Свет в море - [29]
Прежде чем перейти к физическим причинам, обусловливающим «собственный» цвет моря, подведем некоторые итоги.
Свет, попадающий в глаз наблюдателя, созерцающего морскую поверхность, складывается из двух световых потоков: во-первых, это свет солнца, неба и облаков, зеркально отраженный поверхностью моря; во-вторых, это свет, вышедший из морских глубин.
Доля отраженного света в общем потоке зависит главным образом от коэффициента отражения поверхности и меняется в зависимости от степени взволнованности моря и от угла наблюдения.
«Собственный» цвет моря определяется спектральным составом светового потока, выходящего из толщи моря. Он зависит от того, каким светом освещается поверхность, и от оптических свойств морской воды. Различием этих свойств в разных водах и объясняется многообразие в цвете морей.
Свет, «возвращенный» морем
В 1903 г., исследуя воды баварских озер, немецкий исследователь Ауфзесс пришел к выводу, что все оттенки их цвета объясняются красящими веществами, примешанными к воде; все дело лишь в избирательном поглощении.
Но ведь мы знаем, что без рассеяния ни один луч света вообще бы не вышел из-под поверхности моря. Тогда Черное море вполне бы оправдало свое название, да и поверхность других морей и океанов (не учитывая отраженный свет) представлялась бы абсолютно черной.
Так значит главное — рассеяние? Подобное мнение высказывали некоторые ученые во главе с Рэлеем, однако и эта точка зрения была ошибочной.
Если бы не было поглощения, практически весь свет, попавший в море, выходил бы в конце концов из-под его поверхности и, следовательно, окраска выходящего светового потока совпадала бы с окраской падающего света. Ни о каком «собственном» цвете моря не было бы и речи.
А истина находилась между этими двумя мнениями. В 1922 г. Ч. Раман и В. В. Шулейкин одновременно и независимо один от другого пришли к выводу, что цвет моря обусловлен совместным действием рассеяния и поглощения.
Солнечный свет, распространяющийся в глубь моря, по пути рассеивается морской водой. Большая его часть по-прежнему движется в глубь моря, а небольшая доля рассеяна назад и образует восходящий световой поток.
Раман, изучавший прозрачные воды Бенгальского залива, учитывал рассеяние лишь самой воды, а рассеянием взвешенными в морской воде частицами пренебрегал. Выведенная им формула применима лишь к чистым океанским водам.
Теория Шулейкина, включающая формулу Рамана как частный случай, более общая. Она учитывает световые потоки, пришедшие к поверхности моря с различных горизонтов, а также вторично рассеянный свет (т. е. ту часть восходящего светового потока, которая, двигаясь к поверхности, была сначала отброшена назад в глубь моря, а потом в результате вторичного рассеяния снова стала двигаться к поверхности) и свет всех больших кратностей рассеяния. При выводе формулы предполагалось, что море освещается потоком параллельных лучей, отвесно падающих на его поверхность.
В 1923 г. А. Г. Гамбурцев дал более строгий и более общий вывод формулы цвета моря. Он составил систему двух дифференциальных уравнений для нисходящего и восходящего световых потоков, решение которой позволяет найти спектральное распределение этих потоков на любой глубине, в том числе и на поверхности. Подставляя в формулы Гамбурцева соответствующие значения оптических характеристик морской воды (показателей поглощения и рассеяния, индикатрисы рассеяния), можно получить спектральную кривую распределения выходящего из моря излучения для любой точки Мирового океана.
Формулы Гамбурцева достаточно сложны, и мы не будем их приводить. Рассмотрим лишь качественную картину явлений, обуславливающих различия в цвете морей и океанов.
Как известно, в морской воде происходит рассеяние двух типов: молекулярное и частицами.
Индикатриса молекулярного рассеяния симметрична относительно плоскости, перпендикулярной направлению падающего луча, — назад рассеивается ровно столько света, сколько вперед. При рассеянии частицами количество света, рассеянного вперед, почти в 50 раз превышает световой поток, рассеянный назад.
Интенсивность молекулярного рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (например, синий свет с длиной волны 440 нм рассеивается в 5 раз интенсивнее красного с длиной волны 660 нм). Рассеяние частицами морской взвеси слабоселективно: его интенсивность почти не зависит от длины волны.
Индикатриса рассеяния морской воды также резко вытянута в направлении падающего света: угловое распределение рассеянного света определяется главным образом взвешенными частицами. Даже в чистой океанской воде рассеяние молекулами воды составляет всего лишь 7 % от общего, однако на углах, больших 90°, оно играет первостепенную роль, создавая около 2/3 общей интенсивности. В чистых океанских водах для угла 90° интенсивность молекулярного рассеяния составляет 70 % от общей интенсивности, а для угла 135° — даже 83 %. В таких водах рассеяние назад, а стало быть, и восходящий световой поток создаются в основном молекулярным рассеянием. Окраска потока благодаря резкой селективности молекулярного рассеяния фиолетово-синяя.
