Юлен Очаковский - Свет в море

В XIX и в начале XX в. визуальные наблюдения прозрачности морокой воды осуществлялись крайне нерегулярно и лишь лет 40 назад получили достаточно широкий размах, охватив многие районы Мирового океана. Вот ориентировочные данные о наибольшей глубине видимости белого диска.

Как видно, рекордная глубина видимости белого диска отмечается в Саргассовом море. За последние 40 лет было выполнено несколько десятков тысяч измерений с помощью белого диска.

В Институте океанологии результаты этих наблюдений обобщаются для создания детальной карты Мирового океана. На рис. 19 (см. цв. вкл. на стр. 30) изображен лишь предварительный вариант такой карты. Дальнейшее накопление новых данных, безусловно, приведет к ее уточнению.

Рис. 19. Карта относительной прозрачности вод Мирового океана, составленная по данным измерений белым диском (глубина исчезновения диска, м)

Для построения карты было использовано 37 тыс. наблюдений с белым диском (необходимо отметить, что глубина видимости белого диска не является строгой количественной характеристикой прозрачности, хотя в значительной степени и определяется ею).

В оптике моря для глубины видимости белого диска принят термин относительная прозрачность.

О физических причинах, определяющих глубину видимости белого диска в разных водах, мы будем говорить дальше, а сейчас остановимся на измерении абсолютной прозрачности.

Устройство современных прозрачномеров

Путешествуя по географическим зонам Мирового океана, мы говорили о «более или менее прозрачных» водах, о слоях «повышенной и пониженной прозрачности», но нигде не приводили ее количественных оценок. В то же время в гидрооптике существует строгое определение понятия «прозрачность».

Направим на слой воды толщиной в один метр параллельный пучок света так, чтобы он падал перпендикулярно к поверхности этого слоя. Выраженное в процентах отношение светового потока, прошедшего через воду Фz, к величине падающего потока Ф0 называется прозрачностью:

Прозрачность θ однозначно связана с другой физической характеристикой — показателем ослабления.

Мы уже знаем, что при прохождении параллельного пучка света через тонкий слой воды часть фотонов поглотится, а часть рассеется, т. е. изменит направление своего движения. Число поглощенных фотонов равно: ΔNпогл = ϰN0Δz, а число рассеянных: ΔNрас = σN0Δz, где N0 — число падающих фотонов, Δz — толщина слоя, ϰ и σ — соответственно показатели поглощения и […]. Общее число фотонов, потерянных пучком в этом слое, равно сумме поглощенных и рассеянных: ΔNобщ = ΔNпогл + ΔNрас = (ϰ + σ)N0Δz = εN0Δz, где ε = ϰ + σ. Коэффициент пропорциональности ε в этой формуле называется показателем ослабления. Он равен сумме показателей поглощения и рассеяния. Величина показателя ослабления зависит от свойств данной среды и является одной из ее физических характеристик. Значения показателя ослабления, так же как и показателей поглощения и рассеяния, даются обычно в обратных метрах (м-1).

А как изменится световой пучок, пройдя в среде расстояние z? Разобьем это расстояние на совокупность достаточно малых отрезков Δz, в каждом из которых ослабление будет равно εФΔz, где Ф — значение светового потока в начале этого отрезка, а затем просуммируем ослабление на всех этих отрезках. Можно показать, что величина светового потока, прошедшего расстояние z в среде, будет равна: Фz = Ф0∙е-εz, где Ф0 — его первоначальная величина. Основание степени в этой формуле — число е — называют «натуральным», оно широко используется в высшей математике Число это иррациональное, его приближенное значение — 2,72.

Часто предпочитают иметь дело с обычным десятичным основанием. Наша формула и в этом случае сохраняет свой вид: Фz = Ф0∙10-ε'z, но здесь уже другой показатель ослабления; его значение в 2,3 раза меньше показателя ослабления ε (показателя при натуральном основании). Формула Фz = Ф0∙10-ε'z позволяет нагляднее представить себе физический смысл показателя ослабления: ε' — это величина, обратная расстоянию, которое пучок света должен пройти в среде, чтобы ослабиться в 10 раз. Используя полученную формулу, легко найти связь между показателем ослабления и прозрачностью:

И обратно: ε' = — lgθ.

Закон ослабления светового пучка в зависимости от расстояния, пройденного им в среде, был открыт Пьером Бугером. Значение его огромно, оно выходит далеко за рамки фотометрии. Закону Бугера подчиняется ослабление любого прямого потока энергии, будь это рентгеновы или гамма-лучи, электроны, нейтроны или какие-нибудь другие частицы. Тщательные исследования, проведенные академиком С. И. Вавиловым, показали, что закон Бугера справедлив в очень широких пределах изменения интенсивности света от 10-14 до 105 джоуль/сек∙м2 (т. е. примерно в 1020 раз). Отступления от этого закона удается наблюдать лишь в веществах с очень большими длительностями возбужденных состояний молекул (например, в урановых стеклах), или при необычайно высоких мощностях светового пучка[15].

Суть закона Бугера заключается в следующем: ослабление света на пути, составленном из нескольких конечных отрезков, равно не сумме, а произведению ослаблений на каждом из этих отрезков (в формуле Бугера этот факт подчеркивается тем, что оптическая длина пути, т. е. произведение показателя ослабления ε на длину отрезка z, находится в показателе степени).

Принцип действия современных прозрачномеров основан на использовании закона Бугера. В этих приборах измеряется световой поток, прошедший через слой воды определенной толщины (l). Сопоставляя значение этого светового потока с величиной падающего, легко найти показатель ослабления:

Ф = Ф010-ε'l, откуда:

Прозрачномеры делятся на две основные группы: приборы, измеряющие прозрачность непосредственно в море (приборы in situ), и приборы для измерения прозрачности в пробах воды на борту корабля или в стационарной лаборатории.

Приборы, входящие в первую группу, предназначены для вертикального зондирования в толще океана или для непрерывной регистрации прозрачности на заданном горизонте во время хода корабля. Первую модель подводного прозрачномера создал в 1922 г. Н. Н. Калитин. Он использовал фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Спустя 10 лет, когда появились фотоэлементы с запирающим слоем, в частности селеновые, Г. Петтерссон разработал фотоэлектрический прозрачномер, получивший широкое распространение в океанографических исследованиях. Прозрачномер Петтерссона представлял собой герметическую камеру, в которой помещался источник света — лампочка и приемный фотоэлемент, а также прикрепленное на расстоянии одного метра зеркало. Свет от лампочки, пройдя через линзу, в виде слабо расходящегося пучка выходил в воду и попадал на зеркало, укрепленное на расстоянии одного метра от камеры. Отраженный от зеркала свет возвращался на фотоэлемент.

Петтерссоновский прозрачномер конструктивно был улучшен И. Йозефом. В его измерителе прозрачности имеются две герметичные камеры. В одной из них помещается коллимированный источник света — лампа накаливания с линзой и диафрагмой — и контрольный фотоэлемент. Во второй камере находились конденсорная линза и диафрагма, препятствующая попаданию дневного света на установленный в этой камере приемный фотоэлемент. Между линзой и диафрагмой помещался диск с цветными светофильтрами. Обе камеры жестко соединялись между собой трубой с прорезями, в которую свободно входила морская вода.

Создаваемые в дальнейшем у нас и за рубежом прозрачномеры принципиально не отличались от упомянутых приборов (лишь вместо фотоэлементов стали использоваться фотоумножители). Внешний вид и оптическая схема одного фотоэлектрического прозрачномера (ФПР) представлены на рис. 20 и 21. Конструкция этого прибора и его последующих модификаций разрабатывалась под руководством А. К. Карелина.