Юлен Очаковский - Свет в море

В 1908 г. М. Смолуховский предположил, что скопления молекул, возникающие из-за флуктуаций плотности, могут рассеивать свет так же, как и материальные частицы. А. Эйнштейн дал дальнейшую математическую разработку теории Смолуховского. Выведенные уравнения позволили рассчитать величину рассеяния, которое происходит в воде за счет флуктуаций плотности. Полученные величины оказались настолько малы, что объяснить ими рассеяние, наблюдаемое в море, было невозможно. Даже в самых чистых океанских водах молекулярное рассеяние играет отнюдь не главную роль. Чем же рассеивается свет в чистейших водах морей и океанов?

Дело в том, что эти воды чисты, если ими любоваться с палубы корабля. Однако стоит каплю морской воды поместить под микроскоп, как мы обнаружим в ней одноклеточные планктонные организмы, диаметр которых в 100 раз больше длины волны голубого света (рис. 7).

Рассматривая каплю воды под электронным микроскопом (рис. 8), легко убедиться, насколько грязна на первый взгляд чистая морская вода. В ней всегда во взвешенном состоянии присутствуют мельчайшие обломки диатомовых и радиоляриевых организмов, каолинита, гидрослюд и многих других частичек органического и минерального происхождения.

Всем известны чистота и прозрачность лазурных вод Средиземного моря. А вот морские геологи, занимающиеся изучением взвеси в море, Е. Емельянов и К. Шимкус, подсчитали, что в 1 м3 поверхностного слоя средиземноморской воды содержится в среднем около 1,5 г взвеси, состоящей из частичек отмерших организмов и пылинок, занесенных в море реками и ветрами. Геологи не только определили вес взвеси, но и подсчитали под микроокопом количество частиц и их распределение по размерам (рис. 9). Оказалось, что неорганических частичек размером 1–5 мк в кубическом метре воды около 250 млн., а органических — порядка 135 млн. Поэтому не случайно морская вода для распространяющегося в ней света считается мутной средой.

Впервые детальные исследования рассеяния света в мутных средах были проведены английским физиком Тиндалем в 1868 г. (это явление получило наименование тиндаль-эффекта). Затем немецкий ученый Густав Ми в 1908 г., изучая рассеяние света на частичках распыленного в воде золота, разработал теорию рассеяния на частицах, размеры которых больше длины волны света.

Оказалось, что такие «большие» частицы рассеивают свет совершенно иначе, чем при рэлеевском рассеянии. Значительная часть рассеянного света направлена вперед, и лишь небольшая — назад, навстречу падающему пучку. Ни о какой симметрии уже не может быть речи. Причем доля рассеянного вперед света определяется главным образом размером частиц. Это так называемый эффект Ми.

Рис. 7. Фотография взвешенных частиц в прибрежных водах Тихого океана

Рис. 8. Микрофотография частиц, содержащихся в пробе воды из Индийского океана

В. В. Шулейкин рассчитал индикатрисы рассеяния для крупных частиц. Некоторые из них представлены на рис. 10. С увеличением размера частиц индикатриса все больше и больше вытягивается вперед. При этом наблюдается еще одно любопытное явление: рассеяние перестает подчиняться рэлеевскому закону обратной пропорциональности четвертой степени длины волны. Шулейкин установил зависимость между размерами частиц и показателем степени при λ, которым следует заменять «рэлеевскую четверку»:

Из данных видно, что если размер частицы примерно равен длине волны видимой части спектра, то рассеяние перестает быть селективным, т. е. свет всех цветов рассеивается одинаково.

До сих пор все наши рассуждения относились к рассеянию на одной частице или совокупности одинаковых частиц. А как же оценить рассеяние в реальных условиях моря? Геологи достаточно убедительно показали, что в каждой капле морской воды содержится огромное количество самых разнообразных частиц. Причем надо учесть, что рассеяние зависит не только от их размеров, но и от оптических свойств того материала, из которого они состоят.

Мы уже говорили об индикатрисах, рассчитанных Рэлеем и Шулейкиным. Можно ли рассчитать с достаточной точностью индикатрису морской воды?

Принципиально такой расчет возможен, но для этого нужно иметь полное представление о количестве, размерах и оптических свойствах взвешенных в морской воде частиц. Современная техника исследований не позволяет получить всю необходимую нам информацию.

Зная индикатрису рассеяния во всем интервале углов от 0 до 180°, можно исследовать размеры взвешенных в воде частиц. Оптические методы определения размеров рассеивающихся частиц в различных средах, разработанные К. С. Шифриным, в настоящее время начинают использоваться и в оптике моря.

Рис. 9. Распределение частиц взвеси по крупности в водах Средиземного моря

1 — неорганическая; 2 — органическая

Рис. 10. Индикатрисы рассеяния для крупных частиц (по В. В. Шулейкину)

Для определения рассеивающих свойств морской воды необходимо проводить непосредственные измерения, либо доставив пробу воды в судовую лабораторию, либо опустив прибор в море. Такие приборы обычно называют нефелометрами.

Одним из первых приборов такого рода была установка, разработанная А. А. Гершуном и М. М. Гуревичем в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова. На рис. 11 приведена схема измерений рассеяния этим прибором. Сосуд с водой через оптическую систему освещался параллельным пучком света. Как и в примере с аквариумом, в этом сосуде из-за рассеяния света создается светящийся след, яркость которого под различными углами оценивает фотометр путем сравнения ее с яркостью матовой пластинки с известным коэффициентом отражения, помещенной в центре сосуда.

Получив ряд значений яркости для различных углов, во-первых можно построить индикатрису рассеяния, а во-вторых, рассчитать показатель рассеяния.

Если собрать весь свет, рассеянный по различным направлениям, мы получим общее число фотонов ΔN, рассеянных нашим объемом воды. Точно так же, как и в случае поглощения, это число пропорционально количеству фотонов N, падающих на слой, и толщине слоя Δz:ΔN = σNΔz. По аналогии с показателем поглощения коэффициент пропорциональности σ в этой формуле носит название показателя рассеяния. Он равен вероятности того, что фотон, пробегая в веществе слой единичной толщины, изменит направление своего движения.

Оригинальную конструкцию прибора для измерения рассеяния света разработал и применил В. В. Шулейкин. В его установке источником света служило солнце, лучи которого гелиостатом направлялись в систему линз и объективов, а оттуда в виде интенсивного пучка параллельного света в прибор. Многократно преломившись в коленчатой трубе установки, свет под разными углами освещал исследуемый объем воды, а яркость его сравнивалась фотометрическим устройством с яркостью эталонной пластинки.

Одним из современных «индикатрисомеров» является гидронефелометр СГН-57, сконструированный в ГОИ под руководством В. Б. Вейнберга. На рис. 12 изображен внешний вид этого прибора, а на рис. 13 — его оптическая схема. Как же ведут измерения этим прибором?

Рис. 11. Нефелометр Гершуна — Гуревича

Он устанавливается на специальном столе в судовой лаборатории. Так как измерения зачастую приходится вести во время качки, то прибор крепится к столу надежными зажимами. Первоначально предполагалось, что вода в прибор будет подаваться из-за борта по специальному шлангу с помощью насоса, но это оказалось очень трудно выполнить практически. Кроме того, этим путем можно было получить только воду самого поверхностного слоя моря. А как быть, если надо измерить рассеивающую способность воды, допустим, из Марианской впадины в Тихом океане, с глубин, превышающих 10 000 м или, более скромно, 1000–2000 м? Пришлось воспользоваться батометрами[8]. Но как ни мыли горячей водой с мылом, паром, специальными химикалиями и другими способами металлические батометры, которыми пользуются гидрологи, они оказались «грязными» для оптических исследований.

Тогда инженер А. С. Сусляев создал несколько типов «чистых» батометров из винипласта (рис. 14), позволяющих взять семилитровую пробу воды с любой глубины океана. В кювету прибора заливается около пяти литров воды, а остальная часть пробы может быть использована для исследования взвеси или других целей.