Поглощение видимого света водой

Ослабление света водой

Поглощение и рассеяние световой энергии водой ослабляет свет. Параллельный пучок световых лучей ослабляется по тому же показательному закону:

где F_ε — монохроматический световой поток, прошедший через слой воды;

ε — показатель ослабления.

Коэффициент пропускания водой направленного света θ зависит от показателя ослабления света и толщины слоя воды х:

Прозрачность характеризуется коэффициентом пропускания света толщей воды, равной 1 м.

Основную роль в ослаблении света для оптически чистой воды играет поглощение света водой. Однако в средней части видимого спектра становится заметным и рассеяние (см. рис. 1). Наибольшая прозрачность для чистой воды будет на участке спектра 460-520 ммк. (голубой и зеленый цвета). В этом случае слой воды толщиной 5 м в состоянии ослабить свет всего лишь как обычное оконное стекло (рис. 3). Минимальное значение ε равно 0,01 1 /_м, но оно резко возрастает к границам спектра.

Рис. 3. Спектральная прозрачность предельно чистой воды в сравнении с различной природной водой

Показатель рассеяния от для природных вод в верхних слоях водоема близок по значению к показателю поглощения k. Показатель рассеяния в этих случаях составляет 50-70% от показателя ослабления.

На практике прозрачность воды часто оценивают по глубине видимости белого диска диаметром 300 мм. Глубина видимости диска определяется как сумма двух измерений (глубины исчезновения диска при погружении и глубины появления диска при его подъеме), разделенная пополам.

Прозрачность воды и как оценка прозрачности — глубина видимости белого диска Z — зависят от ослабления освещенности (рассеяния и поглощения света водой). Для приближенных расчетов и определения показателя ослабления можно пользоваться формулой Гершуна:

Однако следует помнить, что для различных водоемов коэффициент меняется. По замерам Аткинса и Грехема, в водах Атлантического океана он равен 2,2.

Прозрачность природных вод различна как в разных водоемах, так и в одном и том же водоеме: она зависит от времени года, погоды, течений и ветров. Видимость белого диска для природных вод колеблется от нескольких десятков сантиметров до 70 м. В табл. 1 * приведены глубины видимости диска в различных водах мира. Из таблицы видно, что увеличение видимости белого диска возрастает при удалении от материкового берега.

* ( Упомянутые в тексте таблицы даны в приложении к книге.)

Прозрачность воды — один из основных факторов, влияющих на освещенность под водой.

Источник

Поглощение видимого света 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]

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