Юлен Очаковский - Свет в море

Построить эту кривую можно следующим образом. В данной точке поверхности моря измеряют яркость выходящего излучения в различных направлениях, т. е. под разными углами к вертикали. Угол наблюдения θ отсчитывается от вертикальной оси, направленной вниз. Угол 180° соответствует наблюдению строго вертикально — в надир, углы 90° и 270° — лучам, скользящим по поверхности моря. Полученные значения яркости ρ(θ) делят обычно на значение яркости под углом 180°—ρ(180°), т. е. ордината угла 180° равна единице.

Три индикатрисы для синего (λ = 465 нм), зеленого (λ = 517 нм) и желтого (λ = 591 нм) цветов, измеренные советскими гидрооптиками в тропических водах Тихого океана, изображены на рис. 45. Как видно, форма кривой зависит от длины волны света. У всех трех индикатрис по мере отклонения от вертикали яркость увеличивается, но у желтого цвета она возрастает сильнее, чем у синего. Это означает, что если наблюдать под большим углом к вертикали, то синий цвет становится менее интенсивным, он все сильнее разбавляется зеленым и желтым — густота окраски (или, как принято говорить, ее насыщенность) уменьшается.

Рис. 45.Индикатрисы яркости выходящего из моря светового потока в тропических водах Тихого океана (1 — λ = 465 нм; 2 — λ = 517 нм; 3 — λ = 591 нм)

При увеличении угла наблюдения увеличивается и количество отраженного от поверхности моря света (известно, что коэффициент отражения меняется в зависимости от угла: для угла 180° он минимален, для углов 90 и 270° равен единице). Окраска отраженного потока белая. Складываясь с выходящим из толщи моря световым потоком, отраженный свет еще более уменьшает насыщенность цвета моря при наблюдении под большими углами — вдали поверхность моря кажется белесой.

«…Чем меньше угол зрения [24] Под углом зрения Н. Н. Зубов подразумевает угол между направлением наблюдения и поверхностью моря. , тем большее значение приобретает в окраске моря рассеянный свет неба, — писал Н. Н. Зубов. — Поэтому в штилевую погоду чем ближе к горизонту, тем бледнее окраска моря. Но с увеличением угла зрения, т. е. вблизи наблюдателя, в окраске моря начинает преобладать собственный рассеянный свет, и окраска моря становится более интенсивной.

При волнении луч зрения встречает поверхность моря под значительными углами даже на значительном расстоянии от наблюдателя, и поэтому взволнованное море всегда представляется более окрашенным. Понятно, что чем круче волна, тем интенсивнее окраска…

…В полный штиль, в особенности если солнце закрыто облаками, море кажется белесоватым и горизонт недостаточно ярко очерченным. Отдельные моря при штиле в отношении окраски как бы теряют свою индивидуальность. Но стоит задуть небольшому ветерку и появиться небольшой ряби, как картина совершенно меняется. Окраска моря становится интенсивной, и горизонт очерчивается, ярко» [25] Н. Н. Зубов. Морские воды и льды… .

Прежде чем перейти к физическим причинам, обусловливающим «собственный» цвет моря, подведем некоторые итоги.

Свет, попадающий в глаз наблюдателя, созерцающего морскую поверхность, складывается из двух световых потоков: во-первых, это свет солнца, неба и облаков, зеркально отраженный поверхностью моря; во-вторых, это свет, вышедший из морских глубин.

Доля отраженного света в общем потоке зависит главным образом от коэффициента отражения поверхности и меняется в зависимости от степени взволнованности моря и от угла наблюдения.

«Собственный» цвет моря определяется спектральным составом светового потока, выходящего из толщи моря. Он зависит от того, каким светом освещается поверхность, и от оптических свойств морской воды. Различием этих свойств в разных водах и объясняется многообразие в цвете морей.

В 1903 г., исследуя воды баварских озер, немецкий исследователь Ауфзесс пришел к выводу, что все оттенки их цвета объясняются красящими веществами, примешанными к воде; все дело лишь в избирательном поглощении.

Но ведь мы знаем, что без рассеяния ни один луч света вообще бы не вышел из-под поверхности моря. Тогда Черное море вполне бы оправдало свое название, да и поверхность других морей и океанов (не учитывая отраженный свет) представлялась бы абсолютно черной.

Так значит главное — рассеяние? Подобное мнение высказывали некоторые ученые во главе с Рэлеем, однако и эта точка зрения была ошибочной.

Если бы не было поглощения, практически весь свет, попавший в море, выходил бы в конце концов из-под его поверхности и, следовательно, окраска выходящего светового потока совпадала бы с окраской падающего света. Ни о каком «собственном» цвете моря не было бы и речи.

А истина находилась между этими двумя мнениями. В 1922 г. Ч. Раман и В. В. Шулейкин одновременно и независимо один от другого пришли к выводу, что цвет моря обусловлен совместным действием рассеяния и поглощения.

Солнечный свет, распространяющийся в глубь моря, по пути рассеивается морской водой. Большая его часть по-прежнему движется в глубь моря, а небольшая доля рассеяна назад и образует восходящий световой поток.

Раман, изучавший прозрачные воды Бенгальского залива, учитывал рассеяние лишь самой воды, а рассеянием взвешенными в морской воде частицами пренебрегал. Выведенная им формула применима лишь к чистым океанским водам.

Теория Шулейкина, включающая формулу Рамана как частный случай, более общая. Она учитывает световые потоки, пришедшие к поверхности моря с различных горизонтов, а также вторично рассеянный свет (т. е. ту часть восходящего светового потока, которая, двигаясь к поверхности, была сначала отброшена назад в глубь моря, а потом в результате вторичного рассеяния снова стала двигаться к поверхности) и свет всех больших кратностей рассеяния. При выводе формулы предполагалось, что море освещается потоком параллельных лучей, отвесно падающих на его поверхность.

В 1923 г. А. Г. Гамбурцев дал более строгий и более общий вывод формулы цвета моря. Он составил систему двух дифференциальных уравнений для нисходящего и восходящего световых потоков, решение которой позволяет найти спектральное распределение этих потоков на любой глубине, в том числе и на поверхности. Подставляя в формулы Гамбурцева соответствующие значения оптических характеристик морской воды (показателей поглощения и рассеяния, индикатрисы рассеяния), можно получить спектральную кривую распределения выходящего из моря излучения для любой точки Мирового океана.

Формулы Гамбурцева достаточно сложны, и мы не будем их приводить. Рассмотрим лишь качественную картину явлений, обуславливающих различия в цвете морей и океанов.