Тонкий, поверхностный слой Солнца, имеющий толщину всего около 100–200 км (называемый фотосферой), излучает в пространство энергию в весьма обширном диапазоне длин волн от 100 нм до 30 000 нм. К счастью для всего живущего на Земле, наша атмосфера вносит существенные поправки в этот спектр солнечного излучения. Так, слой озона, опоясывающий земной шар на высоте 40–50 км, поглощает всю ультрафиолетовую радиацию Солнца с длинами волн меньше 290 нм. В противном случае Земля была бы мертва, ибо ультрафиолетовое излучение более коротких длин волн губительно для живых организмов. Значительная часть инфракрасного излучения также поглощается атмосферой. Поэтому спектральный состав энергии; который мы можем измерить у поверхности моря, сильно отличается от излучаемого Солнцем. Так же как общая величина энергии, достигающей поверхности моря, ее спектр зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния прозрачности атмосферы. Распределение энергии в спектре Солнца при абсолютно чистой и не содержащей влаги атмосфере (т. е. в идеальных условиях) показано на рис. 25. С уменьшением высоты Солнца меняется спектральный состав его излучения. Максимум постепенно смещается в более длинноволновую часть спектра, интенсивность излучения становится все меньше и меньше.
Рис. 24. Зависимость облученности поверхности моря от географической широты и времени года (широта: 1—35°; 2—45°; 3—55°; 4—65°)
Рис. 25. Распределение энергии в спектре солнечного излучения при различных высотах Солнца и в условиях идеальной атмосферы
Для оптики моря особый интерес представляют те перемены, которые происходят с изменением высоты Солнца в видимой области спектра, т. е. в диапазоне длин волн от 400 до 760 нм. Как меняется в спектре доля видимого излучения? Это можно узнать из табл. 1, где в процентах к общему излучению приведены данные для ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра.
Таблица 1
| Излучение, нм | Высота Солнца над горизонтом, град. | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 10 | 20 | 30 | 50 | 90 | |
| Ультрафиолетовое (295–400) | 0,4 | 1,0 | 2,0 | 2,7 | 3,2 | 4,7 |
| Видимое (400–760) | 38,6 | 41,0 | 42,7 | 43,7 | 43,9 | 45,3 |
| Инфракрасное (>760) | 61,0 | 58,0 | 55,3 | 54,6 | 52,9 | 50,0 |
Внимательно присмотревшись к этой таблице, можно обнаружить одно примечательное явление. Начиная с высоты Солнца 20° соотношение видимого и инфракрасного излучения изменяется незначительно, тогда как доля ультрафиолетового излучения увеличивается больше чем в два раза.
Поверхность моря освещается не только прямыми лучами Солнца, но и светом, идущим от небосвода, т. е. лучами Солнца, рассеянными атмосферой. Эта рассеянная радиация обладает спектральным составом, отличающимся от спектра прямого излучения Солнца и весьма к тому же изменчивым в зависимости от характера и количества облаков, покрывающих небо. Чтобы наглядно представить себе, насколько разнообразен спектральный состав света, освещающего поверхность моря, обратимся к рис. 26, где показано, как резко отличны спектры прямого и рассеянного солнечного излучения. Для удобства сопоставления кривых излучение, имеющее длину волны 560 нм, принято условно за 100 единиц.
Рис. 26. Спектральный состав суммарной 1, рассеянной 2 и прямой 3 солнечной радиации
Вклад рассеянного света в общее излучение, которое падает на поверхность моря, непостоянен и зависит от высоты Солнца.
| Высота Солнца, град. | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
| Рассеянное излучение, % | 73,4 | 42,9 | 29,0 | 21,0 | 18,0 | 15,4 |
При низких положениях Солнца над горизонтом вклад весьма велик.
С каким же в конечном счете светом мы имеем дело, когда говорим об освещении поверхности моря? Однозначно на этот вопрос ответить невозможно. Слишком много факторов оказывает влияние как на абсолютную величину падающей энергии, так и на ее спектральный состав: высота Солнца, прозрачность атомосферы, характер облачности и др. Целесообразнее всего рассматривать суммарную радиацию, т. е. сочетание прямого и рассеянного излучения.
Распределение энергии в спектре суммарной радиации иллюстрируется кривой 3 (см. рис. 26). Естественно, что суммарная радиация подвержена тем же изменениям, которые свойственны и составляющим ее частям. О непостоянстве в характере света, освещающего поверхность моря, хорошо сказано в книге «Прозрачность и цвет моря»: «Так называемый дневной свет, являющийся отправной точкой для всевозможных гидрооптических расчетов, сам является малоопределенным понятием в силу изменчивости его интенсивности, спектрального состава и распределения яркости по небесной сфере»[16].
Если при этом учесть, что условия освещенности моря меняются не только в течение дня, но зависят и от географической широты места, и от времени года, то станет понятной вся сложность определения этой «отправной точки». Поэтому при проведении большинства гидрооптических исследований приходится одновременно с измерениями света в море вести непосредственные наблюдения за радиацией, падающей на его поверхность.
Распространение солнечного света в толще моря
…Ясный солнечный полдень. На море — штиль. Оно почти недвижимо, его поверхность как зеркало. Правда, качество этого зеркала неважное: ведь, когда Солнце находится в зените, поверхность моря отражает совсем мало света — всего лишь 2 % от падающего светового потока, а остальные 98 % проникают в воду. С уменьшением высоты Солнца, т. е. с увеличением угла падения лучей (рис. 27), доля отраженного света увеличивается, приближаясь к 100 %, когда Солнце склоняется к горизонту (рис. 28).
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?