Юлен Очаковский - Свет в море

Солнечные лучи, вошедшие в воду, при переходе через поверхность моря преломляются, т. е. изменяют свое направление. Еще древние греки ломали голову, пытаясь найти связь между углами падения и преломления. Сохранилась таблица точных измерений углов падения и преломления света в воде, проведенных еще в 140 г. до н. э. знаменитым греческим астрономом Клавдием Птолемеем. Однако закон, связывающий угол преломления луча с его углом падения, удалось сформулировать голландскому математику Виллеброрду Снеллиусу лишь в 1621 г.: «Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная».

Математически его можно записать в виде формулы: sin α / sin γ = n; α здесь угол падения лучей, γ — угол преломления (см. рис. 27). Постоянная для данных двух сред величина п носит название показателя преломления.

Угол преломления лучей можно непосредственно выразить через их угол падения: sin γ = 1 / n ∙ sin α. Так как показатель преломления морской воды относительно воздуха равен приблизительно 1,34, то в рассматриваемом нами случае: sin γ ≈ 0,746 sin α.

Наибольший возможный угол падения лучей 90° (это означает, что лучи скользят по самой поверхности). Синус 90° равен единице, синус угла преломления — 0,746, что соответствует углу примерно 48°. Таким образом, как бы велик ни был угол падения лучей на гладкую поверхность моря, угол преломления не может превысить 48°. Это означает, что любой луч, проникающий в воду, отклонен от вертикали не более чем на 48°. В воде нет прямых солнечных лучей других направлений.

Наоборот: из воды в воздух могут выйти только лучи, распространяющиеся в воде под углом не более чем 48° от вертикали, а все другие будут полностью отражаться от поверхности моря обратно в воду (это явление называется полным внутренним отражением).

Попробуем в тихий солнечный день лечь под водой на спину и посмотреть вверх. Мы увидим над головой большой светлый круг, образованный светом, прошедшим через поверхность моря. Что касается лучей, падающих сбоку, то все они испытали полное внутреннее отражение от поверхности воды, и вне пределов светлого круга мы будем видеть лишь отраженное изображение слабо освещенного дна (рис. 29).

Рис. 27.Прохождение света через поверхность моря

Рис. 28.Зависимость коэффициента отражения от угла падения лучей

Рис. 29.Что мы видим из-под воды

Волнение значительно усложняет описанную выше картину. Когда на море волны, лучи Солнца встречают искривленную морскую поверхность в разных точках под разными углами. Соответственно различен и коэффициент отражения света поверхностью моря в разных точках, зависящий (см. рис. 28) от угла падения лучей.

Если Солнце находится высоко над горизонтом, средний угол падения лучей на волнующуюся поверхность моря больше, чем при штилевой погоде. Увеличивается общее количество света, отраженного морской поверхностью, и соответственно уменьшается количество света, вошедшего в воду. При высотах Солнца от 55 до 90° коэффициент пропускания света поверхностью моря уменьшается от 97–98 % в штилевую погоду до 94 % при волнении больше одного балла. Наоборот, при низком Солнце становится заметным затенение гребнями волн горизонтальных участков поверхности. Отражение света происходит от крутых участков поверхности гребней, для которых угол падения, солнечных лучей мал. В результате этого значительно увеличивается коэффициент пропускания света поверхностью моря: при высоте Солнца 10° этот коэффициент возрастает от 72 % для штилевой погоды до 83 % при наличии волн.

При высотах Солнца, близких к 25°, влияние волнения практически не сказывается: пропускание света и для штилевой и для ветреной погоды составляет приблизительно 90 %.

Исследователи, измерявшие с помощью подводного фотометра освещенность под самой поверхностью моря, столкнулись с одним загадочным явлением: в ветреные дни освещенность на 15–30 % меньше значения, которое получается из измерений отраженного светового потока. В мертвый штиль этого явления не наблюдается. Куда же исчезает солнечная энергия?

Было выдвинуто несколько гипотез. Одна из них предполагала существование непосредственно под поверхностью моря относительно непрозрачного слоя воды толщиной от нескольких сантиметров до 1–2 м. Сильно взмученный и наполненный воздушными пузырьками слой считался виновником необъяснимой потери световой энергии. Эта гипотеза вызвала большие сомнения и была отвергнута более поздними исследованиями.

Объяснение таинственному «эффекту поверхностной потери» дал А. А. Гершун.

На рис. 30 видно, как волнение перераспределяет освещенность на горизонтальной поверхности. Мелкие волны ряби действуют на падающие лучи света как собирательные и рассеивающие цилиндрические линзы. Они фокусируют солнечные лучи в небольших объемах, создавая в других областях заметные разрежения света. По теоретическим расчетам, сфокусированные волнами световые лучи могут создавать на глубинах до 6–9 м освещенность, в 8 раз превышающую среднее для данного горизонта значение. Но так как области сгущения света занимают объем гораздо меньший, чем области пониженной освещенности, подводный фотометр будет показывать значение освещенности ниже средней. Поверхность моря динамична, и время от времени стрелка измерительного прибора резко отклоняется в сторону больших значений освещенности — это через место расположения фотоэлемента под водой проходит фокус «волновых линз».

Рис. 30.Объяснение «эффекта поверхностной потери»

Есть предположения, что прерывистость и неравномерность подводного освещения в поверхностных слоях моря влияют на процесс фотосинтеза и первичную продукцию.

Дальнейшую судьбу света, попавшего в воду, определяют два физических процесса: поглощение и рассеяние. В морской воде рассеяние, как правило, значительно интенсивнее поглощения, и вследствие этого свет в море рассеивается многократно. Каждый фотон успевает несколько раз изменить направление своего движения, прежде чем будет поглощен средой.

С увеличением глубины количество прямого солнечного света уменьшается по сравнению с рассеянным, который становится преобладающим. Кроме того, в море всегда попадает свет, рассеянный атмосферой. Распространяясь вглубь, он также подвергается поглощению и рассеянию.