, приходящегося на один квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к падающим лучам и расположенной вне земной атмосферы. Более ли менее точно измерить непосредственно величину солнечной постоянной удалось лишь с открытием космической эры. По современным данным, она составляет 2,00 кал/мин∙см2, или 1394 вт/м2.

При прохождении земной атмосферы энергия прямого солнечного излучения ослабевает, частично поглощаясь и частично рассеиваясь. Величина энергии, достигающей поверхности моря, не является постоянной, так как зависит от многих факторов. Чем ниже над горизонтом Солнце, тем большую толщу атмосферы надо преодолеть его лучам и тем больше, следовательно, потери на поглощение и рассеяние. Если путь, который проходит луч в атмосфере, когда Солнце находится в зените, принять за единицу (в метеорологии ее называют «масса атмосферы»), то из приведенных данных можно наглядно представить себе, насколько этот путь увеличивается при понижении высоты Солнца.

Высота Солнца, град. 90 60 45 30 10 5 1 Масса атмосферы 1,0 1,15 1,4 2,0 5,4 10,4 27

Таким образом, когда Солнце только взошло над горизонтом, его лучам надо преодолеть толщу атмосферы в 27 раз большую, чем когда оно находится в зените. Вторым основным фактором, значительно влияющим на ослабление потока солнечной радиации, является прозрачность атмосферы в данном конкретном месте и в данный момент. Чем больше частичек пыли, капель воды, кристалликов льда содержится в атмосфере, тем менее она прозрачна и тем большие потери солнечной энергии мы наблюдаем.

Несмотря на эти потери, поверхность моря получает огромное количество энергии. Так (правда, с большим приближением), можно считать, что в летнее время при высоком положении Солнца один квадратный метр морской поверхности подвергается действию светового излучения мощностью около одного киловатта. Безусловно, эта величина изменяется в очень широких пределах в зависимости от географической широты места и времени года. Эти изменения наглядно иллюстрируются графиком на рис. 24.

Итак, мы кратко рассмотрели энергетическую характеристику прямой солнечной радиации, достигающей поверхности моря. Для оптики моря не меньший интерес представляет спектральный состав солнечного излучения, так как он в основном определяет характер тех оптических процессов, с которыми мы имеем дело при изучении света в море.

Тонкий, поверхностный слой Солнца, имеющий толщину всего около 100–200 км (называемый фотосферой), излучает в пространство энергию в весьма обширном диапазоне длин волн от 100 нм до 30 000 нм. К счастью для всего живущего на Земле, наша атмосфера вносит существенные поправки в этот спектр солнечного излучения. Так, слой озона, опоясывающий земной шар на высоте 40–50 км, поглощает всю ультрафиолетовую радиацию Солнца с длинами волн меньше 290 нм. В противном случае Земля была бы мертва, ибо ультрафиолетовое излучение более коротких длин волн губительно для живых организмов. Значительная часть инфракрасного излучения также поглощается атмосферой. Поэтому спектральный состав энергии; который мы можем измерить у поверхности моря, сильно отличается от излучаемого Солнцем. Так же как общая величина энергии, достигающей поверхности моря, ее спектр зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния прозрачности атмосферы. Распределение энергии в спектре Солнца при абсолютно чистой и не содержащей влаги атмосфере (т. е. в идеальных условиях) показано на рис. 25. С уменьшением высоты Солнца меняется спектральный состав его излучения. Максимум постепенно смещается в более длинноволновую часть спектра, интенсивность излучения становится все меньше и меньше.

Рис. 24. Зависимость облученности поверхности моря от географической широты и времени года (широта: 1—35°; 2—45°; 3—55°; 4—65°)

Рис. 25. Распределение энергии в спектре солнечного излучения при различных высотах Солнца и в условиях идеальной атмосферы

Для оптики моря особый интерес представляют те перемены, которые происходят с изменением высоты Солнца в видимой области спектра, т. е. в диапазоне длин волн от 400 до 760 нм. Как меняется в спектре доля видимого излучения? Это можно узнать из табл. 1, где в процентах к общему излучению приведены данные для ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра.

Таблица 1

Излучение, нм Высота Солнца над горизонтом, град. 5 10 20 30 50 90 Ультрафиолетовое (295–400) 0,4 1,0 2,0 2,7 3,2 4,7 Видимое (400–760) 38,6 41,0 42,7 43,7 43,9 45,3 Инфракрасное (>760) 61,0 58,0 55,3 54,6 52,9 50,0

Внимательно присмотревшись к этой таблице, можно обнаружить одно примечательное явление. Начиная с высоты Солнца 20° соотношение видимого и инфракрасного излучения изменяется незначительно, тогда как доля ультрафиолетового излучения увеличивается больше чем в два раза.