Юлен Очаковский - Свет в море

Ю. Е. Очаковский, О. В. Копелевич, В. И. Войтов

Свет в море

Ответственный редактор

член-корреспондент АН СССР В. Г. Богоров

От редактора

Исследование взаимосвязи между географическим распределением оптических характеристик и гидрологическими, биологическими, геологическими факторами — одна из важнейших задач оптики моря.

Так как оптика моря является одним из разделов физики — оптики светорассеивающих сред, то это объединяет ее с оптикой атмосферы. Однако оптика моря сильно отличается от атмосферной благодаря резкому различию оптических свойств атмосферы и океана.

Если оптика атмосферы имеет солидный стаж, то оптика моря — наука молодая. Ее бурное развитие началось лишь в послевоенные годы. За последнее двадцатилетие интерес человечества к океану резко повысился. В связи с этим стали актуальными проблемы подводного освещения и видимости под водой. Развитие и совершенствование подводного телевидения, аппаратуры для кино- и фотосъемки под водой также требовали хорошего знания оптических свойств морской воды и физических законов, определяющих проникновение и распространение света под водой. С оптикой моря связаны процессы биологической продуктивности и эксплуатации живых богатств океана.

В наши дни оптикой моря занимается целый ряд научно-исследовательских учреждений страны. В сводных работах по физике моря и океанологии оптическим характеристикам всегда уделяется должное внимание. В то же время практически отсутствует научно-популярная литература, посвященная оптике моря, если не считать главы в книге В. В. Шулейкина «Очерки по физике моря» и нескольких журнальных статей.

Книга «Свет в море» призвана восполнить этот пробел. В ней рассказывается о том, как происходит распространение света в море, чем отличаются друг от друга оптические свойства различных морей и океанов, каково происхождение цвета моря, какое значение оптика моря имеет для морской биологии и других наук о море, для потребностей техники.

Член-корреспондент АН СССР

В. Г. БОГОРОВ

Предисловие

Более двух третей поверхности нашей планеты занимают моря и океаны. В них обитает огромное количество рыбы, различных моллюсков, водорослей. На океанском дне лежат богатейшие россыпи марганца и железа. Морскую воду не случайно называют жидкой рудой: ведь Мировой океан хранит в растворенном состоянии около 8 млн. т золота, 164 млн. т серебра и множество других химических элементов. Запасы же полезных ископаемых под Океанским дном поистине неисчислимы.

Велики также энергетические ресурсы океана: мировые «запасы» энергии приливов достигают 1 100 000 млн. квт, а количество дейтерия, содержащегося в морских водах, сможет обеспечить энергетические нужды человечества в течение ближайшего миллиарда лет.

Однако эти богатства используются крайне слабо. Бесконечная водная стихия для нас все еще terra incognita. Лишь XX век открыл «эру морей».

Человек все глубже проникает в море. Он приходит туда с кинокамерой и фотоаппаратом, опускает под воду телевизионную аппаратуру. Для конструирования и использования этой техники необходимо знать оптические свойства морской воды, правильно представлять себе физические законы, определяющие распространение света в море.

Знания эти важны и для некоторых других наук, например для морской биологии. Ведь жизнь в морских глубинах обязана своим существованием Солнцу, солнечной энергии, а основной процесс, в результате которого создается вся первичная продукция морей и океанов, — это фотосинтез. Биологам моря необходимы сведения о том, какое количество света проникает на ту или иную глубину в море, как изменяется световой режим в морских глубинах в течение суток и в течение года, чем отличаются условия проникновения света в различных водах.

Ответы на эти и многие другие вопросы дает оптика моря — молодая, быстро развивающаяся наука, которой и посвящается эта книга.

Рождение гидрооптики

Основная задача этой науки — изучать оптические свойства морской воды и закономерности, определяющие проникновение и распространение света в море.

Первые исследования в этой области проводил еще в начале XVIII в. французский физик Пьер Бугер, создавший фотометрию — науку о количественных измерениях света. Академик С.И. Вавилов считал, что имя Бугера в истории оптики должно стоять наряду с именами Ньютона и Гюйгенса. В своем знаменитом «Оптическом трактате»[1] Бугер исследовал множество вопросов, связанных с измерениями света, его отражением от гладких и шероховатых поверхностей, распространением света в различных средах. Большинство из них имеет самое непосредственное отношение к морю. Бугеру принадлежит заслуга открытия одного из главных законов, определяющих распространение света в морской среде, — закона, названного впоследствии его именем. Ученый сформулировал основные принципы теории видимости предметов через освещенную мутную среду и применил ее для расчета предельной глубины их видимости под водой. По его инициативе начались лабораторные исследования морской воды.

Однако если говорить об оптических измерениях непосредственно в море, то здесь приоритет принадлежит русскому исследователю О. Е. Коцебу, который первый измерял относительную прозрачность моря с помощью погружаемых предметов. Своими успехами в первой половине XX в. наука о свете в море обязана в основном усилиям русских ученых.

В конце прошлого столетия петербургский физик О. Д. Хвольсон сформулировал уравнение переноса излучения — основное уравнение, описывающее распространение света в мутных (светорассеивающих) средах, в частности в море. Он исходил из простых физических соображений — сохранения лучистой энергии в элементарном объеме вещества. В последнее время появились работы, в которых предприняты попытки установить связь этого уравнения с уравнениями Максвелла и обосновать его законность с точки зрения электродинамики. В послевоенные годы индийский ученый С. Чандрасекар и советский физик Г. В. Розенберг модернизировали уравнение переноса, чтобы учитывать также поляризацию излучения.

В начале 20-х годов нашего века индийскому ученому Ч. Раману и советскому физику В. В. Шулейкину удалось объяснить происхождение цвета моря. Теория Рамана пригодна лишь для прозрачных вод, формула Шулейкина более общая. Несколько позднее А. Г. Гамбурцев создал еще более общую теорию: выведенная им формула для света, выходящего из моря, включает в себя формулы Шулейкина и Рамана как частный случай.

Вклад академика Шулейкина в гидрооптику не ограничивается лишь объяснением цвета моря. Он создал теорию многократного рассеяния света в море, исследовал рассеяние света взвешенными частицами и действие света на окраску различных подводных водорослей и животных. На основанной им в 1929 г. в Кацивели Черноморской гидрофизической станции в настоящее время ведутся исследования по оптике моря, широко известные как в Советском Союзе, так и за рубежом.

Одним из основоположников современной гидрооптики является также советский ученый профессор А. А. Гершун. Он создал теорию светового поля в мутных средах, послужившую основой теоретической гидрооптики. Раньше фотометрия ограничивалась лишь рассмотрением самих излучающих и поглощающих тел, а промежуточная среда, в которой распространялся свет, исключалась из рассмотрения. Гершун ввел представление о поле лучистой энергии в среде как о физическом поле и создал его математическую теорию. Гершун первый изучил многие важные вопросы фотометрии мутных сред и разработал ряд оптических приборов для наследований в море. Написанная им в 1939 г. вместе с Вс. А. Березкиным и Ю. Д. Янишевским монография «Прозрачность и цвет моря»[2] остается до сих пор классическим произведением, посвященным оптике моря[3].

Из зарубежных исследователей-гидрооптиков, работавших в 30—40-е годы, необходимо назвать имена И. Ле Грана и Г. Петтерссона. Французский ученый И. Ле Гран опубликовал несколько интересных работ, посвященных теории распространения света в море; швед Петтеросон — создатель многих гидрооптических приборов — один из первых начал проводить оптические исследования, погружая аппаратуру непосредственно в море.

Гидрооптика как наука принадлежит одному из разделов физики — оптике светорассеивающих сред (сюда же относится и оптика атмосферы). Поэтому для развития гидрооптики очень большое значение имели общетеоретические работы В. А. Амбарцумяна, В. В. Соболева, С. Чандрасекара, Г. В. Розенберга, Р. Прайзендорфера, К. С. Шифрина и Ван де Хюлста. Развитые ими методы исследования распространения излучения в светорассеивающих средах имеют прямое отношение к морю.