Поглощение света водой спектр

Поглощение света водой

Оптически чистая вода, то есть вода, свободная от окрашивающих веществ и механических примесей в определенной закономерности ослабляет световой поток

Поглощение водой светового монохроматического потока, образующего пучок параллельных лучей, определяется по показательному закону:

где F_k — световой поток, пропущенный слоем воды;

F₀ — входящий поток монохроматического света;

х — толщина слоя воды, через который проходит поток света, м;

k — показатель поглощения слоя воды, 1 /_м (обратные метры).

Рассмотрим график кривой поглощения для оптически чистой воды (рис. 1).

Рис. 1. Кривые поглощения, рассеяния и ослабления света оптически чистой водой. Изменение показателей k, σ, ε, зависящее от длины волны света

Морская вода, очищенная от механических примесей, практически обладает физическими характеристиками, близкими по значению к характеристикам оптически чистой воды. Из графика видно, что наименьшее поглощение соответствует длине волны света около 490 ммк (т. е. синему цвету) при k = 0,006 1 /_м. На этом участке спектра вода очень незначительно поглощает световой поток. Потери в таком случае составляют 1,5% при пути света длиной в 1 м. На участке спектра красного цвета с длиной волны около 720 ммк показатель поглощения достигает наибольшего значения. В этом случае k = 1 1 /_м, а на границе с ультрафиолетовым излучением —0,05 1 /_м.

Поглощение света в природной воде в области видимого спектра (с достаточной степенью точности) можно считать как сумму двух поглощений:

• поглощение света взвешенными в воде частицами
• поглощение света оптически чистой водой.

Наличие в природной воде взвешенных частиц, различных форм и материалов значительно увеличивает общее поглощение светового потока. На графиках (рис. 2) приводятся кривые поглощения света для морской воды.

Рис. 2. Показатели k, σ, ε для естественного водоема

Из сравнения кривых поглощения (см. рис. 1 и 2) видно, что в интересующей нас области спектра ослабление света происходит в основном поглощением его взвешенными частицами.

Морская вода имеет коэффициент поглощения больший, чем оптически чистая вода; речная и озерная воды обладают еще большим поглощением. Весьма прозрачные природные воды в видимой области спектра имеют значение k = 0,02 1 /_м, в то время как загрязненные воды могут иметь значение k = 2 1 /_м. На каждом метре природной воды может быть потеряно за счет поглощения от 5 до 99% падающего светового потока.

Поглощенный свет потерян для фотографирования; в этом случае поглощенная световая энергия расходуется на нагревание среды, заставляя колебаться материальные частицы. Непоглощенная световая энергия рассеивается частицами в разные стороны.

Потери от поглощения света в водной среде не могут сильно повлиять на получение качественных снимков. Эта потеря компенсируется применением светосильных объективов и высокочувствительных эмульсий негативных пленок. Хорошие результаты можно получить, снимая предметы под водой на близком расстоянии или пользуясь источниками искусственного света, увеличивая освещенность.

Но наибольшие затруднения при подводном фотографировании вызываются не поглощением света, а его рассеянием.

Источник

Поглощение света водой спектр

оЕ ВХДЕН РХФБФШ ТБУУЕСОЙЕ УЧЕФБ ОБ ЛБРЕМШЛБИ ЧПДЩ У ЙУФЙООЩН РПЗМПЭЕОЙЕН ЕЗП НПМЕЛХМБНЙ ЧПДСОПЗП РБТБ, Ф.Е. ЗБЪБ, ПДОПК ЙЪ УПУФБЧМСАЭЙИ ЪЕНОПК БФНПУЖЕТЩ.

ч УЙОЕК Й ЧЙЪХБМШОПК ПВМБУФСИ УРЕЛФТБ РТБЛФЙЮЕУЛЙ ОЕФ МЙОЙК ЙМЙ РПМПУ РПЗМПЭЕОЙС ЧПДСОПЗП РБТБ. зБЪППВТБЪОБС ЧПДБ РПЗМПЭБЕФ Ч ЛТБУОПК Й ЙОЖТБЛТБУОПК ЮБУФСИ УРЕЛФТБ. лПМЙЮЕУФЧП ЧПДСОПЗП РБТБ Ч БФНПУЖЕТЕ ЮБУФП ЙЪНЕТСЕФУС ЛПМЙЮЕУФЧПН ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ, Ф.Е. ЧЩУПФПК УМПС ЧПДЩ w (Ч НН ЙМЙ УН ), ЛПФПТБС ПВТБЪПЧБМБУШ ВЩ РТЙ РПМОПК ЛПОДЕОУБГЙЙ ЧПДСОПЗП РБТБ ЙЪ БФНПУЖЕТОПЗП УФПМВБ У РМПЭБДША ПУОПЧБОЙС 1 УН . пДОПНХ УБОФЙНЕФТХ ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ УППФЧЕФУФЧХЕФ ЛПМЙЮЕУФЧП ЧПДСОПЗП РБТБ, ЙНЕАЭЕЗП ЧЩУПФХ ПДОПТПДОПК БФНПУЖЕТЩ 1245 УН. лПМЙЮЕУФЧП ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ ОБ ХТПЧОЕ НПТС Ч ЪБЧЙУЙНПУФЙ ПФ НЕФЕПТПМПЗЙЮЕУЛЙИ Й ЗЕПЗТБЖЙЮЕУЛЙИ ХУМПЧЙК НЕОСЕФУС ПФ 0.65 ДП 17.5 УН. рТЙ РПДЯЕНЕ Ч БФНПУЖЕТЕ РМПФОПУФШ ЧПДСОПЗП РБТБ ХВЩЧБЕФ ВЩУФТЕЕ, ЮЕН РМПФОПУФШ ЧПЪДХИБ. рПЬФПНХ, ЕУМЙ НЩ ЧЕДЕН ОБВМАДЕОЙС, УЛБЦЕН, У ЧЩУПФЩ ПЛПМП 3000 Н ОБД ХТПЧОЕН НПТС, ЗДЕ БФНПУЖЕТОПЕ ДБЧМЕОЙЕ РТЙ ИПТПЫЕК РПЗПДЕ УПУФБЧМСЕФ РТЙНЕТОП 550 НН ТФ.УФ. (ОБРПНОЙН, ЮФП 1 НЙММЙНЕФТ ТФХФОПЗП УФПМВБ ЙОПЗДБ ОБЪЩЧБАФ 1 ФПТТЙЮЕММЙ ), ФП ОБ ЬФПК ЧЩУПФЕ БФНПУЖЕТОПЕ ДБЧМЕОЙЕ РБДБЕФ ОБ , Б РБТГЙБМШОПЕ ДБЧМЕОЙЕ ЧПДСОЩИ РБТПЧ ХНЕОШЫБЕФУС Ч УТЕДОЕН Ч 3.6 ТБЪБ.

оБ ТЙУ.4.9 РПЛБЪБОП РПМПЦЕОЙЕ ПУОПЧОЩИ РПМПУ РПЗМПЭЕОЙС ЧПДСОПЗП РБТБ Ч ПВМБУФЙ ЖПФПНЕФТЙЮЕУЛЙИ РПМПУ Й . ч ЬФПН УРЕЛФТБМШОПН ДЙБРБЪПОЕ РПЗМПЭЕОЙЕ Ч НБЛУЙНХНБИ РПМПУ ЧПДСОПЗП РБТБ УТБЧОЙФЕМШОП ОЕЧЕМЙЛП Й УПУФБЧМСЕФ Ч ЪЧЕЪДОЩИ ЧЕМЙЮЙОБИ — РТЙ ЛПМЙЮЕУФЧЕ ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ ПЛПМП 3 НН. ъБНЕФЙН, ЮФП ЬФП ПЮЕОШ ИБТБЛФЕТОПЕ ЛПМЙЮЕУФЧП ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ ДМС ЧЩУПЛПЗПТОЩИ ПВУЕТЧБФПТЙК. рПОСФОП, ЮФП РТЙ ЙЪНЕОЕОЙЙ ЛПМЙЮЕУФЧБ ЧПДСОПЗП РБТБ Ч БФНПУЖЕТЕ ЧЩ, ЙУРПМШЪХС ОЕРТБЧЙМШОПЕ ЛПМЙЮЕУФЧП ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ, РПМХЮЙФЕ ПЫЙВЛХ Ч ЧЕМЙЮЙОЕ ЧЩОПУБ. оБ ТЙУ.4.10 РПЛБЪБО ЗПДПЧПК ИПД ЛПМЙЮЕУФЧБ ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ Ч ъБЙМЙКУЛПН бМБФБХ (РП ДБООЩН е.ж.тЙЪПЧБ) ОБ ЧЩУПФЕ 2.8 ЛН ОБД ХТПЧОЕН НПТС, ЮФП УППФЧЕФУФЧХЕФ ТБУРПМПЦЕОЙА ПВУЕТЧБФПТЙЙ збйы.

дБООЩЕ ЧЩЧЕДЕОЩ ОБ ПУОПЧЕ ПВТБВПФЛЙ УЧЕДЕОЙК, РПМХЮЕООЩИ ЙЪ ЙЪНЕТЕОЙК РТЙ ЪБРХУЛБИ ЧЩУПФОЩИ ЫБТПЧ-ЪПОДПЧ. чЙДОП, ЮФП МЕФПН, ЛПЗДБ ФЕРМЩЕ ЧЕФТЩ ЙЪ ДПМЙОЩ бМНБ-бФЩ «ОБДХЧБАФ» Ч ЗПТЩ ЧПДСОПК РБТ, ЛПЗДБ ЙДЕФ ЙОФЕОУЙЧОПЕ ФБСОЙЕ МЕДОЙЛПЧ Й ЙУРБТЕОЙЕ ЧПДЩ, ЛПМЙЮЕУФЧП ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ РТЙВМЙЦБЕФУС Л 1 УН. ч ЪЙНОЙЕ НЕУСГЩ Ч УЕЧЕТОПН фСОШ-ыБОЕ ПЮЕОШ УХИП Й Ч ЧПЪДХИЕ ЧУЕЗП ПЛПМП 1 НН ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ. фБЛЙЕ ХУМПЧЙС СЧМСАФУС ЙДЕБМШОЩНЙ ДМС ЙЪНЕТЕОЙК Ч ЛТБУОПК Й ЙОЖТБЛТБУОПК ПВМБУФСИ УРЕЛФТБ, ЗДЕ ЙНЕООП РПЗМПЭЕОЙЕ ЧПДСОЩН РБТПН ЙЗТБЕФ ЗМБЧОХА ТПМШ. ч РПМПУБИ Й РТЙ ФБЛЙИ ЪОБЮЕОЙСИ ЧМЙСОЙЕН ЧПДЩ ЙОПЗДБ НПЦОП РТПУФП РТЕОЕВТЕЮШ. ъБЧЙУЙНПУФШ РПЗМПЭЕОЙС ЧПДСОЩН РБТПН ПФ ДМЙОЩ ЧПМОЩ ЮБЭЕ ЧУЕЗП ЪБДБЕФУС Ч ЖПТНЕ ФБВМЙГЩ, ЗДЕ РТЙЧПДЙФУС ПРФЙЮЕУЛБС ФПМЭБ , ПФОЕУЕООБС Л УМПА ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ ФПМЭЙОПК УН . дМС УМБВЩИ РПМПУ ПРФЙЮЕУЛБС ФПМЭБ РТПРПТГЙПОБМШОБ ЛПМЙЮЕУФЧХ ПУБЦДЕООПК ЧПДЩ Й РТПРХУЛБОЙЕ ЪЕНОПК БФНПУЖЕТЩ Ч ЪЕОЙФЕ, УЧСЪБООПЕ У ОБМЙЮЙЕН РПЗМПЭЕОЙС ЧПДСОЩН РБТПН, ЧЩТБЪЙФУС ЖПТНХМПК

Источник

Рассеяние и поглощение света в толще воды

Процессы поглощения и рассеяния определяются оптически­ми параметрами самой воды и находящимися в ней растворённы­ми и взвешенными веществами органического и неорганического происхождения. Вода, растворы и частицы имеют собственные коэффициенты поглощения и рассеяния. Ослабление потока из­лучения выражается коэффициентом аттенуации (к):

где а — поглощение, б — рассеяние.

В чистой воде рассеяние и поглощение происходят только на уровне молекул и ионов. Поглощение в чистой водой (рис. 45) минимально для волн длиной около 0,47 мкм [58]. В диапазоне волн более 0,6 мкм оно очень сильно увеличивается. Рассеяние b с увеличением длины волны сильно уменьшается. Ослабление (аттенуация) к в длинноволновом диапазоне света почти не отличается от поглощения вследствие очень малого рассеяния (рис. 45).

Рис. 45. Поглощение (а), рассеяние ( b) и ослабление (к) света чистой водой как функция длины волны [59]. (доступно только при скачивании полной версии)

Голубой цвет глубоких прозрачных вод возникает в результате сильного рассеяния в коротковолновой части светового потока молекулами воды. Так как вода содержит органические и неорганические примеси, происходят дополнительные побочные оптические процессы. Прозрачность и цвет воды изменяются.

В XIX веке швейцарский географ Ф.А.Форель изобрел прибор, измеряющий цвет воды. Он создал шкалу из химических растворов, всегда имеющих одни и те же оттенки. Шкалу эту называют ксантометром.

Необходимо было доказать очевидное. Цвет воды, как и цвет всякого тела, определяется способностью пропускать, или отражать какие-либо цвета солнечного спектра. Снег, например, отражает белый цвет, лед пропускает солнечный свет насквозь, и оттого прозрачный, а вода в океане пропускает и отражает одновременно голубой цвет спектра. При этом считалось, что сама вода абсолютно бесцветна.

В 1883 году бельгийский ученый Шпринг провел опыт с дистиллированной водой. Он доказал, что и в закрытой трубке даже очищенная вода некоторое время сохраняет голубой цвет, полученный от спектра.

Кроме того стало ясно, что цвет воды не зависит от мельчайших частичек, рассеивание которых является причиной небесной синевы. Шпринг доказал, что вода, попадая в лучи спектра поглощает красные и темные части спектра, а голубые пропускает, и сама становится голубой на некоторое время.

Кроме того на цвет воды в морях и океанах влияет ее химический состав. В океанах чаще всего темно-голубой цвет, только в некоторых местах он приобретает немного другой оттенок.

Случается, что океанская вода кажется красной или приобретает оливковый оттенок. Изучая явление, ученые пришли к выводу, что такое окрашивание происходит из-за водорослей, находящихся в воде и обладающих подобным цветом. Именно они придают океану такую тревожную окраску.

Взвешенные частички, которым небо обязано синевой, иногда все-таки попадают в океан. У берегов океанов часто можно обратить внимание на зеленые оттенки воды, что можно объяснить нахождением в ней взвешенных частичек. Но чаще всего мы можем любоваться голубой гладью океана.

Примеси в воде, которые влияют на направленный вверх от воды поток излучения, можно объединить в три группы [59]:

1. Желтое вещество (гели) – к нему относятся все растворенные в воде органические соединения, которые сильно поглощают ультрафиолетовые и голубые лучи, в связи с чем вода приобретает желто-бурый цвет.

2. Взвешенное вещество (твердый сток), под которым понимают все частицы, присутствующие в воде. Они обусловливают очень сильное рассеяние света в воде, которое слабо зависит от длины волны излучения. В эту группу входят глинистые минералы, песок, зерна и обломки кварца и других минералов, целые и разрушенные скелеты планктона и других организмов.

3. Фитопланктон образует третью, особую группу взвеси. Необходимый в его составе для фотосинтеза пигмент благодаря хлорофиллу дает очень сильные полосы поглощения в голубой и красной зонах спектра излучения, по которым и определяется фитопланктон.

Для дистанционного изучения твердого стока озер, рек и прибрежных вод океанов съемки лучше всего проводить в красной зоне спектра (0,6-0,7 мкм). В этой части спектра изменения возвращенного потока излучения от толщи воды, содержащей речную муть, сильнее, чем в более коротковолновом диапазоне.

На узкозональных снимках в красной зоне спектра воды с различным содержанием твердого стока (мутьевой взвеси) фронт и градиент различного содержания в толще воды речной мути (вид, размер и концентрация частиц) воспроизводятся особенно контрастно. Речь идет как об узкозональных фотоснимках, так и о сканерных изображениях. Так, наиболее подходящими для изучения твердого стока или речной мути вод оказываются изображения, полученные с помощью канала 5 многозонального сканера спутника «Лэндсат», т.е. в диапазоне 0,6-0,7 мкм (см. рис. 206-208).

снимки «Лэндсат» могут предоставить ценную информацию также для изучения современных геологических процессов в крупных внутриконтинентальных водоемах и в прибрежных водах. Это утверждение касается учета и контроля таких динамических процессов, как поведение потока, перенос и отложение осадков поверхностными водами. Принесенный взвешенный осадок изменяет спектральные свойства воды. На поверхности воды и до определения глубин «тучи» и «хвосты» содержащегося в воде осадка отражают падающее световое излучение. Поэтому воды, содержащие осаждаемые частицы, на черно-белых снимках «Лэндсат» всегда выделяются более светлыми серыми тонами по сравнению с темным серым тоном свободной от взвешенного осадка воды

Важным параметром при ДЗ является глубина проникновения сиг­нала. Она максимальна в чистой воде (в океане — 30-35 м, в озере Байкал — 40-45 м) и минимальна — с увеличением кон­центрации «мути», фитопланктона (рис. 3. 22). Глубина проник­новения ЭМИ зависит от длины волны. В океане при X =0,5—0,6 мкм (зелёный спектр) излучение проникает на 15-18 м, а при X =0,6—0,7 мкм всего на 3 м. Получение количе­ственной и качественной информации о примесях в воде и их концентрациях возможно по результатам многозонального ска­нирования.

Источник

Поглощение света водой спектр

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]

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]

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]

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]

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

Вам также может понравиться

Как экономить воду и энергию? Откройте для себя 13 эффективных способов сэкономить дома

Цены на продукты питания, энергию, топливо, а также

Дождевая вода в саду и на балконе – как ею пользоваться?

В России мы можем собирать дождевую воду наиболее эффективно

Ящерица бежит по воде мем

Ящерица Христа В тропических лесах Америки встречается

Ячневая крупа пропорции при варке с водой

Крупа ячневая: как варить вкусную кашу – хитрости