Обычно угловое распределение интенсивности излучения измеряют лишь в двух перпендикулярных плоскостях. Внешний вид прибора для подобных измерений показан на рис. 42. Его использовал японский гидрооптик профессор Т. Сасаки.
На рисунке видны два приемника излучения, один из которых вращается в вертикальной 1, а другой — в горизонтальной 2 плоскостях. Особенность измерителя состоит в том, что его приемниками служат ФЭУ, снабженные специальной оптической системой, позволяющей ограничить угол зрения приемника всего лишь 4°. Зафиксировав излучение в нескольких точках в вертикальной и горизонтальной плоскостях на разных глубинах, можно построить диаграммы углового распределения света.
Эти измерения, исключительно трудоемкие, требуют сложной аппаратуры и потому до сего времени носят экспериментальный характер.
В Советском Союзе их проводили М. Н. Кайгородов, Г. Г. Неуймин и А. К. Карелин.
Почему разные моря имеют разный цвет
Чем определяется цвет моря
«Летая вокруг земного шара, — рассказывает советский космонавт Герман Титов, — я воочию убедился, что на поверхности нашей планеты воды больше, чем суши. Великолепное зрелище являли собой длинные полосы волн Тихого и Атлантического океанов, бегущих к далеким берегам…
Океаны и моря, так же как и материки, отличаются друг от друга своим цветом. Богатая палитра, как у русского живописца-мариниста Ивана Айвазовского, — от темно-синего индиго Индийского океана до салатной зелени Карибского моря и Мексиканского залива»[23].
Цвет моря с давних времен привлекал внимание людей. Поэты воспевали изменчивость окраски морской поверхности, а ученые искали причины, ее объясняющие. В наше время прозрачность и цвет моря перестали быть лишь объектами поэтических восторгов и любознательности ученых. В XX в. эти факторы приобрели важное военное значение. Об этом еще в 1939 г. писал английский журнал «United Services Review»: «Все главные державы в отношении подводного флота применяют окраску, имеющую целью укрыться от воздушных сил противника или, по крайней мере, затруднить их деятельность. Наши собственные подводные лодки окрашиваются в различные цвета в зависимости от морей, в которых они оперируют. Нами применяются серо-зеленые цвета для Атлантического океана, синие — для Средиземного моря, черные — для Красного моря и некоторых других вод. Французские подлодки в своих водах — либо светлосерые, либо сине-зеленые, в то время как голландские подлодки для своих вод — темно-зеленые, с черным — для тех, которые базируются в Ост-Индии. Подводные лодки в Японии окрашиваются почти все в черные цвета».
О факторах, определяющих видимость подводных объектов, мы будем подробно говорить в следующей главе, а сейчас попробуем разобраться, чем же объясняется видимый цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет.
Как будто в этом нет ничего удивительного, ведь известно, что воды морей и океанов различаются своими оптическими свойствами. Действительно, заполняя исследуемой водой трубку метровой длины с прозрачными торцами, даже визуально на просвет можно отличить, например, воду Индийского океана, имеющую голубоватую окраску, от воды Северного моря, окраска которой представляется зеленой. Темно-коричневую окраску болотной воды невозможно спутать с желто-зеленым цветом балтийской.
Но каждый, кто хотя бы раз побывал на море, не мог не заметить, что его воды даже в течение дня неоднократно изменяют свой цвет. Подул легкий ветерок, появилась рябь на морской поверхности — и сразу же изменилась ее окраска, сделавшись гораздо более интенсивной по цвету; покрылось небо свинцово-серыми тучами — и само море стало серым и угрюмым.
Даже в один и тот же момент в одном и том же месте окраска моря кажется неодинаковой, если смотреть вниз прямо перед собой (например, с борта шлюпки) или перевести взгляд дальше, к линии горизонта.
Что же представляет собой свет, попадающий в глаз человека, созерцающего морскую поверхность? От чего зависит его спектральный состав?
Легко сообразить, что в этот световой поток прежде всего входит свет, отраженный поверхностью моря. Именно он определяет непостоянство окраски морской поверхности и ее изменчивость в зависимости от погоды.
Коэффициент отражения морской поверхности практически не зависит от длины волны падающего света. Спектральный состав отраженного излучения не отличается от спектрального состава падающего: в ясную, безоблачную погоду поверхность моря отражает синеву небосвода; а когда небо покрыто тучами, в море, как в зеркале, отражается их свинцово-серая, хмурая окраска.
Является ли, однако, этот свет единственным фактором, определяющим цвет моря? Очевидно, нет. Ведь если бы это было так, то все моря имели бы одинаковую окраску и мы бы не могли говорить о «лазурных водах» Средиземноморья или о водах Желтого моря, цвет которых полностью оправдывает его название. Учеными установлено, что каждое море имеет свой собственный цвет, хотя у многих морей и океанов эти цвета весьма схожи. «Собственный» цвет моря связан со световым потоком, выходящим из его толщи.
Уже говорилось о том, что благодаря процессам многократного рассеяния свет под водой распространяется по всевозможным направлениям, в том числе и вверх — к поверхности моря. Если опустить под воду фотометр, у которого поверхность чувствительного элемента обращена вниз, то с его помощью мы сможем определить величину этого восходящего светового потока.
Такие измерения постоянно ведутся при оптических исследованиях в океане как советскими, так и зарубежными учеными. Было установлено, что восходящий световой поток в море уменьшается с глубиной по показательному закону: Фв(z) = Ф0∙10-αBz, т. е. так же, как и поток, распространяющийся в глубь моря. Показатель αВ, называемый показателем вертикального ослабления для восходящего светового потока, мало отличается по величине, от показателя для нисходящего потока, который мы раньше обозначали просто α. Хотя, строго говоря, эти показатели совпадают точно лишь для глубинного режима, практически они весьма близки по величине и на меньших глубинах. Поэтому кривые ослабления с глубиной как нисходящего, так и восходящего световых потоков на графике идут почти параллельно друг другу (рис. 43). Абсолютные значения этих потоков, однако, неодинаковы: на всех глубинах восходящий световой поток по величине почти на два порядка меньше, чем поток, распространяющийся в глубь моря.
Море возвращает лишь незначительную часть (всего несколько процентов) от излучения, идущего в его глубины. Оценить количественно долю возвращаемой энергии на данном горизонте можно с помощью коэффициента диффузного отражения ζ, который равен отношению величины восходящего светового потока на данной глубине ФВ к величине нисходящего Ф: ζ = ФВ / Ф.
Рис. 43. Ослабление с глубиной нисходящего I и восходящего II световых потоков в Тихом океане (% от падающего на поверхность)
Рис. 44. Спектральное распределение на разных глубинах света, идущего вверх к поверхности моря
Подобно всем другим гидрооптическим характеристикам этот коэффициент является спектральной величиной, т. е. его значения зависят от длины волны света. Объясняется это тем, что спектральные составы восходящего и нисходящего световых потоков на одной и той же глубине отличаются друг от друга. Сравним два рисунка: на одном (см. рис. 34) показаны спектральные распределения на различных глубинах света, распространяющегося вниз, на другом (рис. 44) представлены те же распределения для восходящего светового потока. Оба рисунка относятся к чистым океанским водам. Нетрудно заметить, что на всех глубинах спектральный состав восходящего светового потока гораздо беднее желтым и красным цветами, нежели нисходящий. О физических причинах этого явления мы будем говорить ниже, а сейчас обратим особое внимание на спектральное распределение излучения непосредственно под поверхностью — на горизонте 0 м. Оно отображает цвет выходящего из моря светового потока, ведь сама поверхность почти не влияет на спектральный состав проходящего через нее излучения.
Максимум этого спектрального распределения соответствует длинам волн порядка 450 нм, т. е. в выходящем из моря световом потоке преобладает синий цвет. Зеленой окраски примерно в 10 раз меньше, а уж о желтой и красной и говорить не приходится — эти цвета практически отсутствуют. В мутных водах спектральное распределение другое: его максимум сместится в зеленую, а в очень мутных — даже в желтую область спектра. По спектральным кривым, соответствующим различным морям, можно оценить не только качественные, но и количественные различия между их цветами, что немаловажно при выборе маскировочной окраски для подводных объектов.
До сих пор речь шла о спектре всего выходящего из моря светового потока. Однако, как мы уже говорили, цвет моря зависит также и от угла, под которым наблюдатель смотрит на его поверхность. Угловое распределение яркости в выходящем световом потоке характеризуют индикатрисой яркости.
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.