Юлен Очаковский - Свет в море

Французский гидрооптик А. А. Иванов большое внимание уделяет поляризации естественного света, видимости под водой и оптическим свойствам морских вод. Широкую известность приобрели работы Ж. Ленобль. Несомненно интересны изыскания А. Мореля, изучающего процессы рассеяния в море.

Наряду с измерениями непосредственно в море широко развиваются исследования на искусственных средах, моделирующих оптические свойства морских вод. Работы, проведенные В. А. Тимофеевой в Морском гидрофизическом институте АН УССР и А. П. Ивановым в Институте физики АН БССР, позволили исследовать в лабораторных условиях многие закономерности распространения света в океане.

Оптика моря — органическая часть большого комплекса наук, изучающих физические свойства вод Мирового океана. Ее успехи неразрывно связаны с развитием океанологии в целом.

Вряд ли кого удивит тот факт, что дневной свет, распространяясь в толще моря, ослабевает с глубиной. А вот почему это происходит? На этот вопрос, вероятно, ответит далеко не каждый.

Каким образом вода «борется» с лучом света, пытающимся проникнуть в ее толщу? В чем заключается физический смысл процесса ослабления света водой?

Чтобы детально разобраться в этом, надо познакомиться с двумя процессами, взаимное воздействие которых на свет и приводит к его ослаблению в воде. Одним из этих процессов является поглощение, а вторым — рассеяние.

Поглощаясь, световая энергия переходит в другие виды энергии, в частности в тепловую. Кажется, все ясно. Но стоит на мгновение задуматься — и сейчас же возникают вопросы: почему световая энергия поглощается морем, каков механизм этого процесса, каким образом свет превращается в тепло? И вот здесь-то мы и попадаем в дебри атомной физики. Чтобы ответить на возникшие вопросы, надо от понятия «свет» перейти к понятию «квант энергии», а от толщи моря — к молекуле воды.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк создал квантовую теорию излучения света. Эта теория получила свое дальнейшее развитие в работах А. Эйнштейна, который доказал, что излучение, распространение и поглощение света происходит в виде отдельных порций света — квантов, т. е. своеобразных частиц световой энергии, впоследствии получивших наименование «фотоны» (от греческого слова photos — свет). Чем же они характеризуются?

Фотону присущи многие свойства материальной частицы. Так, он обладает энергией, количеством движения (импульсом) и массой, которые можно определить следующим образом: энергия W = hv ; импульс p = hv/c ; масса m = hv/c 2 , где h — постоянная Планка (6,6∙10 -34дж∙сек); с — скорость света в вакууме (3∙10 8м∙сек -1); v — частота, с которой фотон был излучен, определяемая из соотношения v = c/λ сек -1, где λ — длина волны света.

Но все же фотон не материальная частица. Все дело в том, что его масса — это масса движения. Масса покоя фотона равна нулю. Другими словами, фотон существует, пока он движется.

Особенность квантовой теории света состоит еще и в том, что эта теория отнюдь не отрицает волновую природу света. Как мы видели, квант энергии количественно выражается через волновую характеристику — частоту световых колебаний

Мириады фотонов пронизывают верхнюю толщу моря со скоростью света (в воде эта скорость в 1,34 раза меньше, чем в воздухе) и несут с собой огромные запасы энергии, излучаемой Солнцем. Представить себе количество фотонов, находящихся в данный момент в океане, так же трудно, как оценить количество содержащихся в нем молекул, исходя из того, что в 1 м 3воды их 3,34∙10 25.

Но все же примерный подсчет показывает, что летом где-нибудь на Южном берегу Крыма в солнечный день 1 м 2поверхности моря пересекает в одну секунду около 2,7∙10 21фотонов. По одному количеству фотонов трудно судить об энергии, приносимой ими в море. Дело в том, что энергия фотонов различна и, как следует из приведенных выше формул определяется частотой, с которой фотоны были излучены, т. е. длиной волны света. Фотонам различной «окраски» соответствует разная энергия.

Пользуясь существующим соотношением, подсчитаем, какой же энергией обладает фотон фиолетового с длиной волны 380 нм [4] 1 нм = 10 -9 м = 10 А и фотон красного света, имеющий длину волны 770 нм:

джоулей = 3,3 эв;

джоулей = 1,6 эв.

Таким образом, фиолетовый свет вдвое энергичнее красного. В свою очередь это приводит к определенным различиям во взаимоотношениях фотонов с молекулами воды. Для того чтобы понять их характер и то, как лучистая энергия преобразуется в тепловую, надо обратиться к молекуле воды (рис. 2, а ).

Она состоит из двух положительно заряженных атомов водорода и одного отрицательно заряженного атома кислорода. Атомы располагаются по вершинам равнобедренного треугольника и удерживаются относительно друг друга «пружинами» энергетических связей. Подобная система обладает определенным запасом кинетической энергии и находится в непрерывном движении: атомы на своих «пружинах» совершают упругие колебания с определенным размахом, а молекула в целом может перемещаться и вращаться относительно любой из осей х, у или z .

В воде отдельные молекулы Н 2O стараются сгруппироваться в ассоциации в виде своеобразных тетраэдров (рис. 2, б). В силу электрического характера межмолекулярных связей каждый отрицательно заряженный атом кислорода тянется к положительному атому водорода. Такой контакт молекул носит название водородной связи.

Попытаемся теперь проследить механизм преобразования лучистой энергии фотона в другие виды энергии, в частности в тепловую энергию движения молекул.

Как известно, тепловой энергией тела называют энергию неупорядоченного движения его молекул. Интенсивность этого движения определяется запасом кинетической энергии, которым обладают молекулы.

Далее представим себе, что в одну из молекул ударит квант световой энергии — фотон. Что может произойти? Молекула поглощает фотон, т. е. увеличивает свою энергию на величину, равную энергии поглощенного фотона, или, как говорят физики, происходит возбуждение молекулы. Хотя в возбужденном состоянии молекула находится очень недолго (порядка 10 -8—10 -9сек), но за это время она тем не менее может успеть пройти расстояние, отделяющее ее от соседней молекулы, находящейся в невозбужденном состоянии, и передать ей излишек своей энергии.