Юлен Очаковский - Свет в море

Уже говорилось об основном уравнении теории мутных сред — уравнении переноса излучения. Его решение позволяет получить интересующую нас информацию о световом поле в море в зависимости от условий освещения и оптических свойств морской воды в данном районе. Беда, однако, в том, что полного решения уравнения применительно к морю до сих пор еще нет. Математических трудностей, с которыми оно сопряжено, не удалось преодолеть даже с появлением электронно-вычислительных машин. Большинство современных гидро-оптических исследований основывается на результатах экспериментальных работ, которые кладутся затем в основу теоретических построений.

Особенно широкое распространение экспериментальные оптические исследования непосредственно в море получили в послевоенные годы.

В 1947–1948 гг. во время кругосветного рейса шведского научно-исследовательского корабля «Альбатрос» Н. Ерлов выполнил комплексные измерения в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. На их основе он разработал первую оптическую классификацию морских и океанских вод.

В нашей стране также широко развернулись исследования оптических свойств вод морей и океанов. В 1948–1951 гг. М. В. Козлянинов проводил обширные оптические измерения в морях, омывающих берега Советского Союза.

С вступлением в строй научно-исследовательского корабля «Витязь» в 1949 г. Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР (ИОАН) начал регулярные оптические измерения в дальневосточных морях и в Тихом океане. В это же время под руководством А. А. Гершуна и В. Б. Вейнберга в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова разрабатывались новые гидрооптические приборы.

Значительно расширило наши знания об оптических свойствах вод открытых океанских акваторий проведение Международного геофизического года и Международного геофизического сотрудничества в 1957–1959 гг. В период подготовки к этим международным исследованиям в Советском Союзе был создан первый комплект аппаратуры, предназначенный для массовых измерений оптических характеристик морей и океанов, — фотоэлектрический прозрачномер ФПМ-57, измеритель подводной освещенности ФМПО-57, спектрогидронефелометр — прозрачномер СГН-57 и гидрофотометр ФМ-46.

В эти годы интенсивно развивается раздел гидрооптики, который можно назвать оптической океанологией. Задачи оптической океанологии — изучение географического распределения и сезонной изменчивости оптических свойств вод Мирового океана и выявление связей между оптическими характеристиками, с одной стороны, и гидрологическими, биологическими и геологическими факторами — с другой.

В становлении оптической океанологии заметную роль сыграли работы И. Йозефа. На экспериментальном материале, полученном главным образом в проливах, соединяющих Северное и Балтийское моря, он показал, что между некоторыми оптическими характеристиками и гидрологическими условиями существует определенная зависимость и что различным водным массам присущи достаточно четкие оптические признаки.

В Тихом океане, кроме шведского «Альбатроса», гидрооптические измерения проводили японские, американские и австралийские исследователи.

Большой вклад в изучение оптических свойств Мирового океана внесли советские исследователи. «Витязь» в Тихом и Индийском океанах, «Михаил Ломоносов» в Атлантическом океане, «Обь» в приантарктических водах, «Академик С. Вавилов» в Средиземном и Красном морях покрыли довольно густой сетью гидрооптических станций обширнейшие акватории. На рис. 1 представлена карта Мирового океана с гидрооптическими станциями (из них почти 75 % принадлежит советским экспедициям).

Одновременно с экспедиционными работами ведутся экспериментальные и теоретические исследования светового поля, создаваемого естественными и искусственными источниками; изучаются условия видимости под водой (большая заслуга в этом принадлежит американским ученым Дантли, Тайлеру и Прайзендорферу).

Французский гидрооптик А. А. Иванов большое внимание уделяет поляризации естественного света, видимости под водой и оптическим свойствам морских вод. Широкую известность приобрели работы Ж. Ленобль. Несомненно интересны изыскания А. Мореля, изучающего процессы рассеяния в море.

Наряду с измерениями непосредственно в море широко развиваются исследования на искусственных средах, моделирующих оптические свойства морских вод. Работы, проведенные В. А. Тимофеевой в Морском гидрофизическом институте АН УССР и А. П. Ивановым в Институте физики АН БССР, позволили исследовать в лабораторных условиях многие закономерности распространения света в океане.

Оптика моря — органическая часть большого комплекса наук, изучающих физические свойства вод Мирового океана. Ее успехи неразрывно связаны с развитием океанологии в целом.

Поглощение и рассеяние света в морской воде

Вряд ли кого удивит тот факт, что дневной свет, распространяясь в толще моря, ослабевает с глубиной. А вот почему это происходит? На этот вопрос, вероятно, ответит далеко не каждый.

Каким образом вода «борется» с лучом света, пытающимся проникнуть в ее толщу? В чем заключается физический смысл процесса ослабления света водой?

Чтобы детально разобраться в этом, надо познакомиться с двумя процессами, взаимное воздействие которых на свет и приводит к его ослаблению в воде. Одним из этих процессов является поглощение, а вторым — рассеяние.

Свет превращается в тепло

Поглощаясь, световая энергия переходит в другие виды энергии, в частности в тепловую. Кажется, все ясно. Но стоит на мгновение задуматься — и сейчас же возникают вопросы: почему световая энергия поглощается морем, каков механизм этого процесса, каким образом свет превращается в тепло? И вот здесь-то мы и попадаем в дебри атомной физики. Чтобы ответить на возникшие вопросы, надо от понятия «свет» перейти к понятию «квант энергии», а от толщи моря — к молекуле воды.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк создал квантовую теорию излучения света. Эта теория получила свое дальнейшее развитие в работах А. Эйнштейна, который доказал, что излучение, распространение и поглощение света происходит в виде отдельных порций света — квантов, т. е. своеобразных частиц световой энергии, впоследствии получивших наименование «фотоны» (от греческого слова photos — свет). Чем же они характеризуются?

Фотону присущи многие свойства материальной частицы. Так, он обладает энергией, количеством движения (импульсом) и массой, которые можно определить следующим образом: энергия W = hv; импульс p = hv/c; масса m = hv/c2, где h — постоянная Планка (6,6∙10-34 дж∙сек); с — скорость света в вакууме (3∙108 м∙сек-1); v — частота, с которой фотон был излучен, определяемая из соотношения v = c/λ сек-1, где λ — длина волны света.

Но все же фотон не материальная частица. Все дело в том, что его масса — это масса движения. Масса покоя фотона равна нулю. Другими словами, фотон существует, пока он движется.

Особенность квантовой теории света состоит еще и в том, что эта теория отнюдь не отрицает волновую природу света. Как мы видели, квант энергии количественно выражается через волновую характеристику — частоту световых колебаний

Мириады фотонов пронизывают верхнюю толщу моря со скоростью света (в воде эта скорость в 1,34 раза меньше, чем в воздухе) и несут с собой огромные запасы энергии, излучаемой Солнцем. Представить себе количество фотонов, находящихся в данный момент в океане, так же трудно, как оценить количество содержащихся в нем молекул, исходя из того, что в 1 м3 воды их 3,34∙1025.

Но все же примерный подсчет показывает, что летом где-нибудь на Южном берегу Крыма в солнечный день 1 м2 поверхности моря пересекает в одну секунду около 2,7∙1021 фотонов. По одному количеству фотонов трудно судить об энергии, приносимой ими в море. Дело в том, что энергия фотонов различна и, как следует из приведенных выше формул определяется частотой, с которой фотоны были излучены, т. е. длиной волны света. Фотонам различной «окраски» соответствует разная энергия.

Пользуясь существующим соотношением, подсчитаем, какой же энергией обладает фотон фиолетового с длиной волны 380 нм[4] и фотон красного света, имеющий длину волны 770 нм:

джоулей = 3,3 эв;

джоулей = 1,6 эв.

Таким образом, фиолетовый свет вдвое энергичнее красного. В свою очередь это приводит к определенным различиям во взаимоотношениях фотонов с молекулами воды. Для того чтобы понять их характер и то, как лучистая энергия преобразуется в тепловую, надо обратиться к молекуле воды (рис. 2, а).