Оптика океану

ОПТИКА ОКЕАНУ — роз­діл фізики океану, що ви­вчає оптичні властивості морської води (О. в. м. в.) і закономірності пошире­н­ня світлового ви­промінюва­н­ня в морському середовищі, зокрема його проходже­н­ня через схвильовану поверх­ню моря. Крім того, О. о. досліджує пошире­н­ня світл. ви­промінюва­н­ня в системі «атмо­сфера–О.». З оптич. точки зору мор. вода — світлорозсіювал. середовище, тому О. о. належить до оптики мутних середовищ. Специфіка пошире­н­ня світл. ви­промінюва­н­ня в О. об­умовлена особливостями по­глинал. і роз­сіювал. властивостей мор. води. Остан­ні залежать від кількіс. та якіс. складу роз­чинених і зважених у мор. воді речовин. Склад мор. води над­звичайно різноманітний і мінливий: забарвлена орган. речовина, фітопланктон, бактерії, детрит, зважені частинки (виносять в море річки і вітер, а також потрапляють в море в результаті абразії берегів, тане­н­ня льодів, вивержень вулканів). О. в. м. в. ви­значаються пере­важно частинками роз­міром 10^-7–10^-5 м. Зі зваженими частинками повʼязана одна з характер. особливостей мор. води — різка асиметрія кутового роз­поділу роз­сіяного світла (світло роз­сіюється пере­важно в напрямку спадного пучка). У чи­стій воді роз­сіюва­н­ня вперед і назад (в пере­дню і задню пів­сфери в напрямку спадного пучка) однакове, в мор. воді коефіцієнт асиметрії, як правило, більше 10, а в деяких р-нах навіть понад 100. Осн. зав­да­н­ням дослідж. О. в. м. в. є ви­вче­н­ня їхньої простор. і часової мінливості залежно від складу речовини, що міститься в мор. воді, джерел надходже­н­ня, процесів пошире­н­ня і транс­формації. О. в. м. в. характеризують за показниками по­глина­н­ня, роз­сіюва­н­ня і ослабле­н­ня світла, індикатрисою роз­сіюва­н­ня (кутовий роз­поділ роз­сіяного світла). О. о. встановлює кількісні спів­від­ноше­н­ня між оптич. характеристиками мор. води й концентрацією роз­сіювал. частинок, що містяться в ній. Світл. поле створюють в мор. воді як природні (пере­д­усім Сонце), так і штучні джерела. Характеристики світл. поля залежать від О. в. м. в. і парамет­рів джерел ви­промінюва­н­ня. В основі теор. методів дослідж. цієї залежності лежить інтегро-диференціал. рівня­н­ня пере­носу ви­промінюва­н­ня, специфіка ріше­н­ня якого для мор. середовища повʼязана із сильним витягне­н­ням індикатриси роз­сіюва­н­ня. До екс­перим. напрямку входять лабораторні дослідж. на штуч. модел. середовищах і вимірюва­н­ня, що проводять без­посередньо в морі (з борту судна, стаціонар. платформ, заякорених буїв, під­вод. апаратів).

Практичне значе­н­ня О. о. ви­значається потребами мор. біо­логії в даних про рівні світл. ви­промінюва­н­ня на різних глибинах, необхідністю зна­н­ня оптич. характеристик і вмі­н­ня роз­раховувати параметри, що потрібні для оцінюва­н­ня під­вод. видимості (зокрема для ві­део­з­йомки), унікал. можливостями оптич. методів для дослідж. та моніторингу морів і О. Оптичні методи до­зволяють проводити дослідж. середовища без його зміни, вони практично без­інерційні, забезпечують високу просторову роз­дільну здатність, потенційно великий обсяг і різноманітність одержув. інформації. Оптичні зонди (про­зороміри, нефело- та флуориметри) широко використовують для дослідж. просторового роз­поділу суспензії, фітопланктону, забарвленої орган. речовини, ви­вче­н­ня гідродинам. процесів. Світл. ви­промінюва­н­ня (на від­міну від мікрохвильового і звукового) проходить через мор. поверх­ню із не­знач. втратами, що дає можливість проводити дослідж. під­поверхн. шару О. ди­станційно (з борту судна, літака). 1978 на орбіту запустили перший супутник. сканер кольору О., який за майже 8 р. дав величез. обсяг інформації про кількісні характеристики кольору різних О. і залежності кольору мор. води від біо­продуктивності вод й ін. чин­ників. Супутник. сканери кольору мають високу екон. ефективність і до­зволяють отримувати інформацію про динам. процеси в поверхн. шарі (зокрема про пошире­н­ня річк. стоків), оцінювати концентрацію хлорофілу і світл. режим у водній товщі, зміст суспензії і забарвленої органіки, якість води у прибереж. зоні тощо. Про­зорість води в гідрології та океанології — це спів­від­ноше­н­ня інтенсивності світла, що про­йшло через шар води, до інтенсивності світла, що входить у воду. Вона ви­значається вибірк. здатністю води по­глинати й роз­сіювати світл. промені та залежить від умов освітле­н­ня поверх­ні, зміни спектрал. складу й ослабле­н­ня світл. потоку, а також концентрації та характеру живої й неживої суспензії. При знач. про­зорості вода набуває інтенсив. синього кольору, який характерний для від­критого О. За наявності великої кількості зважених частинок, що сильно роз­сіюють світло, вода має синьо-зелений або зелений колір, характерний для прибереж. р-нів і деяких мілковод. морів (напр., Азовське море). У місцях впаді­н­ня великих річок, що несуть значну кількість зважених частинок, колір води має від­тінки жовтого й коричневого кольорів. Річк. стік, насичений гуміновими й фульвокислотами, може об­умовлювати темно-коричневий колір мор. води (зокрема характерний для Білого моря).

Про­зорість ви­значається якісно (шляхом порівня­н­ня досліджуваної проби води з дис­тильованою водою) і кількісно (в лаборатор. умовах за про­зорість беруть товщину шару води в граду­йов. скляній трубці або циліндрі Снел­лена, через який помітні стандарт. шрифт з вис. букв 3,5 мм (ви­значе­н­ня «по шрифту») або юстирувал. мітка (ви­значе­н­ня «по хресту»). Якщо шрифт не про­глядається, висоту стовпа води в циліндрі зменшують, випускаючи воду через нижню трубку із затискачем, поки шрифт не стане видимим. Між про­зорістю «по хресту», «по шрифту» і змістом зважених речовин існує певний взаємозвʼязок, що до­зволяє при­близно ви­значати концентрацію суспензії у воді. Класич. польовий метод ви­значе­н­ня про­зорості у глибоких водо­ймах — по глибині зникне­н­ня з поля зору плоского диска білого або чорно-білого кольору діаметром 20–40 см (диск Секкі). Для точнішого ви­значе­н­ня записують 2 показники: глибину зникне­н­ня та глибину появи диска знову при під­нят­ті троса. Середню величину цих значень прий­мають за від­носну про­зорість води в певному р-ні. Диск Секкі для вимірюва­н­ня про­зорості води був уперше за­стосований капітаном А. Чіальді (командувач Папського флоту) 20 квітня 1865. Однак перші регулярні вимірюва­н­ня про­зорості мор. води були зроблені в Тихому О. під час рос. навколосвіт. екс­педиції на бригу «Рюрик» (1815–18) під командува­н­ням лейтенанта О. Коцебу. Нині широко за­стосовують також електрон­ні прилади для вимірюва­н­ня про­зорості води (транс­місометри). Макс. величина про­зорості океан. вод (80 м) встановлена в морі Вед­дел­ла біля берегів Антарктиди восени 1986 нім. вченими на екс­педиц. н.-д. криголамі «Polar­stern». Найбільші величини про­зорості спо­стерігаються в Сарґас­совому морі (Атлантич. О.) — 66 м, Тихому О. — 62 м, сх. частині Серед­зем. моря — 53 м, Індій. О. — 40–50 м.

Освітленість мор. глибин характеризується величиною світл. потоку на одиницю площі на певній глибині у водній товщі. Вона залежить від освітленості поверх­ні (ви­значається висотою Сонця над горизонтом і про­зорістю атмо­сфери), характеру цієї поверх­ні (льодовий покрив, хвилі), а також О. в. м. в. Сонячне ви­промінюва­н­ня при зі­ткнен­ні з водою і на­ступ. пошире­н­ням послаблю­ється за рахунок по­глина­н­ня й роз­сіюва­н­ня, що залежать від довжини світл. хвилі. Найбільше по­глинаються червоні промені соняч. спектра, а роз­сіюються — фіолетові. У мор. воду найкраще проникають синьо-зелені промені з l = 0,48–0,50 мк. Із збільше­н­ням глибини цей максимум зміщується до l = 0,45–0,46 мк, пере­важає синє світло. Найбільша освітленість поверх­ні моря (при Сонці в зеніті й чи­стій атмо­сфері) досягає 140 тис. лк. За В. Шулейкіним, про­зорість обернено пропорційна коефіцієнту роз­сіюва­н­ня k: H = 2/k, де Н — глибина зникне­н­ня білого диска. Це спів­від­ноше­н­ня дає можливість повʼязати умовну характеристику — від­носну про­зорість із фіз. характеристикою О. в. м. в. Про­зорість повин­на вимірюватися за чітко ви­значених умов, оскільки її величина залежить від висоти спо­стережень, періоду доби (висоти Сонця над горизонтом), хмарності та хвилюва­н­ня моря. Зі збільше­н­ням висоти спо­стережень (до 200–300 м) про­зорість збільшується, а тому спо­стереже­н­ня за про­зорістю можна порівнювати лише при фіксов. висоті спо­стережень (3–7 м). Хвилюва­н­ня моря ослаблює потік світла, що проникає в глибину моря, внаслідок чого про­зорість, як правило, зменшується. Те ж саме спо­стерігається за наявності потуж. хмар. покриву. Най­сприятливішими умовами для ви­значе­н­ня про­зорості є тонкі перисті хмари й високе сонце­стоя­н­ня.

Роз­різняють колір мор. води та колір моря. Колір мор. води зумовлений сукуп. дією по­глина­н­ня та роз­сіюва­н­ня світла у воді й не залежить від зовн. чин­ників. Осн. роль при цьому ві­ді­грає дифуз. (роз­сіяний) потік світл. енергії, що надходить з глибини моря. Потік світла, спричинений молекуляр. роз­сіюва­н­ням, створює синій колір. Це повʼязано з тим, що коефіцієнт молекуляр. роз­сіюва­н­ня (на від­міну від по­глина­н­ня) для променів синьо-фіолет. області спектра втричі більший, ніж для променів червоно-жовтої області спектра. Індивід. особливості кольору води кожного моря, так само як і величина його про­зорості, залежать в основному від процесу роз­сіюва­н­ня світла, тобто від кількості та роз­мірів завис­лих частинок орган. і неорган. походже­н­ня та від вмісту у воді роз­чинених газів. Ви­значають колір води за шкалою кольоровості, що являє собою набір пробірок із рідиною різного кольору (від темно-синього до коричневого), які порівнюють з кольором білого диска на глибині його зникне­н­ня. Колір моря, тобто забарвле­н­ня його поверх­ні, залежить від різних зовн. умов: кута зору, під яким спо­стерігач дивиться на мор. поверх­ню, кольору неба, наявності хмар, стану поверх­ні моря, роз­мірів та форми вітрових хвиль. Під час виникне­н­ня хвиль море починає швидко синіти, а при щільних хмарах колір моря здається більш темним. Оскільки колір і про­зорість зумовлюють одні й ті ж фактори, між ними існує певна залежність.

Заг. закономірністю для всіх О. і морів є деяке зменше­н­ня про­зорості ближче до берегів. Колір води при цьому також змінюється, вода зеленіє, а інколи набуває жовтуватих і навіть коричнюватих від­тінків. Пояснюється це тим, що прибережні води наповнюються стоком річок, води яких збагачені різними завислими частинками. До того ж, прибережні мілково­д­дя каламутяться під час штормів. У центр. частинах О. про­зорість, як правило, пере­вищує 20 м, а колір — від темно-синього до темно-блакитного; у помір. і поляр. зонах збагачених планктоном, — 15–20 м, а колір зеленувато-блакитний. У морях помір. поясу вода має зеленуватий колір, а в місцях впаді­н­ня великих річок — каламутно-жовтий і коричнювато-жовтий, про­зорість при цьому різко падає. Світі­н­ня моря — збільше­н­ня яскравості мор. поверх­ні, зумовлене світлом, що ви­промінюється мор. організмами. Роз­різняють 3 типи: роз­лите (суцільне рівномірне світі­н­ня поверх­ні моря, спричинене бактеріями), іскрове (точкове, викликане планктоном) та світі­н­ня великих організмів (риби, великі медузи та ін.). Організми, що світяться, мешкають у товщі вод від поверх­ні до дна. Деякі з них світяться за допомогою маслянистих крапельок, що містяться всередині клітини (ночесвітки), у інших — спец. залози виділяють речовину, що світиться (медузи, рачки), треті — мають особл. орган, що світиться (риби, головоногі молюски). Світі­н­ня моря становить практич. інтерес для різних галузей діяльності людини, зокрема може сигналізувати рибалкам про наявність косяків риби і, водночас, від­лякувати її, демаскуючи рибал. сіті, а також попередити мореплавців про під­водні небезпеки, убезпечити від зіт­кне­н­ня з суднами й плавними предметами. Цвіті­н­ня моря — не­звичайна зміна забарвле­н­ня його поверх­ні, зумовлена біол. чин­никами. Це явище спо­стерігається внаслідок знач. роз­витку рослин. або тварин. організмів, скупче­н­ня яких забарвлює поверх­ню води в певний колір. Так, ночесвітка, що світиться вночі, вдень забарвлює море в рожеві, буро-червоні, а інколи в жовті чи зелені тони. Внаслідок масового роз­витку діатомових водоростей побл. тихоокеан. берегів Пн. Америки вода набуває кольору крові. Синьо-зелені водорості забарвлюють мор. воду в зелений колір. У тропіках їх скупче­н­ня поширені на десятки і навіть сотні кілометрів. Вода при цьому має запах хлору, а вітрове хвилюва­н­ня майже від­сутнє. Зелене забарвле­н­ня води синьо-зеленими водоростями влітку часто трапляється в Азов. морі.

Літ.: Шулейкин В. В. Физика моря. 4-е изд. Москва, 1968.

В. В. Пономаренко, Ю. М. Диханов, Є. К. Полежаєв

Завантажити статтю