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 пов’язана 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 пов’язана 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 взаємозв’язок, 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 пов’язати 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 пов’язано 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.

Завантажити статтю