В течение последних лет советские исследователи применяют стандартный прибор СГН-57. На рис. 22 представлена оптическая схема СГН-57, используемого в качестве прозрачномера. Узкий пучок света от лампы 1 проходит через слой воды, залитой в кювету прибора 2, и, отразившись от сферического зеркала 3, возвращается в окуляр 4. Наблюдатель, выравнивая яркость фотометрических полей измерительной и сравнительной ветвей прибора, фиксирует определенный отсчет на специальном барабане с делениями. Так как СГН-57 проходит предварительную градуировку, то по этому отсчету можно получить величину прозрачности.
Прозрачность морской воды — важнейшая оптическая характеристика. Приборы и методы ее измерения непрерывно совершенствуются.
Оптика моря помогает океанологии
…Штиль. Безмятежно поблескивает поверхность океана. Ни малейшего признака волнения. Но оказывается, что под спокойной зеркальной гладью происходят волнообразные колебания слоев воды — внутренние волны. Масштабы этих волн-невидимок грандиозны. Редко высота штормовой волны превышает 10 м, а высота внутренних волн может исчисляться сотнями метров.
Об их существовании узнали, измеряя температуру и соленость в одном и том же месте, на одних и тех же глубинах. Оказалось, что значения этих характеристик изменяются с определенной последовательностью и периодичностью.
Особенно рельефно проявляются внутренние волны в изменении глубины залегания слоев скачка, т. е. слоев, в которых температура и плотность резко меняются по вертикали.
Знание глубины нахождения слоев скачка весьма важно. Замечено, что именно около этих слоев обычно держатся промысловые косяки рыбы. Для подводных лодок слой скачка — это «жидкий грунт», на который ложится подводная лодка.
Под действием внутренних волн глубина слоя скачка может резко измениться. Существует версия, что гибель американской атомной подводной лодки «Трешер» произошла как раз по этой причине. Не исключено, что лодка, лежавшая на «жидком грунте», за короткое время оказалась на значительно больших глубинах, что и привело ее к гибели.
С помощью фотоэлектрического прозрачномера можно легко и быстро определять положение слоя скачка. Естественно, что этот прибор фиксирует не перепад плотности или температуры, а оптически рассеивающий слой — скопление частиц, оседающих над слоем плотностного или температурного скачка. Состав частиц может быть различен, но в открытом океане, как известно, в оптически рассеивающем слое преобладают мельчайшие водоросли — фитопланктон.
Биологи «Витязя», прежде чем приступить к своим исследованиям, выясняют у оптиков, как расположены слои скопления фитопланктона.
Если длительное время периодически зондировать прозрачность в толще воды, устанавливая каждый раз положение мутного слоя, залегающего над слоем скачка плотности и температуры, то можно получить представление о параметрах внутренних волн: их амплитуде и периоде.
В последние годы в Тихом и Атлантическом океанах на больших глубинах были обнаружены мощные мутные слои воды. Так, в сентябре 1965 г. американские исследователи с помощью нефелометра зафиксировали над дном Алеутской впадины насыщенный частицами слой толщиной 900 м. Появление этих мутных вод во впадине специалисты связывают с действием так называемых мутьевых потоков, возникших в результате землетрясений. Их роль еще не ясна. Предполагают, в частности, что они способны «пропиливать» глубокие подводные каньоны. Для исследования этого интересного природного явления, видимо, наиболее эффективными следует признать оптические методы. Обнаружение глубинных слоев мутной воды проще всего осуществлять оптическими приборами — прозрачномерами или нефелометрами. Кстати, американские исследователи так и назвали эти слои — нефелоидные. Последующее детальное их изучение можно проводить, сочетая измерение прозрачности и характеристик рассеяния с подводным фотографированием, а в будущем — и с подводным телевидением.
Остановимся еще на одном геологическом разделе океанологии, где оптика моря в состоянии оказать существенную помощь. Речь идет о береговых процессах.
Беспрестанная работа волн приводит к изменению морских берегов. Необходимо зорко следить за тем, чтобы прекрасный пляж, который служит тысячам людей, не был разрушен и унесен морем, не говоря уже о том, что унесенный материал способен совершенно занести морской порт. Поэтому надо детально анализировать, куда и как переносится обломочный береговой материал. Волны и течения могут нести его вдоль и поперек берега. Здесь и потоки гальки — «каменные реки», и мельчайшие взвешенные частицы (объект исследования оптиков моря).
Перемещение взмученных частиц у южных берегов Балтийского моря изучал с помощью фотоэлектрического прозрачномера немецкий исследователь Г. Люнебург. С этой же целью на подводной лаборатории «Черномор» был установлен прозрачномер, сконструированный в Южном отделении Института океанологии. Потоки мелких иловых частиц нередко имеют внушительные размеры. Такой поток, простирающийся на 1200 км, известен у берегов южноамериканского континента.
Оптика моря весьма успешно помогает океанологии и в таком важном и сложном вопросе, как распознавание вод различного происхождения. Часто такие воды отличаются не только по основным гидрологическим характеристикам — температуре и солености, но и по содержанию взвешенных частиц, а следовательно, по прозрачности. Даже когда прозрачность разнородных вод, переносимых мощными океанскими течениями, одинакова, все же удается разграничить их, используя оптические методы.
Рис. 23. Блок-диаграмма прозрачности вод тропической части Индийского океана. Стрелками указано направление основных течений, пунктиром — границы между течениями.
На рис. 23 представлена блок-диаграмма прозрачности вод тропической части Индийского океана, построенная по результатам исследований «Витязя». На ней указаны границы течений, определенные гидрологическими методами. Легко видеть, что границы совпадают с зонами мутных вод, вытянутых вдоль течений. Понижение прозрачности в граничных зонах связано с различными динамическими процессами, которые стимулируют накопление там минеральных частиц и развитие фито- и зоопланктона.
Воды открытого океана и внутренних морей весьма рельефно отличаются друг от друга содержанием «желтого вещества», о концентрации которого в море легко судить по измерениям прозрачности в синей или ультрафиолетовой части спектра.
Можно было бы привести еще много примеров, когда оптика моря оказывается полезной при океанологических исследованиях.
Солнечный свет в море
Свет на поверхности моря
Изучая естественный свет в толще моря, мы прежде всего должны задаться вопросом: что представляет собой свет, освещающий его поверхность?
Каждую секунду в результате ядерных реакций в недрах Солнца 564 млн. т водорода превращаются в 560 млн. т гелия; 4 млн. т солнечного водорода излучаются в космос в виде тепла и света.
Энергетическая мощность излучения Солнца оценивается в 3,86∙1023 квт. Если выразить энергию Солнца в калориях в секунду и просуммировать всю энергию, излучаемую им за год, мы получим величину, примерно равную 3∙1033 кал. Конечно, наша планета из этого количества получает ничтожную часть — всего лишь около одной двухмиллиардной доли, т. е. 1024 кал., но и это — огромное количество энергии.
Основной характеристикой излучательной способности Солнца принято считать солнечную постоянную, т. е. мощность солнечного излучения, приходящегося на один квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к падающим лучам и расположенной вне земной атмосферы. Более ли менее точно измерить непосредственно величину солнечной постоянной удалось лишь с открытием космической эры. По современным данным, она составляет 2,00 кал/мин∙см2, или 1394 вт/м2.
При прохождении земной атмосферы энергия прямого солнечного излучения ослабевает, частично поглощаясь и частично рассеиваясь. Величина энергии, достигающей поверхности моря, не является постоянной, так как зависит от многих факторов. Чем ниже над горизонтом Солнце, тем большую толщу атмосферы надо преодолеть его лучам и тем больше, следовательно, потери на поглощение и рассеяние. Если путь, который проходит луч в атмосфере, когда Солнце находится в зените, принять за единицу (в метеорологии ее называют «масса атмосферы»), то из приведенных данных можно наглядно представить себе, насколько этот путь увеличивается при понижении высоты Солнца.
| Высота Солнца, град. | 90 | 60 | 45 | 30 | 10 | 5 | 1 |
| Масса атмосферы | 1,0 | 1,15 | 1,4 | 2,0 | 5,4 | 10,4 | 27 |
Таким образом, когда Солнце только взошло над горизонтом, его лучам надо преодолеть толщу атмосферы в 27 раз большую, чем когда оно находится в зените. Вторым основным фактором, значительно влияющим на ослабление потока солнечной радиации, является прозрачность атмосферы в данном конкретном месте и в данный момент. Чем больше частичек пыли, капель воды, кристалликов льда содержится в атмосфере, тем менее она прозрачна и тем большие потери солнечной энергии мы наблюдаем.
Несмотря на эти потери, поверхность моря получает огромное количество энергии. Так (правда, с большим приближением), можно считать, что в летнее время при высоком положении Солнца один квадратный метр морской поверхности подвергается действию светового излучения мощностью около одного киловатта. Безусловно, эта величина изменяется в очень широких пределах в зависимости от географической широты места и времени года. Эти изменения наглядно иллюстрируются графиком на рис. 24.
Итак, мы кратко рассмотрели энергетическую характеристику прямой солнечной радиации, достигающей поверхности моря. Для оптики моря не меньший интерес представляет спектральный состав солнечного излучения, так как он в основном определяет характер тех оптических процессов, с которыми мы имеем дело при изучении света в море.