Индикатриса рассеяния света водой
Рассеяние света водойРассеяние света водой в значительной степени зависит от ее загрязненности взвешенными частицами, однако совершенно чистая дистиллированная вода также рассеивает свет. Рассеяние света в воде — явление сложное, оно вызывается как присутствием в воде механических частиц, так и перемещениями молекул воды. Параллельный монохроматический пучок лучей, пройдя через слой воды х, ослабляется вследствие рассеяния: где F0 — световой поток, пропущенный рассеивающим слоем воды; σ — показатель рассеяния света, зависящий от числа взвешенных частиц в единице объема воды и от размера этих частиц. Размер частицы в значительной степени изменяет характер рассеяния. Если размер частицы настолько мал, что ее диаметр во много раз меньше длины волны света и измеряется тысячными долями микрона, то луч света, упавший на такую частицу, рассеивается практически во все стороны с равной силой. Количество света, прошедшее в этом случае вперед, будет равно количеству света, отброшенному частицей назад. При увеличении размера частицы количество световой энергии, прошедшей по направлению падающего луча, увеличивается. Если диаметр частицы равен по величине длине волны света, то количество световой энергии, прошедшей по направлению падения луча света, будет примерно в 2,5 раза больше количества световой энергии, отброшенной назад. Для вычисления показателя рассеяния можно пользоваться формулой: где с — постоянный коэффициент; λ — длина волны, ммк; v — показатель степени, зависящий от радиуса рассеивающих частиц. Рассеяние света называют релеевским по имени Ре-лея — ученого, открывшего этот закон. Однако релеевский закон рассеяния применим лишь при радиусах частиц не свыше 0,05 мк. При больших значениях радиуса частиц показатель степени начинает быстро убывать. При малом радиусе частиц ослабление происходит сильнее в фиолетовой части спектра, а при увеличении размера частиц разница в ослаблении света между фиолетовой и красной частями спектра уменьшается. При диаметре частиц более 4 мк рассеяние не зависит от длины волны. Рассеяние света вызывается планктоном, органическими и неорганическими частицами, поднятыми течением со дна или принесенными из рек, а также воздушными пузырьками. Наиболее сильно рассеивают свет пресные проточные воды, воды озер и прибрежные воды морей и океанов. Однако и вода, совершенно свободная от механических примесей, рассеивает свет. Рассеяние света в совершенно чистой, оптически прозрачной воде называется молекулярным рассеянием. Непрерывное перемещение молекул, вызванное тепловыми колебаниями в водной среде, создает различную элементарную плотность воды. Показатели преломления в соседних элементарных объемах воды могут оказаться в некоторое мгновение разными, возникает оптическая неоднородность среды, и луч света отклоняется от своего пути. Для нормального подводного фотографирования очень важно соотношение количеств рассеянного и направленного света. Рассеянный свет не может участвовать в образовании изображения, и тем не менее, попадая через фотографический объектив на пленку, он засвечивает светочувствительный слой негативного фотоматериала. В некоторых условиях рассеянный свет создает такие почернения негатива, что дальнейшая его обработка и изготовление фотоотпечатка становятся нецелесообразными. Итак, выяснено, что свет в воде ослабляется за счет поглощения и рассеяния светового потока. Каково же суммарное действие этих факторов? Источник Экология СПРАВОЧНИКИнформацияИндикатрисы рассеянияИНДИКАТРИСА РАССЕЯНИЯ НА АЭРОЗОЛЯХ. Индикатр иса рассеяния на взвешенных в воздухе частичках, форма которой асимметрична в направлении падения света.[ . ] Индикатриса рассеяния кристаллов льда гораздо более вытянута вперед, чем индикатриса рассеяния сферических водяных капель (средние косинусы угла рассеяния равны 0,94 и 0,86 соответственно), что приводит к значительным различиям поля рассеянного излучения. Исключая область вблизи направления распространения падающей солнечной радиации, средняя интенсивность пропущенного излучения поля в жидкокапельных облаках больше, чем в кристаллических.[ . ] Индикатрисы рассеяния фотонов на крупных частицах, как правило, очень сильно вытянуты, т. е. основная часть фотонов рассеивается по направлениям, близким к направлению падающего луча. Вытянутость индикатрисы растет с ростом размера частиц» и для р > 20—30 отклонение рассеянных фотонов не превышает нескольких угловых градусов для капель воды.[ . ] Индикатриса рассеяния — относительная интенсивность пространственного распределения рассеянного света, зависящая от отношения размера частицы к длине волны падающего излучения (см. также Рассеяние света).[ . ]
СУММАРНАЯ ИНДИКАТРИСА РАССЕЯНИЯ. См. атмосферная индикатриса рассеяния.[ . ] Атмосферная индикатриса рассеяния. Векторами указана интенсивность рассеяния в разных направлениях от рассеивающей частицы А. 5—направление падающей радиации. Прерывистой линией для сравнения дана индикатриса молекулярного рассеяния.[ . ] АЭРОЗОЛЬНАЯ ИНДИКАТРИСА РАССЕЯНИЯ. См. индикатриса рассеяния на аэрозолях.[ . ] Коэффициент рассеяния выражается формулой е = аХа, в которой а и а — эмпирические коэффициенты. Первый из них пропорционален числу частиц, а показатель степени изменяется от 0 (для капель воды, образующей туманы и облака) до 4. Особенность частиц второй моды (частиц Ми) заключается в асимметричности индикатрисы рассеяния: интенсивность его в направлении луча в два-три раза выше интенсивности рассеяния в обратном направлении.[ . ] АТМОСФЕРНАЯ ИНДИКАТРИСА РАССЕЯНИЯ. Индикатриса рассеяния радиации в атмосфере, являющаяся результатом одновременного рассеяния молекулярного и на аэрозолях. Определяется на основании спектрофотометрических измерений.[ . ]
Из условия нормировки индикатрисы рассеяния следует, чтя 9 а =1/271.[ . ] На рис. 2.8 представлена индикатриса рассеяния на каплях воды различных размеров, р = 1. 9 по В. В. Шулейкину, взятая нами из учебника П. Н. Тверского.[ . ] СВЕТА В АТМОСФЕРЕ. Многократное рассеяние света в реальной атмосфере, слагающееся из молекулярного рассеяния и рассеяния аэрозолями. См. еще атмосферная индикатриса рассеяния.[ . ]
Пространственное распределение интенсивности рассеянной радиации зависит от угла рассеяния (угол между направлениями падающего и отклоненного лучей рассеяния) и величины рассеивающей частички. Графически оно представляется индикатрисой рассеяния. В случае молекулярного рассеяния — рассеяние в направлении падающего луча и в обратном направлении одинаковы по интенсивности и вдвое больше, чем в направлении, перпендикулярном к лучу. В случае рассеяния крупными частичками интенсивность в направлении падающего луча значительно превышает интенсивность в обратном направлении (см. индикатриса рассеяния, эффект Ми). Рассеянная радиация подвергается вторичному рассеянию.[ . ] Отсюда следует, что в приближении однократного рассеяния интенсивность излучения прямо пропорциональна индикатрисе рассеяния. При произвольной индикатрисе рассеяния соответствующие потоки могут быть получены с помощью численных методов интегрирования. В тех случаях, когда однократное рассеяние представляет большую часть радиационного поля, но не определяет его полностью, целесообразно однократно рассеянный свет рассчитывать по точным формулам, а при вычислении многократно рассеянного излучения использовать приближенные методы, в частности метод последовательных порядков рассеяния.[ . ] Очевидно, что при заданном альбедо однократного рассеяния поглощение будет возрастать при увеличении доли диффузной радиации и средней кратности рассеяния. Для слоистых облаков при увеличении зенитного угла Солнца поглощение уменьшается (табл. 9.1), поскольку увеличивается альбедо облачного слоя и из-за сильной вытяиутостн вперед индикатрисы рассеяния уменьшается, по-видимому, средняя кратность рассеяния отраженного излучения. Этот результат согласуется с расчетами [34]. Для кучевых облаков справедливо обратное соотношение, которое объясняется тем, что при больших резко возрастает доля диффузной радиации. Для Q=0° справедливо нера-венство Pst (¿1, zw+1) > РСи , гЛ/+1), которое обусловлено тем, что излучение, выходящее через боковые стороны кучевых облаков, имеет в среднем меньшую кратность рассеяния. При = 60° эффект, связанный с увеличением в среднем доли диффузной радиации, является более сильным, чем эффект, обусловленный уменьшением средней кратности рассеяния, поэтому справедливо обратное неравенство.[ . ] Результаты расчетов, приведенные К. Я. Кондратьевым по индикатрисе рассеяния на непрозрачных абсолютно отражающих сферах, приведенные на рис. 2.9, прекрасно иллюстрируют особенности формирования потоков рассеянной радиации в зависимости от размеров и физических свойств аэрозольных частиц.[ . ] Как следует из формулы (2.45) и рис. 2.7, представляющего рэле-евскую индикатрису рассеяния, наибольшее рассеяние происходит вперед ф = 0° и назад ф = 180°. Минимумы рассеяния в направлениях, перпендикулярных к направлению излучения (ф = 90 и ф = 270°). Энергетическая яркость излучения в минимумах в 2 раза меньше, чем в максимумах.[ . ] В облаках, толщина которых более 100 м, в результате многократного рассеяния на небольшом расстоянии от их верхней и нижней границы устанавливается стационарный радиационный режим, определяемый коэффициентами рассеяния и поглощения в этом слое и обобщенной индикатрисой рассеяния, которая в данных условиях принимает форму, близкую к сферической. Яркость в таком слое одинакова во всех направлениях. Подобные условия можно наблюдать и на земной поверхности, когда над снеговым покровом находится тонкий, порядка сотни метров, слой тумана, а выше — безоблачное небо.[ . ] Таблицы констант и функций, входящих в формулы (2.59), для различных индикатрис рассеяния и вероятностей выживания кванта приведены в [11].[ . ] Функция, выражающая пространственное распределение интенсивности рассеянного света. Также графическое представление этой функции в виде векторной диаграммы, на которой длина радиуса-вектора в каком-либо направлении пропорциональна интенсивности рассеяния в этом направлении, а концы векторов соединены кривой. См. также атмосферная индикатриса рассеяния.[ . ] Для характеристики углового распределения спектральной плотности энергетической яркости рассеянной радиации используется понятие «индикатриса рассеяния». Индикатриса рассеяния может быть относительной и абсолютной. С ее помощью можно описать рассеяние как на отдельной частице, так и в некотором слое, например во всей атмосфере. В последнем случае индикатриса формируется как средняя взвешенная для всего рассеивающего слоя. В ней учитывается совокупность размеров частиц (молекулы и аэрозоли), долевой вклад каждого в формирование энергетической яркости рассеянной радиации.[ . ] После появления изложенной выше работы Шулейкина [8] было проделано несколько теоретических работ, относящихся к полностью рассеянному свету. Наиболее интересной из них является работа В. А. Амбарцумяна [14], показавшего, что при какой угодно форме индикатрисы рассеяния свет, полностью рассеянный, ослабляется на пути по экспоненциальному закону. К сожалению, очень долгое время не было экспериментальных работ, которыми можно было бы воспользоваться для проверки теории сложного рассеяния света вообще и в частности на самом интересном участке оптического пути, на котором свет еще не полностью рассеян. Появлялись лишь одиночные исследования, из которых можно было почерпнуть некоторые сведения о той или иной стороне сложного рассеяния света, изученного на опыте. Так, в некоторых работах, преследовавших чисто технические цели, было обнаружено на опыте, что в толще молочного стекла и других рассеивающих сред свет, наблюдаемый под прямым углом к основному потоку, достигает максимальной яркости на некоторой определенной глубине, после чего начинает слабеть — в полном согласии с теорией Шулейкина.[ . ] Входными параметрами радиационных блоков как составной части всех существующих моделей климата являются оптические характеристики: индикатриса рассеяния, коэффициент ослабления и альбедо однократного рассеяния, известные для всех длин волн. Поскольку капли воды имеют почти сферическую форму, то для жидкокапельных облаков эти характеристики рассчитываются по формулам теории Ми. Спектр размеров капель воды в среднем хорошо аппроксимируется гамма-распределением [3, 4], хотя нередки случаи, когда локальные спектры имеют бимодальный вид и неудовлетворительно описываются этим распределением [7]. В расчетах потоков и полей яркости облаков обычно используются оптические характеристики, вычисленные при максимальном радиусе капель гтах 20 -г- 30 мкм [3]. Выбор такого значения гтах основывается до сих пор на широко распространенном мнении, что радиационные поля в облачной атмосфере якобы слабо зависят от распределения капель по размерам (см., например, [42]), поэтому влиянием больших капель можно пренебречь. Немаловажную роль играет и то обстоятельство, что при больших радиусах капель г соответствующие ряды сходятся очень медленно и требуются большие затраты компьютерного времени. Однако эта аргументация явно неубедительна, поскольку основывается на расчетах переноса излучения с оптическими характеристиками облаков, которые были предварительно вычислены при ггпах 20 30 мкм.[ . ] Совершенно иная картина наблюдается в тех спектральных интервалах, где облачные частицы сами интенсивно поглощают и альбедо однократного рассеяния мало ( 0,5 — 0,7). Поскольку при каждом акте рассеяния значительная часть радиации поглощается, то альбедо облаков будет формироваться в основном за счет нескольких первых кратностей рассеяния и, следовательно, будет очень чувствительно к изменениям индикатрисы рассеяния. Наличие же ядра конденсации уже не способно сильно изменить альбедо однократного рассеяния. По этой причине на длине волны 3,75 мкм доминирует индикатрисный эффект аэрозоля и спектральное альбедо облаков увеличивается примерно в 2 раза (табл. 5.2). Для некоторых длин воли эффект, обусловленный поглощением дымовым аэрозолем, может точно компенсировать эффект, связанный с уменьшением размера облачных капель, и альбедо не изменится.[ . ] В модели II на последовательность точек г , . гп накладываются значительно менее жесткие требования (6.18), чем в модели I. Сильная же втянутость вперед индикатрисы рассеяния облаков обеспечивает близость подавляющего числа отрезков траекторий частиц к ломаным линиям с выполнением неравенств типа (6.18) и, следовательно, приемлемость формулы (6.1 Г) как приближения ив этой модели.[ . ] Суммарная радиация при безоблачном небе растет пропорционально росту высоты Солнца. Если в атмосфере возрастает содержание аэрозолей, уменьшается поток прямой радиации и увеличивается поток рассеянной, т.е. происходит некоторая взаимная компенсация этих потоков. Компенсация обоих потоков будет неполной лишь в случае, когда в атмосфере наблюдается увеличение очень мелких аэрозольных частиц, при рассеянии на которых велика доля в относительной индикатрисе рассеяния ее тыльной части, т.е. обратного рассеяния, что приводит к увеличению альбедо в системе «земная поверхность—атмосфера». Подобное явление имеет место над тропическими районами Северной Атлантики, северо-западнее побережья Мавритании и Западной Сахары, известное как «Море мрака». В этом районе по юго-восточной периферии Азорского антициклона в атмосферу над акваторией Атлантического океана выносится с западных районов Сахары огромное количество пыли. Это можно видеть с космических аппаратов как большое, площадью несколько миллионов квадратных километров, светлое пятно, выделяющееся над темной поверхностью океана.[ . ] Пусть на верхнюю границу облачного слоя в плоскости Х01 падает единичный поток солнечной радиации: и ср0 = 0 — зенитный и азимутальный углы Солнца. В видимой области спектра можно пренебречь рэлеевским и аэрозольным рассеянием света; альбедо подстилающей поверхности положим равным нулю, что приблизительно соответствует альбедо океана. Расчеты статистических характеристик поля видимой солнечной радиации, выполненные при ненулевых альбедо ламбертовской подстилающей поверхности, специально отмечаются в тексте. Индикатриса рассеяния рассчитывается по теории Ми для модельного облака Сх [ 1] и длины волны 0,69 мкм. Облачное поле генерируется пуассоиовским ансамблем точек в пространстве.[ . ] Над однородной, в оптическом отношении, подстилающей поверхностью и при постоянстве в горизонтальной плоскости оптических свойств атмосферы распределение яркости по небосводу определяется высотой Солнца и атмосферной индикатрисой рассеяния. Оно симметрично относительно солнечного вертикала.[ . ] Пусть в облачном поле присутствует поглощающий в видимой области спектра аэрозоль, например сажа, и аэрозольные частицы являются ядрами конденсации. Наличие такого аэрозоля внутри облачной капли может привести, с одной стороны, к заметному (в смысле влияния на радиационный режим) уменьшению альбедо однократного рассеяния и, следовательно, к уменьшению альбедо облачного слоя. С другой стороны, присутствие ядер конденсации оказывает влияние на процесс образования облачных капель, распределение по размерам которых становится более мелкодисперсным. Это означает, что индикатриса рассеяння становится менее вытянутой и при фиксированном водозапасе облаков их оптическая толщина возрастает, поэтому альбедо облачного слоя должно увеличиваться. Вопрос о суммарном воздействии аэрозоля на радиационные свойства облаков остается дискуссионным и даже знак этого воздействия еще не определен. Изменение поглощательных свойств элементарного рассеивающего объема облаков под влиянием аэрозоля представляет собой отдельную проблему атмосферной оптики, для решения которой необходимо выполнить соответствующие теоретические и экспериментальные исследования. Здесь ограничимся предварительными оценками возможного воздействия поглощающего аэрозоля на средний радиационный режим поля кучевых облаков. Предположим, что наличие аэрозоля в облачных каплях не изменит существенно коэффициент ослабления и индикатрису рассеяния, а приведет лишь к некоторому уменьшению альбедо однократного рассеяния X =1,0; 0,999 и 0,99 [11].[ . ] Одна из первых моделей неоднородных слоистых облаков была предложена Романовой [10 — 14]. Горизонтальные флуктуации коэффициента ослабления представляются в виде отрезка ряда Фурье, а решение уравнения переноса ищется в виде ряда возмущений по относительной величине этих флуктуаций. Для интенсивности многократно рассеянного света получены аналитические формулы» малоугловом приближении, которые имеют неплохую точность при сильно вытянутых вперед индикатрисах рассеяния облаков, а также разработан численный метод, основанный на квадратурах Гаусса.[ . ] Аэрозольные частицы, находящиеся в водяных каплях как ядра конденсации, могут изменить концентрацию и спектр размеров, а также внести дополнительное поглощение водяными каплями в некоторых участках спектра. Увеличение числа ядер конденсации обычно приводит к увеличению концентрации водяных капель, которые становятся более мелкими [31, 46]. Индикатриса рассеяния становится менее вытянутой вперед, а при фиксированном содержании жидкой воды вертикальная оптическая толщина возрастает (см. формулу (5.4)), что обусловливает возрастание альбедо облаков. В тех спектральных интервалах, где аэрозоль интенсивно поглощает, его присутствие в облачных каплях уменьшает альбедо однократного рассеяния и величина этого уменьшения сильно зависит от показателя преломления (химического состава) ядер конденсации, поэтому поглощение облаками возрастает и альбедо уменьшается. Таким образом, знак и величниа изменения альбедо облаков под воздействием аэрозольных ядер конденсации будут зависеть от того, какой из этих эффектов является доминирующим: уменьшение размеров капель или поглощение.[ . ] К основным достоинствам метода Монте-Карло следует отнести возможность решения задач переноса излучения в рассеивающих и поглощающих средах со сложной нерегулярной геометрической структурой, каковыми являются разорванная облачность, взволно ванная морская поверхность н т.д. В расчетах по этому методу можно корректно учесть эффекты многократного рассеяния при сильно вытянутых вперед индикатрисах рассеяния, которые могут быть заданы на основе данных натурных измерений. К недостаткам метода Монте-Карло следует отнести то, что результата вычислений подвержены статистической изменчивости, которая при разумном использовании компьютерного времени имеет порядок нескольких процентов. Данный метод непрактичен при больших оптических толщинах.[ . ] Под косвенным воздействием аэрозоля на облака понимается также эффект, связанный с влиянием возрастания числа ядер конденсации в индустриальных и загрязненных регионах на микрофизику п оптические свойства облаков. Количественные оценки влияния этого эффекта на радиационные свойства облаков можно получить, если известны оптические параметры (объемный коэффициент ослабления, альбедо однократного рассеяния и индикатриса рассеяния) частиц, состоящих из смеси веществ с различными показателями преломления.[ . ] В другом предельном случае тн »1 для расчета лучистых потоков и полей яркости используются асимптотические формулы, которые были получены сравнительно давно [2]. Другим методом от формулы получены для случая слабого поглощения (1-Л «1) [19, 20] и для произвольного поглощения 23. Обобщение этих формул на многослойные среды, состоящие из нескольких однородных оптически плотных слоев, дано в [1] для произвольного рассеяния, а затем в [29] для произвольной зависимости индикатрисы рассеяния от оптической толщины и консервативного рассеяния.[ . ] Спектральные характеристики оптического канала фотометра ФГ зависят от характеристик излучателя, фотоприемника и светофильтра. Спектральные характеристики индикатора после его взаимодействия с анализируемой средой, содержащей измеряемый компонент, определяются спектральными характеристиками окрашенных комплексов, получаемых в результате реакции измеряемого компонента и реагента в индикаторе. Для тождественности имитации воздействия на фотометр изменения коэффициента отражения (оптической плотности для жидкостных ФГ) индикатора с помощью какого-либо физического эквивалента (имитатора) и анализируемой среды необходимо обеспечить соответствующую идентичность их спектральных характеристик и идентичность индикатрис рассеяния падающего потока света.[ . ] Источник  Цены на продукты питания, энергию, топливо, а также  В России мы можем собирать дождевую воду наиболее эффективно |
