8.3. Поглъщане и разсейване на светлината в морето
Светлината е поток от частици, движещи се със скоростта на светлината. Елементарната частица светлина се нарича фотон, който е светлинният еквивалент на енергия. Фотоните с различна дължина на вълната съответстват на различни цветове и имат различна енергия. Броят на фотоните, които преминават през единица площ за секунда, определяинтензитета на светлината.
От оптична гледна точка морската вода е мътна абсорбираща среда. Светлинният поток, проникващ във водата и преминаващ през водния стълб, е отслабен поради абсорбция (преход на светлинна енергия в други форми на енергия) и разсейване. Когато се прилага към електромагнитно излъчване, абсорбцията (поглъщане) означава, че един или повече падащи фотони се улавят и тяхната енергия се абсорбира. Вместо да се абсорбират, фотоните могат да се разпръснат. Те могат да се разпръснат напред, назад и във всяка друга посока. Затихването на светлината съчетава ефектите както на абсорбцията, така и на разсейването. Той служи като мярка за това колко бързо светлината се разпада, докато преминава през морска вода.
Загубата на енергия на светлинен лъч с дължина на вълнатаλпоради абсорбция при преминаване през водния стълбzеIz=Ioe
Индекси на поглъщане χλ на вълните във видимата част на слънчевия спектър
Видима част от слънчевия спектър
Водата неравномерно поглъща светлинни лъчи с различна дължина на вълната, т.е. има селективна (избирателна) абсорбция. Индексите на поглъщанеχλна видимата част от слънчевия спектър за дестилирана вода са дадени в табл. 6.
Лъчите от червената част на спектъра (с дължина на вълната над 0,6 микрона) се абсорбират най-вече, късите (зелени, сини и виолетови лъчи с дължина на вълната под 0,5 микрона) почти не се абсорбират.Червената част от спектъра се абсорбира в повърхностния слой на морето, лъчите на зелената и особено синята част от спектъра проникват в дълбините, които формират цвета на морето и създават осветеност в дълбините. В резултат на поглъщането на червената част от спектъра кръвта на рибите на дълбочина 15 m ще бъде жълто-кафява, а на дълбочина 30-50 m зелена.
В допълнение към поглъщането, светлинните лъчи във водния стълб изпитват разсейване, в резултат на което светлинната енергия отслабва с дълбочина.
Разсейването на светлината е свързано с преминаването на светлината през нехомогенна среда. Хетерогенностите са водни молекули и суспендирани частици, които причиняват оптична нехомогенност на морската вода. Характерът на разсейването на светлината зависи от размера на разсейващите частици. Следователно те разглеждат отделно разсейването на светлината от частици, по-малки от дължината на вълната на падащата светлина - молекулярно разсейване, и разсейването на светлината от големи частици, съизмерими с дължината на вълната на падащата светлина.
Затихването на светлинния поток поради разсейване по време на преминаването на водния стълб се определя по формулатаIz=Ioe
Отслабването на енергията на светлинния поток поради разсейване зависи от дължината на вълната на светлинатаλ. Тя е обратно пропорционална на четвъртата степен на дължината на вълната на светлината. Следователно във водаталъчите от зелената и особено синята част на спектърас дължина на вълната по-малка от 0,5 микрона.
Това, например, обяснява синия цвят на небето: пряката слънчева светлина по пътя си през атмосферата претърпява разсейване, което е най-голямо в синята част на спектъра. Червеният цвят на Слънцето по време на изгрев и залез се обяснява по подобен начин: на малка надморска височина на Слънцето слънчевите лъчи трябва да проникнат през по-голям слой въздух, отколкото на голяма надморска височина. Поради това пряката слънчева светлина се лишава от голяма част от енергията, която идва в областта на късите сини вълни. Червените лъчи ще достигнат повърхността на Земята, след като са имали много по-малко разсейване.
Тези заключения се отнасят до разсейването на светлината от частици, малки в сравнение с дължината на вълната на светлината, т.е. случай на молекулярно разсейване. Наблюдава се, когато няма разтворени газове и примеси в суспензията в морската вода. Ако водата съдържа разтворени газове и примеси, тогава и двете могат да достигнат размери от порядъка на дължината на вълната на светлината и дори по-големи. Те ще предизвикат силно разсейване на светлината, което не се подчинява на законите на молекулярното разсейване.
Когато размерът на разсейващата частица е съизмерим с дължината на вълната на светлината, на нейната повърхност под въздействието на променливо електромагнитно поле, разпространяващо се по посока на светлинния поток, възникват не прости електромагнитни трептения, както при молекулярното разсейване, а сложни. Светлинният поток, който е проникнал под повърхността на морето, се разпръсква от всеки елементарен слой вода както напред, така и назад. И двата потока от своя страна се разпръскват в двете посоки (разсейване от втори ред). В зависимост от размера и природата на частиците възникват електромагнитни трептения не само от втори, но и от трети, четвърти ред и т.н. Общият ефект на разсейване от всеки елементарен слой представлява сложна картина на многократно разсейване на светлинните лъчи в морето.
В този случай модулът на разсейване се оказва многократно по-голям от модула на молекулярното разсейване. Ако при молекулярно разсейване a=1,56×10 -4, тогава в естествена морска вода, съдържаща суспендирани примеси, модулът на разсейване може да достигне 0,030. Следователно големите частици могат да причинят нетен ефект на разсейване, който е около 200 пъти по-голям от ефекта на молекулярното разсейване.
В резултат на комбинирания ефект на поглъщане и разсейване на светлината с дълбочина, светлинният поток отслабва и неговият спектрален състав се променя, тъй като индексите на поглъщане и разсейване зависят от дължината на вълната по различни начини.Дълговълновите лъчи (>0,6 микрона) се абсорбират главно от повърхностен слой с дебелина няколко метра, разсеяната зелено-синя част от спектъра ромът преобладава по-дълбоко.
В природата процесите на поглъщане и разсейване на светлината действат едновременно. Следователно, когато светлината проникне в дълбините на морето, нейното отслабване ще настъпи поради двата процеса.
Обща сумаотслабването на светлинния поток поради абсорбция и разсейване ще бъде равно наIz=Ioe
Разстоянието z =
В чистата океанска вода отслабването на светлината е минимално и се определя главно от поглъщането на светлината. Разсейването на светлината е от същия порядък с поглъщане само в синята част на спектъра (от 0,3 до 0,5 микрона) с максимум при дължина на светлинната вълна 0,460 микрона. При дължини на вълните, по-дълги от 0,580 μm, фракцията на разсейване в общото затихване на светлината не надвишава 1%.
С увеличаване на мътността на водата, обикновено наблюдавана при приближаване до брега, стойността на разсейването в общото затихване се увеличава поради наличието на големи суспендирани частици във водата. В същото време се увеличава и поглъщането от големи частици, което води до общо увеличение на общото затихване и изместване на минимума на затихване към зоната на по-дългите вълни.
Зависимостта на затихването на светлината от дължината на вълната и наличието на примеси определя общоприетите оптични характеристики - прозрачността на морската вода и цвета на морето.