ГЛАВА 12. ОПТИЧЕСКИЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

Воды, Море, Карибский Бассейн, Синий, Бирюза
Изображение Michelle Maria с сайта Pixabay

§ 44. Прозрачность

Солнечные лучи, падая на поверхность моря, частью отражаются от нее, частью же, преломляясь, проникают вглубь. Количество отраженной энергии зависит от высоты солнца, т.е. угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность моря. Когда солнце находится в зените (угол. Падения лучей 0°) и солнечные лучи падают отвесно на водную поверхность, в воду проникает около 98%, а отражается около 2% всей радиации. Если солнце находится на горизонте и лучи образуют почти прямой угол с нормалью к водной поверхности, они почти полностью отражаются от нее. При высоте солнца до 70° доля отраженной радиации не превышает 2,1%.

Морская вода — полупрозрачная среда, поэтому световой поток, проникая в воду, подвергается ослаблению за счет избирательного поглощения и рассеяния. Ослабление света происходит различно в коротковолновой и длинноволновой областях солнечного спектра. Длинноволновая радиация — инфракрасные, красные и оранжевые лучи — интенсивно поглощается тонким поверхностным слоем, а синие, фиолетовые и ультрафиолетовые лучи, эффективно рассеиваясь, проникают на значительную глубину. Так, интенсивность инфракрасных лучей, проходящих через метровый слой воды, ослабевает в 2,7 раза, в то время как синие лучи при прохождении той же толщи воды теряют всего лишь 1/5 своей энергии.

Поглощение света определяется известным отношением световой энергии Iz, дошедшей до глубины z, к энергии I0, падающей на поверхность моря:

Iz=I0еm(λ)z,                                                              (26)

где m(λ) — коэффициент поглощения, зависящий от длины световой волны λ. Экспериментально получены его значения, которые приводятся в [3].

Рассеивание светового потока

Максимальная величина m = 0,402 соответствует красной области спектра (длина волны 0,67—0,68 мкм). Слабее поглощаются зеленые лучи длиной 0,52—0,56 мкм и синие (0,440 мкм), коэффициент поглощения у которых имеет минимальное значение т = = 0,021. Процесс поглощения сочетается с процессом избирательного рассеяния, которое. происходит в форме молекулярного рассеяния (рассеяние молекулами и частицами, размеры которых меньше . длины световой волны) и рассеяния крупными частицами, находящимися во взвешенном состоянии в морской воде. Ослабление светового потока за счет рассеяния имеет аналогичное выражение:

Iz=I0ekz                                                              (27)

где k =0.000156/λ4 коэффициент молекулярного рассеяния, обратно пропорциональный длине световой волны в четвертой степени. Коэффициент k для сине-фиолетовых лучей оказывается в 3 раза больше, чем для красных. Молекулярное рассеяние в пределах всего Мирового океана протекает одинаково, так же как и поглощение. Рассеяние же взвешенными частицами увеличивается с размерами частиц и может превосходить молекулярное рассеяние в 100—200 раз.

Ослабления света

Прозрачность и цвет моря зависят от условий освещения на поверхности моря, изменения спектрального состава и ослабления светового потока.

Ослабление света за счет поглощения и рассеяния определяется выражением

Iz=I0e-(k+m)z  (28)

где (k + m) = аc — суммарный коэффициент ослабления света.

Зависимость ослабления света от длины волны, наличия примесей, их вида и размеров оказывает существенное влияние на прозрачность и цвет моря. Поэтому прозрачность морской воды неодинакова в различных частях Мирового океана и меняется со временем. Вблизи берегов и на мелководье, в особенности после штормов и бурь, под влиянием волнового перемешивания в воде увеличивается количество взвешенных частиц и она становится менее прозрачной. Точно так же снижается прозрачность морской воды во время бурного развития планктона. Прозрачность морской воды определяется отношением потока излучения, прошедшего через слой воды Z, к потоку, вошедшему в воду в виде параллельного пучка. Это отношение учитывается коэффициентом пропускания, который имеет выражение

F=I/I0=eacz                                                                 (29)

где aс суммарный коэффициент ослабления светового потока.

Относительная прозрачность

При массовых наблюдениях используется понятие относительной прозрачности. Под относительной прозрачностью понимают глубину, на которой становится невидимым стандартный белый диск диаметром 30 см. В. В. Шулейкиным была установлена связь между глубиной исчезновения белого диска Н и коэффициентом рассеяния k. Аналогичное соотношение было получено и для общего коэффициента ослабления света ac = (k + m). Для разных морей эта связь получена различной. Например, для Белого моря H=3/ac, для Ла-Манша H=1.7/ac для Каспийского, Черного и других внутренних морей Н=8/ac

Наиболее прозрачное море, прозрачность морей

Наибольшая прозрачность наблюдалась в Саргассовом море — 66,5 м, в Тихом океане прозрачность достигает 59 м, в Индийском 40—50 м. В общем, в открытой части Мирового океана прозрачность уменьшается от экватора к полюсам, но и в полярных районах она может быть значительной. Так, например, у Мурманского  побережья ранней весной наблюдалась прозрачность, равная 40— 45 м. В Средиземном море прозрачность достигает 60. м, в Черном 25 м, в Балтийском (в южной части) 13 м и в Белом море всего лишь 8 м.

По мере приближения к берегам прозрачность уменьшается в связи с увеличением количества взвесей, вносимых реками, и взмучиванием грунта волнением.

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973