Измерение цвета моря
«…Замечать надлежит, в какой мере странный или переменный цвет моря происходит от перемены глубины, от цвета морского дна или неба и облаков, от света солнечного или же от находящихся на поверхности воды инородных веществ…»[26] — так записано в инструкции, составленной О. Е. Коцебу во время его кругосветного плавания. Однако если для прозрачности воды Коцебу придумал количественную характеристику — глубину исчезновения белого диска, погружаемого в море, то цвет моря он определял лишь качественно — по цвету волн.
Только в 90-х годах прошлого века швейцарский географ Форель предложил первый примитивный прибор для наблюдения за цветом водоемов. Изучая цвет воды горных озер в швейцарских Альпах, Форель использовал набор пробирок, заполненных смесью растворов: синего и желтого, взятых в различных соотношениях.
Его метод необычайно прост: наблюдатель на глаз устанавливает, цвет какого раствора в пробирке совпадает с видимым цветом водоема. Каждая пробирка имеет свой номер. Номер выбранной наблюдателем пробирки записывается в журнал наблюдений в качестве количественной характеристики цвета. Форель использовал 13 пробирок, в которых синий и желтый раствор находились в следующих соотношениях:
| № | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | XII |
| Синий | 100 | 98 | 95 | 91 | 86 | 80 | 73 | 65 | 56 | 46 | 35 | 23 | 10 |
| Желтый | 0 | 2 | 5 | 9 | 14 | 20 | 27 | 35 | 44 | 54 | 55 | 77 | 90 |
В качестве синего раствора он брал смесь медного купороса и аммиака, в качестве желтого — полпроцентный раствор хромпика.
Немецкий океанограф Уле приспособил шкалу Фореля специально для измерений цвета моря. Он изъял пробирки XII и XIII, так как эти цвета не встречались в морях, добавив 10 новых оттенков. Уле ввел третий вид раствора — коричневый, изготовив его путем добавления аммиака к сернокислому кобальту в присутствии воздуха. Соотношения растворов в пробирках Уле выглядят следующим образом:
| № | XII | XIII | XIV | XV | XVI | XVII | XVIII | XIX | XX | XXI |
| Синий | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 |
| Желтый | 60 | 55 | 50 | 45 | 40 | 35 | 30 | 25 | 20 | 15 |
| Коричневый | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 |
Помещенная в деревянную рамку-оправу, предложенную Ю. М. Шокальским (рис. 48), шкала Фореля — Уле стала одним из стандартных океанографических приборов, хотя единой методики ее применения не было. Одни рассматривали эту шкалу на просвет или на фоне белой или черной бумаги, другие наблюдали ее на фоне моря или на фоне опущенного в воду белого диска.
Рис. 48. Шкала цветности
Ясно, что шкала Фореля — Уле могла дать лишь чисто качественную, очень субъективную оценку цвета моря. Главное и, пожалуй, единственное достоинство этого прибора — простота и доступность. А недостатков у него не счесть. Прежде всего с его помощью измеряют не «собственный» цвет моря, который именно и должен интересовать океанологов, а суммарный цвет отраженного поверхностью и выходящего из толщи световых потоков. Во-вторых, нарушаются основные требования колориметрической техники (т. е. техники цветовых измерений). Не предусмотрено постоянство фона, на который смотрят через прозрачные растворы шкалы. Отсутствует редкая граница между сравниваемыми полями (морем и раствором). Известно, что наблюдатель только тогда хорошо улавливает различия в цвете, когда сравниваемые поля имеют примерно одинаковую яркость, а у шкалы Фореля — Уле возможность уравнивать сравниваемые поля по яркости полностью отсутствует. Наконец, такой чисто технический, но весьма существенный недостаток — это непостоянство растворов (изменение их цвета, выцветание).
Тем не менее шкала Фореля — Уле получила самое широкое распространение в океанографии. Многочисленные измерения с ее помощью позволили установить, например, что цвету вод Средиземного моря соответствует цвет пробирки I, водам открытых районов всех океанов — I–II, Каспийскому морю — VII–IX, местам впадения рек в Балтийское море — XII.
Конечно, физики моря не могли примириться с недостатками шкалы Фореля — Уле, ведь ясно, что для установления физических закономерностей прибор совершенно не подходит. Усилия были направлены на создание более совершенного измерителя цвета. И такой прибор в 1939 г. создал А. А. Гершун. Названный гидрофотометром прибор позволяет измерять спектральные коэффициенты яркости моря ρ, т. е. спектральные отношения яркости выходящего из моря потока излучения к яркости падающего.
Рис. 49. Гидрофотометр ФМ-46
1 — фотометрическая головка прибора; 2 — труба; 3 — молочное стекло; 4 — фотометрическая призма; 5 — пластинка молочного стекла; 6 — зеркало; 7 — поворотная рукоятка зеркала; 8 — азимутальный штурвал; 9 — светофильтры
Позднее конструкция прибора получила дальнейшее развитие. Сейчас используется разработанный К. В. Маллером прибор подобного типа — гидрофотометр ФМ-46, имеющий ряд значительных преимуществ по сравнению с прибором Гершуна.
Конструкция прибора ФМ-46 представлена на рис. 49, а его внешний вид — на рис. 50. Помимо технических усовершенствований (возможность проведения измерений с высокобортных судов, пригодность для работы в тропиках) прибор обладает весьма ценным качеством — он позволяет измерять яркость излучения, выходящего из толщи моря не только строго по вертикали (в надир), но и под различными углами к ней и в различных азимутах по отношению к Солнцу.
Рис. 50. Так измеряют цвет моря
Прибор ФМ-46 представляет собой визуальный фотометр, в котором сравниваются яркости двух фотометрических полей. Одно из них создается светом, выходящим из толщи моря (по данному выбранному направлению), а другое — естественным светом Солнца и небосвода, освещающим пластинку молочного стекла 5 на фотометрической головке прибора 1. Фотометрическая головка прибора снабжена трубой 2, нижний конец которой на 10–15 см погружен под воду. Для наблюдения толщи моря в заданном направлении на нижнем конце трубы укреплено визирное зеркало 6, которое можно наклонять рукояткой 7 (меняя угол с вертикалью) и поворачивать штурвалом 8 (меняя азимут). Шесть цветных светофильтров 9, установленных в приборе, позволяют измерять спектральный состав выходящего из толщи моря излучения. Яркости фотометрических полей уравниваются путем перемещения молочного стекла 3, находящегося между фотометрической призмой 4 и приемным стеклом 5. Сама труба состоит из трех секций, ее общая длина (в зависимости от высоты борта судна) может быть либо 3,5, либо 6 м. В комплект прибора входит также специальное приспособление для крепления его к борту судна. Наблюдения проводятся с борта судна, освещенного Солнцем. Для измерений требуется почти штилевая погода, и при волнении выше двух баллов наблюдения должны прекращаться. Измеряя коэффициенты яркости моря, необходимо следить за облачностью и фиксировать высоту Солнца.
Гидрофотометр ФМ-46 позволяет количественно оценить распределение энергии в спектре выходящего из толщи моря излучения, а ведь именно от этого спектрального распределения и зависит, как мы видели, «собственный» цвет моря. Кривые на рис. 45 и 47 получены с помощью гидрофотометра ФМ-46. Его преимущества перед шкалой Фореля — Уле очевидны: там — субъективная оценка, здесь — физическое измерение; там одна-единственная цифра — номер пробирки, здесь — две функциональные зависимости коэффициента яркости ρ: от длины волны — ρ(λ) и угла наблюдения ρ(ϴ1φ). Совокупность этих зависимостей содержит в себе всю информацию о собственном цвете моря, причем не только при наблюдении вертикально вниз, но и по другим направлениям.
Некоторые исследователи для оценки цвета моря используют Международную колориметрическую систему, но этот метод пока еще не получил широкого распространения в гидрооптике.
Почему в воде видно хуже, чем в воздухе
Способность глаза видеть в воде
Известный американский гидрооптик С. Дантли в одной из своих работ писал: «Нигде в природе принцип защитной окраски и маскировки не проявляется лучше, чем на местах кормления в море, где жизнь как хищников, так и их жертв одинаково зависит от способности видеть. Когда человек проникает в подводный мир и всматривается через стекло в подводное окружение, его успех и его безопасность зависят в большей степени от его зрительной способности»[27].
А если человек будет всматриваться в «подводное окружение» не через стекло, увидит ли он в воде что-нибудь? Нет, он сможет только отличить темное от светлого и различать неясные, расплывчатые контуры предметов. Человеческий глаз, способный видеть звезды, находящиеся от нас на расстоянии сотен световых лет, оказывается практически беспомощным в воде. Это объясняется условиями распространения света в водной среде и физиологией человеческого глаза.
Тематика нашей книги весьма далека от проблем физиологической оптики, но для того чтобы разобраться в сложнейших физических и физиологических процессах видения под водой, придется, хотя бы кратко, остановиться на некоторых свойствах зрительных органов как человека, так и обитателей моря — рыб.