Поглощение инфракрасного излучения водой

Поглощение инфракрасного излучения водой

Поглощение излучения связано с квантово-механическим взаимодействием распространяющегося в среде электромагнитного излучения с атомами и молекулами вещества. В результате такого взаимодействия часть энергии излучения на некоторых частотах передается атомам и молекулам, что проявляется в образовании в спектре излучения полос поглощения. Показатель поглощения κ определяется через мнимую часть комплексного показателя преломления n = m – ik , а именно

Теория, объясняющая структуру функций k ( λ ) и κ ( λ ) относится к квантовой механике.

Поглощение излучения океанской водой складывается из поглощений ее отдельными компонентами. Рассмотрим последовательно поглощающие свойства каждой из них и их относительный вклад в общее поглощение.

Поглощение чистой водой

С квантово-механической точки зрения вода представляет собой плотно упакованную систему, в которой взаимодействие между молекулами очень велико. Для точных расчетов спектров поглощения воды требуется определение положения всех энергетических уровней такой конденсированной системы, что в настоящее время сделать невозможно. Качественно в общих чертах картина такова. Ультрафиолетовое поглощение связано с электронными переходами, инфракрасное – с колебательными движениями молекул. Поглощение в видимой области обусловлено множеством колебательных обертонов молекул воды. В ультрафиолетовой и особенно в инфракрасной областях наблюдаются сильные полосы поглощения оптического излучения, в видимой области поглощение слабое.

В связи с невозможностью выполнения точных теоретических расчетов показателя поглощения чистой водой, в настоящее время ее поглощающие свойства определяют из экспериментов. Такие измерения проводились неоднократно, но иногда данные получались разноречивыми, особенно в области 400–500 нм, где наблюдаются минимальные величины показателя поглощения. Объясняется это сложностью получения абсолютно чистой воды, не содержащей каких-либо примесей, а также ошибками измерений очень малых величин κ .

В настоящее время наиболее точными считаются данные, полученные в работе [29]. Они приведены в таблице 4. В этой же таблице приведены показатели рассеяния для чистой воды из работы [17] и рассчитанные по [17] и [29] показатели ослабления ε и вероятность выживания фотона Λ.

Минимальные величины κ = 0,0045 1/м наблюдаются около длины волны 420 нм. В спектральном окне прозрачности 400–440 нм показатель поглощения слабо изменяется – от 0,0045 до 0,0066 1/м. За его пределами он быстро увеличивается и в коротковолновую, и особенно в длинноволновую области спектра. Так, в красной области при длине волны 720 нм величина κ превышает его минимальную величину при 420 нм в 274 раза.

Оптические свойства чистой воды (Т = 20°С) [17, 29]

λ , нм	m	κ ·10 3 , 1/м	σ ·10 3 , 1/м	ε ·10 3 , 1/м	Λ	λ , нм	m	κ ·10 3 , 1/м	σ ·10 3 , 1/м	ε ·10 3 , 1/м	Λ
380	1,345	11,4	5,9	17,3	0,34	530	1,335	43,4	1,50	44,9	0,033
390	1,344	8,5	5,3	13,8	0,38	540	1,335	47,4	1,40	48,8	0,029
400	1,343	6,6	4,8	11,4	0,42	550	1,334	56,5	1,30	57,8	0,022
410	1,343	4,7	4,4	9,1	0,48	560	1,334	61,9	1,20	63,1	0,019
420	1,342	4,5	4,0	8,5	0,47	570	1,334	69,5	1,10	70,6	0,016
430	1,341	5,0	3,6	8,6	0,42	580	1,333	89,6	1,10	90,7	0,012
440	1,340	6,3	3,2	9,5	0,34	590	1,333	135,1	1,00	136,1	0,007
450	1,340	9,2	2,9	12,1	0,24	600	1,333	222,4	0,93	223,3	0,004
460	1,339	9,8	2,7	12,5	0,22	610	1,332	264,4	0,87	655,3	0,0033
470	1,338	10,6	2,4	13,0	0,18	620	1,332	275,5	0,82	276,3	0,0030
480	1,337	12,7	2,2	14,9	0,15	640	1,332	310,8	0,72	311,5	0,0020
490	1,337	15,0	2,0	17,0	0,12	660	1,331	410,9	0,64	410,6	0,0015
500	1,336	20,4	1,9	22,3	0,085	680	1,331	465,0	0,56	465,6	0,0012
510	1,336	32,5	1,7	34,2	0,050	700	1,330	624,0	0,50	624,5	0,0008
520	1,335	40,9	1,6	42,5	0,038	720	1,330	1231,0	0,45	1231,5	0,0004

Поглощение чистой океанской водой

Под чистой океанской водой в оптике океана понимают чистую воду, в которой растворены неорганические соли в концентрациях, наблюдающихся в океанских водах, и нет ни взвеси, ни растворенных органических соединений и газов.

Вода обладает большой диссоциирующей способностью, поэтому молекулы неорганических солей при растворении в воде распадаются и находятся в ней в виде ионов. Ионы неорганических солей имеют электронные спектры поглощения, расположенные в ультрафиолетовой области. Вследствие этого добавка солей заметно сказывается на увеличении поглощения света в ультрафиолете. За это ответственны в основном соли бромистых соединений и нитраты. В видимой и инфракрасной областях неорганические соли мало влияют на показатель поглощения и его принято считать в этих областях таким же, как и у пресной воды.

Отметим, что добавка к воде неорганических солей увеличивает ее показатель преломления. Так, для излучения с длиной волны 590 нм при возрастании солености воды от 0 до 35 промилле при температуре 25°С показатель преломления увеличивается примерно на 0,7%.

Поглощение растворенными газами

Из всех растворенных в океанской воде атмосферных газов только кислород представляет некоторый интерес для оптики океана, так как он поглощает излучение в далекой ультрафиолетовой области. Другие атмосферные газы на оптические свойства океанской воды не влияют.

Поглощение желтым веществом

Характер поглощения излучения желтым веществом обусловлен электронными спектрами поглощения органических молекул. Также как и для чистой воды, точный расчет всех энергетических уровней, необходимый для вычисления показателя поглощения желтым веществом, в настоящее время невозможен. В экспериментах установлено, что спектральная зависимость показателя поглощения излучения желтым веществом аппроксимируется формулой

где κ уд.жв( λ ) – удельный показатель поглощения желтым веществом ( κ уд.жв (450) = 0,092 м 2 /г, С – концентрация желтого вещества г/м 3 . Коэффициент μ для поверхностных вод открытых районов океана примерно равен 15·10 -3 1/нм, для глубинных вод он несколько больше – 17–19·10 -3 1/нм. Вследствие такой спектральной зависимости показатель поглощения света желтым веществом при переходе из синей области в красную, например от 400 к 700 нм, уменьшается в поверхностных водах в 90, а в глубинных в 160–660 раз. Таким образом влияние желтого вещества на поглощение излучения сказывается главным образом в коротковолновой области спектра, в длинноволновой оно незначительно.

Поглощение взвешенными частицами

Поглощающие свойства минеральных и органических частиц океанской взвеси существенно различны. Для минеральных частиц показатели поглощения невелики и ими, особенно в поверхностных водах, нередко пренебрегают. Это же относится и к мертвым органическим частицам – детриту.

Иной характер в поглощении света наблюдается у живой органической взвеси – фитопланктона. Его клетки содержат центры поглощения света, представленные различного рода пигментами. Главный из пигментов – хлорофилл «а». На рис. 5 приведено спектральное распределение показателя поглощения для некоторых видов фитопланктона. В отличие от непрерывного характера поглощения света желтым веществом, поглощение фитопланктоном имеет локальные максимумы. Наблюдается два главных максимума поглощения – синий в районе 430–440 нм и красный в районе 670–680 нм. Кроме двух главных максимумов в спектрах поглощения фитопланктона часто наблюдается еще ряд менее значительных максимумов.

Общая концентрация различных пигментов (хлорофиллы «а», «б», «с», феофитин и др.), содержащихся в фитопланктоне, тесно коррелирует с содержанием главного пигмента – хлорофилла «а». Вследствие этого концентрацию всех пигментов часто выражают через хлорофилл «а». В таблице 5 приведено удельное поглощение κ уд.пф( λ ) пигментов фитопланктона, отнесенное к единичной концентрации хлорофилла «а». Абсолютное значение показателя поглощения пигментами κ пф( λ ) определится следующим образом

где С – концентрация хлорофилла «а» в мг/м 3 .

Удельное поглощение пигментами фитопланктона κ уд.пф, м 2 /мг [17]

λ , нм	κ уд.пф	λ , нм	κ уд.пф	λ , нм	κ уд.пф	λ , нм	κ уд.пф
400	0,0506	470	0,0598	560	0,0060	660	0,0138
410	0,0598	480	0,0575	580	0,0069	665	0,0230
420	0,0736	490	0,0437	625	0,0069	670	0,0414
430	0,0805	500	0,0253	630	0,0087	675	0,0246
440	0,0966	510	0,0172	645	0,0069	700	0,0041
450	0,0874	520	0,0115	650	0,0080
460	0,0736	540	0,0071	655	0,0092

По концентрации хлорофилла «а» в верхнем слое океана его воды делят на три типа: олиготрофные (мало продуктивные) – С хл«а» 3 , мезотрофные (средней продуктивности) – С хл«а» = 0,2–0,4 мг/м 3 , эвтрофные (высоко продуктивные) – С хл«а» > 0,4 мг/м 3 .

Особенности поглощения света океанской водой, связанные с живым фитопланктоном, проявляются только в поверхностных слоях океана, где количества солнечной радиации достаточно для процесса фотосинтеза. В глубинных водах ниже эвфотической зоны, где взвесь представлена детритом и минеральными частицами, в спектрах поглощения взвесью не наблюдается полос поглощения.

Вклад различных компонентов океанской воды в суммарное поглощение

С учетом всех рассмотренных компонентов океанской воды ее спектральное поглощение определится суммой

где индексы обозначают: чв – чистая океанская вода, жв – желтое вещество, пф – пигменты фитопланктона, мч – минеральные частицы, д – детрит.

Как уже говорилось ранее, показатели поглощения детритом и минеральными частицами очень малы и их вкладом в общее поглощение можно пренебречь, т.е. показатель поглощения океанской водой будет определяться тремя составляющими: чистой водой, желтым веществом и пигментами фитопланктона. При этом переменными являются только две из них – желтое вещество и пигменты. Концентрация пигментов и желтого вещества взаимосвязаны через концентрацию фитопланктона, а именно – с повышением концентрации фитопланктона растет к концентрация желтого вещества. Таким образом, величина показателя поглощения океанской водой и относительный вклад в нее каждой из компонентов тесно связаны с трофностью вод. Рассмотрим вклад отдельных компонентов в спектральные значения суммарного показателя поглощения. Такие оценки для океанских вод различной трофности по [17] представлены в таблице 6. Они выполнены по модели, учитывающей три основные компоненты, влияющие на поглощение излучения океанской водой

где κ чв( λ ) – показатель поглощения чистой океанской водой, κ жв(390) – показатель поглощения желтым веществом при длине волны 390 нм, κ уд.пф( λ ) – удельное поглощение пигментами фитопланктона, C хл – концентрация пигментов. Множитель exp[–0,015( λ –390)] учитывает спектральную изменчивость поглощения желтым веществом. Спектральная изменчивость поглощения чистой водой и пигментами задается, используя таблицы 4 и 5. Входными параметрами служат экспериментально определяемые κ жв(390) и C хл.

Процентный вклад различных компонентов в спектральное поглощение света океанской водой [17]

Компоненты	Спектральный участок, нм
	400–430	430–490	490–510	510–540	540–600	600–670	670–680
Олиготрофные воды
Пигменты	15–30	30–35	10–30	2–10	1–2	1	1
Желтое вещество	60–70	50–60	30–50	10–30	1–10	0,5	0,5
Чистая вода	15	15–20	20–60	60–90	90–98	98–99	98–99
Мезотрофные воды
Пигменты	15–25	25–35	10–30	3–10	1–3	1	1–2
Желтое вещество	65–80	55–65	45–55	20–45	2–20	2	1
Чистая вода	7	5–15	15–40	40–80	80–95	95–97	97–98
Эвтрофные воды
Пигменты	10–20	20–25	10–25	4–10	1–4	1	2–4
Желтое вещество	80–90	70–80	65–70	40–65	4–40	4	1
Чистая вода	3	3–7	7–30	30–60	60–90	95	96
Глубинные (> 100 м) воды
Желтое вещество	90	70–90	40–75	10–45	1–15	1	0
Чистая вода	10	10–30	25–60	55–90	85–99	100	100

Из таблицы 6 видно, что в длинноволновой области видимого спектра основной вклад в поглощение вносит чистая вода При длинах волн более 600 нм даже в эвтрофных водах с высоким содержанием биологической взвеси вклад чистой воды составляет более 95%. В поглощении излучения в коротковолновой области 400–490 нм во всех водах преобладает желтое вещество, причем его вклад возрастает с увеличением трофности вод. Относительный вклад пигментов фитопланктона максимален в спектральной области 430–490 нм, но и здесь он во всех случаях не превышает 35%. В отличие от желтого вещества относительный вклад пигментов в области 400–490 нм уменьшается в более продуктивных водах. Следует отметить, что в таблице приведены осредненные данные. Для отдельных проб вклад пигментов в области их синего максимума варьирует от 3 до 82%.

На рис. 6 приведен пример соотношения между составляющими модели (2.20) при параметрах κ жв(390) = 0,2 1/м и С хл«а» = 0,3 мг/м 3 . Из рисунка видно, что для представленного случая главные факторы в поглощении – желтое вещество и вода, на их фоне в суммарном спектре практически не проявляются ни синий, ни красный максимумы поглощения пигментами.

Спектральная и общая изменчивость показателя поглощения в океанских водах

В таблице 7 и на рис. 7 представлены спектры поглощения, измеренные в различных регионах. Характерная черта всех спектров – наличие минимума, который смещается по шкале длин волн в зависимости от абсолютных значений κ . В наиболее прозрачных водах с низкими значениями κ минимум находится в районе 470–490 нм, т.е. там, где наблюдаются минимальные значения показателя поглощения для чистой воды. С увеличением показателя поглощения минимум сдвигается в сторону больших длин волн и, например, для мутных вод Балтийского моря он находится уже около 560–570 нм.

Значения спектральных показателей поглощения κ , 1/м в различных регионах [20]

№ п/п	Район измерений	Гори-зонт, м	Длина волны, нм
			390	410	430	450	470	490	510	530	550	570
Атлантический океан
1.	Северное пассатное течение	0	0,032	0,034	0,021	0,018	0,014	0,012	0,018	0,030	0,034	0,055
2.	Саргассово море	0	0,041	0,034	0,025	0,016	0,014	0,018	0,023	0,039	0,050	0,067
3.	Гольфстрим	10	0,041	0,044	0,044	0,041	0,030	0,030	0,025	0,039	0,046	0,060
4.	Карибское море	0	0,200	0,090	0,034	0,023	0,016	0,014	0,014	0,023	0,032	0,055
Тихий океан
5.	Северная субтропи-ческая конвергенция	85	0,085	0,071	0,048	0,037	0,023	0,014	0,014	0,029	0,039	0,063
6.	Панамский залив	10	0,120	0,140	0,130	0,110	0,080	0,060	0,044	0,048	0,051	0,062
7.	Впадина Тонга	10000	0,058	0,037	0,023	0,012	0,009	0,009	0,016	0,025	0,032	0,055
8.	Воды материкового склона около Перу	10	0,380	0,300	0,250	0,180	0,140	0,100	0,080	0,073	0,074	0,070
		500	0,160	0,130	0,082	0,063	0,041	0,027	0,026	0,030	0,043	0,049
Индийский океан
9.	Пассатное течение	0	0,055	0,037	0,029	0,031	0,017	0,015	0,018	0,028	0,041	0,050
10.	Южная тропическая конвергенция	0	0,053	0,046	0,043	0,038	0,028	0,024	0,027	0,036	0,046	0,052
		500	0,025	0,016	0,007	0,003	0,003	0,004	0,010	0,022	0,035	0,047
11.	Вблизи дельты Ганга	10	0,033	0,060	0,200	0,160	0,130	0,098	0,068	0,056	0,054	0,058
Балтийское море
12.	Готландская впадина	0	0,710	0,480	0,340	0,230	0,150	0,090	0,064	0,064	0,032	0,055
13.	Рижский залив	0	2,700	1,900	1,200	0,900	0,830	0,620	0,440	0,390	0,300	0,250

Смещение минимума в длинноволновую область спектра при общем росте поглощения обусловлено увеличением поглощения в коротковолновой области пигментами фитопланктона и особенно желтым веществом. Дальше 570–580 нм минимум в спектрах поглощения океанских вод не смещается, так как там резко возрастает поглощение самой водой. В красной области спектра кривые κ ( λ ) для всех вод практически совпадают, т.к. поглощение излучения здесь обусловлено главным образом водой.

Для длин волн меньше 550 нм наблюдается большая изменчивость κ в океанских водах. В этой области спектра показатель поглощения в его минимуме может отличаться в различных водах в десятки раз. Так, в наиболее прозрачных водах в области 470–490 нм наблюдались величины κ , практически совпадающие с поглощением чистой водой – порядка 0,005 1/м. Для поверхностных вод открытого океана, в которых типично положение минимума κ при 510 нм, его величина составляет порядка 0,01–0,02 1/м. В более мутных водах минимум сдвигается к 550 нм и величина κ в таких водах составляет около 0,04 1/м, а при измерениях в очень мутных водах Рижского залива в Балтийском море она составляла 0,25 1/м в области минимума на 570 нм.

Вид спектральных кривых κ ( λ ) в коротковолновой области зависит от соотношения между желтым веществом и пигментами фитопланктона. Если фитопланктона много, в синей области спектра наблюдается характерный максимум поглощения пигментами (кривая 4 на рис. 7). При преобладании желтого вещества синий максимум пигментов в спектрах поглощения океанской водой не проявляется, т.к. он сглаживается накладывающимся на него поглощением желтым веществом. Что касается красного максимума поглощения пигментами, он, как правило, в океанских водах не наблюдается. Его величина, обычно не превышающая 0,02 1/м, очень мала по сравнению с поглощением чистой водой в этой области спектра ( κ чв > 0,35 1/м), что затрудняет его обнаружение.

В области длин волн менее 500 нм желтое вещество является основным фактором, определяющим дисперсию спектров поглощения океанской водой – на его долю здесь приходится от 50 до 90%. Дисперсия показателя поглощения, связанная с пигментами фитопланктона, в этой области спектра не превышает 9%. От 10 до 30% общей дисперсии приходится на ковариацию желтого вещества с хлорофиллом, т.к. эти величины тесно связаны.

Источник