Свет в море

Свет на поверхности моря

Изучая естественный свет в толще моря, мы прежде всего должны задаться вопросом: что представляет собой свет, освещающий его поверхность?

Каждую секунду в результате ядерных реакций в недрах Солнца 564 млн. т водорода превращаются в 560 млн. т гелия; 4 млн. т солнечного водорода излучаются в космос в виде тепла и света.

Энергетическая мощность излучения Солнца оценивается в 3,86∙10²³ квт. Если выразить энергию Солнца в калориях в секунду и просуммировать всю энергию, излучаемую им за год, мы получим величину, примерно равную 3∙10³³ кал. Конечно, наша планета из этого количества получает ничтожную часть — всего лишь около одной двухмиллиардной доли, т. е. 10²⁴ кал., но и это — огромное количество энергии.

Основной характеристикой излучательной способности Солнца принято считать солнечную постоянную, т. е. мощность солнечного излучения, приходящегося на один квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к падающим лучам и расположенной вне земной атмосферы. Более ли менее точно измерить непосредственно величину солнечной постоянной удалось лишь с открытием космической эры. По современным данным, она составляет 2,00 кал/мин∙см², или 1394 вт/м².

При прохождении земной атмосферы энергия прямого солнечного излучения ослабевает, частично поглощаясь и частично рассеиваясь. Величина энергии, достигающей поверхности моря, не является постоянной, так как зависит от многих факторов. Чем ниже над горизонтом Солнце, тем большую толщу атмосферы надо преодолеть его лучам и тем больше, следовательно, потери на поглощение и рассеяние. Если путь, который проходит луч в атмосфере, когда Солнце находится в зените, принять за единицу (в метеорологии ее называют «масса атмосферы»), то из приведенных данных можно наглядно представить себе, насколько этот путь увеличивается при понижении высоты Солнца.

Таким образом, когда Солнце только взошло над горизонтом, его лучам надо преодолеть толщу атмосферы в 27 раз большую, чем когда оно находится в зените. Вторым основным фактором, значительно влияющим на ослабление потока солнечной радиации, является прозрачность атмосферы в данном конкретном месте и в данный момент. Чем больше частичек пыли, капель воды, кристалликов льда содержится в атмосфере, тем менее она прозрачна и тем большие потери солнечной энергии мы наблюдаем.

Несмотря на эти потери, поверхность моря получает огромное количество энергии. Так (правда, с большим приближением), можно считать, что в летнее время при высоком положении Солнца один квадратный метр морской поверхности подвергается действию светового излучения мощностью около одного киловатта. Безусловно, эта величина изменяется в очень широких пределах в зависимости от географической широты места и времени года. Эти изменения наглядно иллюстрируются графиком на рис. 24.

Итак, мы кратко рассмотрели энергетическую характеристику прямой солнечной радиации, достигающей поверхности моря. Для оптики моря не меньший интерес представляет спектральный состав солнечного излучения, так как он в основном определяет характер тех оптических процессов, с которыми мы имеем дело при изучении света в море.

Тонкий, поверхностный слой Солнца, имеющий толщину всего около 100–200 км (называемый фотосферой), излучает в пространство энергию в весьма обширном диапазоне длин волн от 100 нм до 30 000 нм. К счастью для всего живущего на Земле, наша атмосфера вносит существенные поправки в этот спектр солнечного излучения. Так, слой озона, опоясывающий земной шар на высоте 40–50 км, поглощает всю ультрафиолетовую радиацию Солнца с длинами волн меньше 290 нм. В противном случае Земля была бы мертва, ибо ультрафиолетовое излучение более коротких длин волн губительно для живых организмов. Значительная часть инфракрасного излучения также поглощается атмосферой. Поэтому спектральный состав энергии; который мы можем измерить у поверхности моря, сильно отличается от излучаемого Солнцем. Так же как общая величина энергии, достигающей поверхности моря, ее спектр зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния прозрачности атмосферы. Распределение энергии в спектре Солнца при абсолютно чистой и не содержащей влаги атмосфере (т. е. в идеальных условиях) показано на рис. 25. С уменьшением высоты Солнца меняется спектральный состав его излучения. Максимум постепенно смещается в более длинноволновую часть спектра, интенсивность излучения становится все меньше и меньше.

Рис. 24. Зависимость облученности поверхности моря от географической широты и времени года (широта: 1—35°; 2—45°; 3—55°; 4—65°)

Рис. 25. Распределение энергии в спектре солнечного излучения при различных высотах Солнца и в условиях идеальной атмосферы

Для оптики моря особый интерес представляют те перемены, которые происходят с изменением высоты Солнца в видимой области спектра, т. е. в диапазоне длин волн от 400 до 760 нм. Как меняется в спектре доля видимого излучения? Это можно узнать из табл. 1, где в процентах к общему излучению приведены данные для ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра.

Таблица 1

Внимательно присмотревшись к этой таблице, можно обнаружить одно примечательное явление. Начиная с высоты Солнца 20° соотношение видимого и инфракрасного излучения изменяется незначительно, тогда как доля ультрафиолетового излучения увеличивается больше чем в два раза.

Поверхность моря освещается не только прямыми лучами Солнца, но и светом, идущим от небосвода, т. е. лучами Солнца, рассеянными атмосферой. Эта рассеянная радиация обладает спектральным составом, отличающимся от спектра прямого излучения Солнца и весьма к тому же изменчивым в зависимости от характера и количества облаков, покрывающих небо. Чтобы наглядно представить себе, насколько разнообразен спектральный состав света, освещающего поверхность моря, обратимся к рис. 26, где показано, как резко отличны спектры прямого и рассеянного солнечного излучения. Для удобства сопоставления кривых излучение, имеющее длину волны 560 нм, принято условно за 100 единиц.

Рис. 26. Спектральный состав суммарной 1, рассеянной 2 и прямой 3 солнечной радиации

Вклад рассеянного света в общее излучение, которое падает на поверхность моря, непостоянен и зависит от высоты Солнца.

При низких положениях Солнца над горизонтом вклад весьма велик.

С каким же в конечном счете светом мы имеем дело, когда говорим об освещении поверхности моря? Однозначно на этот вопрос ответить невозможно. Слишком много факторов оказывает влияние как на абсолютную величину падающей энергии, так и на ее спектральный состав: высота Солнца, прозрачность атомосферы, характер облачности и др. Целесообразнее всего рассматривать суммарную радиацию, т. е. сочетание прямого и рассеянного излучения.

Распределение энергии в спектре суммарной радиации иллюстрируется кривой 3 (см. рис. 26). Естественно, что суммарная радиация подвержена тем же изменениям, которые свойственны и составляющим ее частям. О непостоянстве в характере света, освещающего поверхность моря, хорошо сказано в книге «Прозрачность и цвет моря»: «Так называемый дневной свет, являющийся отправной точкой для всевозможных гидрооптических расчетов, сам является малоопределенным понятием в силу изменчивости его интенсивности, спектрального состава и распределения яркости по небесной сфере»[16].

Если при этом учесть, что условия освещенности моря меняются не только в течение дня, но зависят и от географической широты места, и от времени года, то станет понятной вся сложность определения этой «отправной точки». Поэтому при проведении большинства гидрооптических исследований приходится одновременно с измерениями света в море вести непосредственные наблюдения за радиацией, падающей на его поверхность.

Распространение солнечного света в толще моря

…Ясный солнечный полдень. На море — штиль. Оно почти недвижимо, его поверхность как зеркало. Правда, качество этого зеркала неважное: ведь, когда Солнце находится в зените, поверхность моря отражает совсем мало света — всего лишь 2 % от падающего светового потока, а остальные 98 % проникают в воду. С уменьшением высоты Солнца, т. е. с увеличением угла падения лучей (рис. 27), доля отраженного света увеличивается, приближаясь к 100 %, когда Солнце склоняется к горизонту (рис. 28).

Солнечные лучи, вошедшие в воду, при переходе через поверхность моря преломляются, т. е. изменяют свое направление. Еще древние греки ломали голову, пытаясь найти связь между углами падения и преломления. Сохранилась таблица точных измерений углов падения и преломления света в воде, проведенных еще в 140 г. до н. э. знаменитым греческим астрономом Клавдием Птолемеем. Однако закон, связывающий угол преломления луча с его углом падения, удалось сформулировать голландскому математику Виллеброрду Снеллиусу лишь в 1621 г.: «Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная».

Математически его можно записать в виде формулы: sin α / sin γ = n; α здесь угол падения лучей, γ — угол преломления (см. рис. 27). Постоянная для данных двух сред величина п носит название показателя преломления.

Угол преломления лучей можно непосредственно выразить через их угол падения: sin γ = 1 / n ∙ sin α. Так как показатель преломления морской воды относительно воздуха равен приблизительно 1,34, то в рассматриваемом нами случае: sin γ ≈ 0,746 sin α.

Наибольший возможный угол падения лучей 90° (это означает, что лучи скользят по самой поверхности). Синус 90° равен единице, синус угла преломления — 0,746, что соответствует углу примерно 48°. Таким образом, как бы велик ни был угол падения лучей на гладкую поверхность моря, угол преломления не может превысить 48°. Это означает, что любой луч, проникающий в воду, отклонен от вертикали не более чем на 48°. В воде нет прямых солнечных лучей других направлений.

Наоборот: из воды в воздух могут выйти только лучи, распространяющиеся в воде под углом не более чем 48° от вертикали, а все другие будут полностью отражаться от поверхности моря обратно в воду (это явление называется полным внутренним отражением).

Попробуем в тихий солнечный день лечь под водой на спину и посмотреть вверх. Мы увидим над головой большой светлый круг, образованный светом, прошедшим через поверхность моря. Что касается лучей, падающих сбоку, то все они испытали полное внутреннее отражение от поверхности воды, и вне пределов светлого круга мы будем видеть лишь отраженное изображение слабо освещенного дна (рис. 29).

Рис. 27. Прохождение света через поверхность моря

Рис. 28. Зависимость коэффициента отражения от угла падения лучей

Рис. 29. Что мы видим из-под воды

Волнение значительно усложняет описанную выше картину. Когда на море волны, лучи Солнца встречают искривленную морскую поверхность в разных точках под разными углами. Соответственно различен и коэффициент отражения света поверхностью моря в разных точках, зависящий (см. рис. 28) от угла падения лучей.

Если Солнце находится высоко над горизонтом, средний угол падения лучей на волнующуюся поверхность моря больше, чем при штилевой погоде. Увеличивается общее количество света, отраженного морской поверхностью, и соответственно уменьшается количество света, вошедшего в воду. При высотах Солнца от 55 до 90° коэффициент пропускания света поверхностью моря уменьшается от 97–98 % в штилевую погоду до 94 % при волнении больше одного балла. Наоборот, при низком Солнце становится заметным затенение гребнями волн горизонтальных участков поверхности. Отражение света происходит от крутых участков поверхности гребней, для которых угол падения, солнечных лучей мал. В результате этого значительно увеличивается коэффициент пропускания света поверхностью моря: при высоте Солнца 10° этот коэффициент возрастает от 72 % для штилевой погоды до 83 % при наличии волн.

При высотах Солнца, близких к 25°, влияние волнения практически не сказывается: пропускание света и для штилевой и для ветреной погоды составляет приблизительно 90 %.

Исследователи, измерявшие с помощью подводного фотометра освещенность под самой поверхностью моря, столкнулись с одним загадочным явлением: в ветреные дни освещенность на 15–30 % меньше значения, которое получается из измерений отраженного светового потока. В мертвый штиль этого явления не наблюдается. Куда же исчезает солнечная энергия?

Было выдвинуто несколько гипотез. Одна из них предполагала существование непосредственно под поверхностью моря относительно непрозрачного слоя воды толщиной от нескольких сантиметров до 1–2 м. Сильно взмученный и наполненный воздушными пузырьками слой считался виновником необъяснимой потери световой энергии. Эта гипотеза вызвала большие сомнения и была отвергнута более поздними исследованиями.

Объяснение таинственному «эффекту поверхностной потери» дал А. А. Гершун.

На рис. 30 видно, как волнение перераспределяет освещенность на горизонтальной поверхности. Мелкие волны ряби действуют на падающие лучи света как собирательные и рассеивающие цилиндрические линзы. Они фокусируют солнечные лучи в небольших объемах, создавая в других областях заметные разрежения света. По теоретическим расчетам, сфокусированные волнами световые лучи могут создавать на глубинах до 6–9 м освещенность, в 8 раз превышающую среднее для данного горизонта значение. Но так как области сгущения света занимают объем гораздо меньший, чем области пониженной освещенности, подводный фотометр будет показывать значение освещенности ниже средней. Поверхность моря динамична, и время от времени стрелка измерительного прибора резко отклоняется в сторону больших значений освещенности — это через место расположения фотоэлемента под водой проходит фокус «волновых линз».

Рис. 30. Объяснение «эффекта поверхностной потери»

Есть предположения, что прерывистость и неравномерность подводного освещения в поверхностных слоях моря влияют на процесс фотосинтеза и первичную продукцию.

Ослабление солнечного света с глубиной

Дальнейшую судьбу света, попавшего в воду, определяют два физических процесса: поглощение и рассеяние. В морской воде рассеяние, как правило, значительно интенсивнее поглощения, и вследствие этого свет в море рассеивается многократно. Каждый фотон успевает несколько раз изменить направление своего движения, прежде чем будет поглощен средой.

С увеличением глубины количество прямого солнечного света уменьшается по сравнению с рассеянным, который становится преобладающим. Кроме того, в море всегда попадает свет, рассеянный атмосферой. Распространяясь вглубь, он также подвергается поглощению и рассеянию.

Так как индикатриса рассеяния морской воды резко вытянута в направлении падающего пучка, то в процессе рассеяния подавляющая часть фотонов солнечного света незначительно изменяет направление своего движения и по-прежнему распространяется в глубь моря. Лишь небольшая доля рассеянного света направлена вверх и создает в море восходящий световой поток.

Мы уже говорили о том, что попавшие в воду световые лучи отклонены от вертикали не более чем на 48°. Если бы в море не было рассеяния, то, нырнув на глубоком месте (где можно пренебречь отражением от дна), мы увидели бы свет только по этим направлениям, а снизу и сбоку нас окружал бы сплошной мрак.

Благодаря многократному рассеянию все море буквально пронизано светом: через любую точку под водой проходит бесчисленное множество световых пучков самых различных направлений. «Как только наши глаза оказывались под водой, — рассказывает Тур Хейердал, — источник света — в отличие от нашего надводного мира — как бы переставал существовать. Преломленные лучи доходили до нас не только сверху, но и снизу; солнце больше не сияло, оно было повсюду… Здесь внизу свет отличался изумительной ясностью и действовал на нас, привыкших на палубе к тропическому солнцу, очень успокаивающе. Даже тогда, когда мы смотрели вниз, в бездонную глубину океана, где царит вечная черная ночь, эта ночь являлась нам окрашенной в приятный голубой цвет, так как от нее отражались солнечные лучи»[17].

Для того чтобы нагляднее представить, как распределяется излучение по различным направлениям, разложим мысленно в какой-нибудь точке под водой нисходящий и восходящий световые потоки на «элементарные» световые пучки. Проведем из рассматриваемой точки в направлении каждого пучка отрезок, пропорциональный его яркости. Затем, соединив концы отрезков, получим замкнутую поверхность. Объемное тело, ограниченное этой поверхностью, называется телом яркости.

Форма тела яркости дает представление о структуре светового поля в данной точке. Например, параллельный пучок света имеет тело яркости в виде прямолинейного отрезка в направлении этого пучка, а излучение, рассеянное равномерно по всем направлениям, имеет тело яркости в виде шара.

Рис. 31. Изменение формы тела яркости с глубиной

1—4 м; 2—10 м; 3—17 м; 4—29 м; 5—41 м; 6—54 м; 7—66 м

Под совместным воздействием рассеяния и поглощения форма тела яркости в море изменяется с глубиной (рис. 31).

Вблизи поверхности преобладает прямой солнечный свет. Тело яркости резко вытянуто в направлении солнечных лучей, особенно при безоблачном небе. В результате рассеяния вытянутость тела яркости уменьшается с глубиной, оно укорачивается и становится более округлым. Кроме того, меняется и направление преимущественного распространения излучения: световые пучки, значительно отличающиеся от вертикальных, проходят в воде больший путь и, следовательно, ослабляются с глубиной сильнее. Таким образом, ось тела яркости с глубиной постепенно поворачивается до тех пор, пока не совпадет с вертикалью (см. рис. 31).

На достаточно больших глубинах тело яркости приобретает постоянную форму. Такое установившееся распределение излучения на глубине называют глубинным режимом. Важно отметить, что форма тела яркости в глубинном режиме зависит от оптических свойств морской воды в данном месте, а условия внешнего освещения и состояние поверхности моря не играют никакой роли. Например, в полностью рассеивающей среде (поглощение отсутствует) глубинное тело яркости независимо от внешнего освещения имеет форму шара, а в полностью поглощающей среде (рассеяние отсутствует) оно изображается прямолинейным отрезком. В промежуточных случаях тело яркости в глубинном режиме представляет собой тело вращения относительно вертикальной оси, вытянутость которого зависит от соотношения между рассеянием и поглощением, а также от формы индикатрисы рассеяния.

Существование глубинного режима предсказал академик В. А. Амбарцумян. Экспериментальное подтверждение этого интересного явления было получено сначала на модельных средах, а затем и непосредственно в море.

В Морском гидрофизическом институте В. А. Тимофеева детально исследовала условия наступления глубинного режима и установила зависимость формы углового распределения яркости от соотношения между рассеянием и поглощением. Она использовала молочные и канифольные среды, поглощение в которых изменялось путем добавления красителя в различных концентрациях. Глубина, на которой устанавливается постоянная, форма тела яркости, зависит от соотношения между рассеянием и поглощением и от индикатрисы рассеяния. В сильно поглощающей среде глубинный режим наступает только при очень значительном ослаблении первоначального светового потока. Море с этой точки зрения представляет собой идеальный объект для изучения глубинного режима — ведь в морской воде рассеяние, как правило, значительно превышает поглощение. Измерения Института океанологии показали, что в Черном море постоянная форма тела яркости устанавливается на глубине лишь немного больше 100 м. В более прозрачном Средиземном море это явление осуществляется только на 200-метровой глубине.

Наступление глубинного режима в значительной степени зависит от того, как освещается поверхность моря. При облачном небе, когда прямых солнечных лучей нет, глубина его установления значительно меньше, чем при наличии направленного солнечного излучения.

Спектральный состав солнечного света на различных глубинах

Мы уже знаем, как происходит ослабление направленного светового пучка в светорассеивающей среде, как формулируется закон Бугера, что такое показатель ослабления света. Если рассматривать поведение не какого-то отдельного светового пучка, а, всего потока света, распространяющегося от поверхности в глубь моря, то мы увидим, что ослабление этого потока с глубиной в первом приближении также подчиняется показательному закону: Ф_z = Ф₀∙10^-αz (Ф₀ — величина светового потока непосредственно под поверхностью моря; Ф_z — величина потока, достигающего глубины z). Показатель α в этой формуле носит название показателя вертикального ослабления и его не следует путать с показателем ослабления ε. Эти два показателя значительно отличаются друг от друга по величине. Показатель ослабления ε используется для оценки ослабления светового пучка, распространяющегося в каком-то одном направлении, и складывается из поглощения и всего рассеяния. Показатель вертикального ослабления α характеризует ослабление всего нисходящего светового потока в море (т. е. потока, составленного из множества «элементарных» световых пучков различных направлений). Он складывается из поглощения и лишь небольшой доли рассеяния (ведь мы уже говорили, что большая часть рассеянного света по-прежнему распространяется в глубь моря). Ясно, что показатель вертикального ослабления α будет всегда значительно меньше, чем показатель ослабления ε. Например, в Черном море, когда показатель ослабления ε составлял 0,17 м^-1, показатель вертикального ослабления а оказался равным всего лишь 0,04 м^-1.

Столь большая разница имеет огромное значение для распространения света в море. Действительно, ослабляясь со значением показателя 0,04 м^-1, нисходящий световой поток на глубине 100 м уменьшается в 10 000 раз, в то время как, если бы он ослаблялся со значением показателя 0,17 м^-1, он уменьшился бы на этой глубине в 100 000 000 000 000 000 раз, т. е. его практически нельзя было бы обнаружить. На величину показателя вертикального ослабления α влияет характер освещения поверхности моря (в верхних слоях он зависит от высоты Солнца) и глубина. Это происходит и благодаря неоднородности оптических свойств морской воды по вертикали и вследствие изменения с глубиной состава излучения. После наступления глубинного режима показатель α уже не меняется и его значение зависит только от оптических свойств среды.

Величина показателя вертикального ослабления α зависит от длины волны света. Различные участки солнечного спектра ослабляются в море неодинаково, и спектральный состав света с глубиной изменяется.

Известно, что спектральные зависимости поглощения и рассеяния света в морской воде различны в разных водах. Вследствие этого по-разному зависит от длины волны света и показатель вертикального ослабления α. Эти различия легли в основу классификации типов морских вод, разработанной Н. Ерловым.

Океанские воды делятся на три основных типа, причем между типами I и II находятся еще два промежуточных (IA и IB). Прибрежные воды более разнообразны по своим свойствам: основываясь на результатах своих измерений вблизи побережья Скандинавии и Северо-Западной Америки, Ерлов подразделил их на девять типов. На рис. 32 и 33 показано, как уменьшается с глубиной нисходящий световой поток в водах различного типа, и даны спектральные кривые пропускания этих вод. Рис. 34 иллюстрирует спектральное распределение солнечного света на различных глубинах в самых чистых океанских водах.

Общим свойством всех типов морской воды является сильное ослабление с глубиной красного участка спектра. Исчезновение красного света из распространяющегося в глубь моря светового потока может привести к неожиданным цветовым эффектам под водой. Об одном из таких эффектов рассказывают Ж.-И. Кусто и Ф. Дюма. Удивительная картина открылась перед ними, когда на глубине нескольких десятков метров Дюма (Диди) ранил гарпуном большую рыбу-лихию:

«…Кровь была зеленая! Ошеломленный этим зрелищем, я подплыл ближе, глядя на струю, вместе с которой из сердца рыбы уходила жизнь. Она была изумрудного цвета. Мы недоумевающе переглянулись. Сколько раз мы плавали среди лихий, но никогда не подозревали, что у них зеленая кровь. Крепко держа гарпун со своим поразительным трофеем, Диди пошел вверх. На глубине пятидесяти пяти футов кровь стала коричневой. Двадцать футов — она уже розовая, а на поверхности растеклась алыми струями»[18].

Рис. 32. Ослабление нисходящего светового потока с глубиной в водах различных типов (% от падающего на поверхность)

Рис. 33. Спектральные кривые пропускания (% на 1 м) исходящего светового потока водами различных типов

Рис. 34. Спектральное распределение света на разных глубинах в самых чистых океанских водах

Для того чтобы понять причины этого интересного явления, нужно выяснить, а чем же вообще определяется видимый цвет какого-либо предмета. Ответить коротко на этот вопрос не просто — ведь восприятие цвета человеческим глазом вызывается рядом причин. Главная из них — спектральный состав света, отраженного предметом. Каждая поверхность отражает свет различных спектральных участков по-разному. Например, красный цвет объекта означает, что он отражает красные лучи лучше других. Цвет предмета зависит и от того, каким светом он освещен. Так, если направить на красный предмет световой пучок, в котором красный цвет практически отсутствует, предмет уже не будет казаться красным (если красного цвета нет в падающем пучке, его не будет в отраженном).

Освещая ярким белым светом морские глубины, можно увидеть настоящие цвета подводного царства. Вот как описывают богатство его красок авторы книги «В мире безмолвия»:

«На глубине ста пятидесяти футов Диди навел рефлектор на склон рифа и включил свет. Риф буквально взорвался красками!

Луч света выявил ослепительную гамму; преобладали сочные оттенки красного и оранжевого цветов. Яркость красок напоминала о картинах Матисса. Впервые после сотворения мира озарилось светом все великолепие палитры сумеречной зоны. Мы упивались невиданным зрелищем. Даже рыбы никогда не видели ничего подобного. Почему такое богатство оттенков собралось там, где нельзя его оценить? И почему в глубинах преобладал красный цвет, который первым отфильтровывается в верхних слоях? Какие краски таятся еще глубже, в области вечного мрака?»

Существует ли предельная глубина проникновения солнечного света?

Многие исследователи часто задавали вопрос: а на какой глубине в море вообще исчезает солнечный свет? Подобную задачу в общем виде еще два века назад сформулировал Пьер Бугер: «Зная из опыта уменьшение, претерпеваемое светом при прохождении известной толщи прозрачного тела, определить толщину, которую необходимо придать телу, дабы сделать его непрозрачным»[19].

При этом Бугер считал, что Солнце становится полностью невидимым, если его свет ослабить в 900 млрд. раз.

Мы легко можем найти такую глубину в море, если зададимся соответствующим значением показателя вертикального ослабления α. В прозрачных водах для сине-зеленого участка спектра оптимальная величина α равна приблизительно 0,02 м^-1. Подставляя это значение α в формулу: Ф_z / Ф₀ = 10^-αz, без труда находим глубину, на которой солнечный свет ослабляется в 10¹² раз: z = 12 / 0,02 = 600 м. В более мутных водах эта глубина, естественно, будет значительно меньше.

Американский биолог Биб, опустившись в батисфере почти на километровую глубину, смог собственными глазами увидеть наступление этого «царства вечной ночи»: «Тьма на глубине 750 метров казалась черней, чем можно вообразить, — и все же теперь (на глубине около 1000 м) она казалась чернее черного. Казалось, все предстоящие ночи в верхнем мире будут восприниматься только как относительные ступени сумерек. И никогда более не мог я применять слово „черный“ с твердым убеждением»[20].

И все же современные приемники света — фотоэлектронные умножители — позволяют фиксировать наличие солнечного света и на таких глубинах. Ведь самые чувствительные из этих приемников способны улавливать даже отдельные фотоны!

Расчет показывает, что если в ясный солнечный день опустить такой приемник на глубину 1000 м, то в прозрачных водах (со значением показателя вертикального ослабления α=0,02 м^-1) он будет регистрировать попадание примерно одного фотона в секунду.

Солнечный свет проникает и на большие глубины. Глубины 1200 м достигнет лишь один фотон из каждых 10²⁴, падающих на поверхность моря; здесь наш приемник фиксировал бы попадание фотона примерно один раз в сутки. На глубине 1500 м — один раз в 300 лет!

Вероятность проникнуть на дно Марианской впадины — самого глубокого места в океане — у фотона солнечного света настолько мала, что вряд ли такое событие произойдет хотя бы один раз за всю историю человечества.

Поляризация света в море

С точки зрения классической физики свет представляет собой электромагнитные волны.

Изменяющееся во времени электрическое поле, создаваемое каким-либо излучателем, вызывает появление переменного магнитного поля, причем направление колебания этого магнитного поля перпендикулярно к направлению электрических колебаний. Изменение магнитного поля в свою очередь порождает переменное электрическое поле, снова возбуждающее переменное магнитное поле, и т. д.

Возникшее электромагнитное поле не остается неподвижным в пространстве, а распространяется с колоссальной скоростью 300000 км/сек[21] вдоль линии, перпендикулярной к направлениям электрических и магнитных колебаний.

Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитные волны, длины которых лежат в диапазоне от 380 до 760 нм. Однако под термином «свет» часто понимают не только видимое излучение, но и более короткие волны — ультрафиолетовые (длина волны от 10 нм), и более длинные — инфракрасные (длина волны до 340 мк).

Рассмотрим, как происходят колебания электрического поля. Мы уже говорили выше, что они совершаются перпендикулярно направлению распространения световой волны. Однако в плоскости, перпендикулярной к этому направлению, они могут быть ориентированы самым различным образом (рис. 35, 1). В так называемом естественном свете, который, например, посылает Солнце, электрические колебания происходят по всем возможным направлениям, лежащим в этой плоскости.

Поместим на пути такого света плоскопараллельную пластинку, вырезанную из кристалла, свойства которого различны по разным направлениям (кристалл анизотропен). Через пластинку пройдут лишь те световые волны, у которых колебания электрического поля происходят параллельно оси кристалла.

Свет, в котором электрические колебания совершаются лишь в одном-единственном направлении, носит название линейно (или плоско) поляризованного света (рис. 35, 2). Наглядное представление о таком свете можно получить, рассматривая колебания длинного резинового шнура. Если быстро поднимать и опускать свободный конец привязанного шнура, то по шнуру побежит волна, причем каждая его точка будет колебаться строго вертикально в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Перед нами вертикально поляризованная волна. Примерно то же самое происходит и в световой волне, только там мы имеем дело не с механическими колебаниями частиц шнура, а с периодическими изменениями электрического поля. Если двигать конец шнура не вертикально (вверх — вниз), а горизонтально (влево — вправо), то по шнуру побежит горизонтально поляризованная волна. Возможны и другие, более сложные типы поляризации: круговая или эллиптическая (рис. 35, 3, 4). Для этого нужно быстро вращать конец шнура по кругу или эллипсу.

Существуют специальные оптические устройства, позволяющие получать поляризованный свет любого из указанных выше типов. Эти устройства получили название поляризаторов.

Рис. 35. Колебания электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения световой волны:

1 — естественный свет; 2 — различные случаи линейно поляризованного света; 3 — круговая поляризация; 4 — различные случаи эллиптической поляризации

Поляризация света редко бывает полной: обычно рвет поляризован частично, т. е. представляет собой смесь естественного и поляризованного света. Полнота поляризации характеризуется степенью поляризации, которая представляет собой отношение интенсивности полностью поляризованной компоненты к общей интенсивности пучка. Степень поляризации обычно выражают в процентах: 0 % соответствует естественному свету, 100 % — полностью поляризованному.

Не следует думать, что поляризованный свет возникает только искусственным путем. Совсем наоборот, поляризация света — очень распространенное явление в природе: оно происходит и при отражении, и при преломлении, и в процессе рассеяния.

Еще в 1809 г. французский астроном Доминик Араго обнаружил, что солнечный свет, рассеянный атмосферой, поляризован. За 160 лет, прошедших со времени этого открытия, ученые-оптики добились больших успехов в исследовании поляризации света в атмосфере, и сейчас это явление уже хорошо изучено.

Первые измерения поляризации дневного света под водой были проведены лишь в 1954 г. На 20 лет раньше началось изучение поляризации света при отражении от поверхности моря. В настоящее время это явление практически используется в морском деле: поляризаторы, устанавливаемые в наблюдательных приборах, отсекают отраженный поверхностью моря свет, мешающий наблюдению за подводными объектами.

Максимальная глубина, на которой проводилось измерение подводной поляризации, — 200 м. Установлено, что рассеянный свет под водой поляризован линейно, и отмечалась довольно высокая степень поляризации — до 60 %. С глубиной степень поляризации уменьшается, причем в поверхностном слое (20–30 м) это уменьшение происходит особенно быстро. На больших глубинах степень поляризации остается практически постоянной.

Особенный интерес, проявляемый к поляризации света в море, связан с одним любопытным явлением. Оказывается, поляризация света влияет на поведение некоторых водных организмов и определяет во многих случаях закономерности их передвижения.

Способность ориентироваться по положению плоскости поляризации линейно поляризованного света была обнаружена впервые в 1948 г. у медоносной пчелы. Австрийский биолог Карл Фриш обратил внимание, что пчела-разведчица, указывая посредством «виляющего танца» направление к месту взятка, правильно ориентирует свой танец только тогда, когда видит хотя бы кусочек голубого неба. Но ведь свет небесного свода всегда поляризован. Вот Фриш и предположил, что этот поляризованный свет неба является для пчел своеобразным компасом, позволяющим им правильно ориентироваться в пространстве. Он поставил ряд опытов, которые полностью подтвердили справедливость его гипотезы. Позднее способность реагировать на поляризацию света была обнаружена и у многих других членистоногих: жуков, бабочек, муравьев, пауков. Свойством различать линейно поляризованный свет с разным направлением колебаний обладает и человеческий глаз. Однако если у человека это просто любопытная и даже мало кому известная особенность зрения, то для беспозвоночных такая способность играет в ряде случаев важную роль в их жизни. Например, рачок-бокоплав может правильно ориентироваться в воде лишь тогда, когда видит над собой Солнце или участок голубого неба. Если поместить над ним поляризатор и медленно вращать его, то соответственно начинает поворачиваться и рачок. К поляризации света чувствительны и многие другие водные животные: плавающие ветвистоусые раки, дафнии, водяные клещи, мечехвосты.

Механизм этого интересного явления в настоящее время еще полностью не выяснен.

Как измеряется естественный свет в море

Как уже упоминалось, измерениям света в море многие годы сопутствовало одно принципиально ошибочное представление: желание найти глубину, которую дневной свет уже не достигает. Совершенно естественно, что такая граница не найдена и до сего времени, так как с усовершенствованием методов измерений и повышением чувствительности приемников, реагирующих на излучение, свет и регистрировался все на больших и больших глубинах. Весь вопрос заключается в том, о каких количествах световой энергии идет речь: десятки ли это люксов (если говорить об освещенности) или отдельные фотоны, регистрируемые высокочувствительными приборами.

Первые попытки измерений света в толще моря, предпринятые во второй половине XIX в., были связаны с использованием фотохимической реакции в некоторых жидкостях и газах. При этом исходили из известного закона Бунзена о том, что продукция фотохимической реакции пропорциональна произведению интенсивности облучения на время экспозиции. На этом принципе был основан хлористоводородный актинометр Реньяра, в котором воздействие света оценивалось по убыли газовой смеси. В 30-е годы нашего века Аткинс предложил фотохимический фотометр, в котором использовалось разложение щавелевокислого урана. Достоинство этих приборов — относительная простота устройства, но они измеряли освещенность только в самых верхних слоях моря, и то при условии очень длительной экспозиции.

Примерно в то же время начинают применяться фотографические пластинки, а несколько позже — и фотопленки. При всем разнообразии конструкций фотометров с использованием фотографических пластинок принцип измерения сводился к следующему.

Помещенная в герметический корпус со стеклянным иллюминатором пластинка погружалась в море на ту или иную глубину. Затем с помощью грузика, опускавшегося по тросу, открывался затвор фотометра. После определенной выдержки (время которой фиксировалось) второй грузик закрывал затвор. Под воздействием света пластинка темнела. Сравнивая степень потемнения этой пластинки с аналогичной, но подвергшейся освещению эталонным источником света, определяли (с учетом времени экспозиции) условия освещенности на глубине проведения измерений. Когда вместо пластинок применялась фотопленка, в прибор устанавливался часовой механизм, через определенные промежутки времени перематывавший пленку.

Обработка результатов измерений требовала исключительной скрупулезности, а точность полученных результатов была весьма невысока. С помощью таких фотометров удавалось обнаружить свет на глубинах, превышающих 1000 м. Правда, для этого требовалось экспонировать пластинку более часа. Известен опыт, при котором пластинка выдерживалась на глубине 1700 м в течение двух часов, но не обнаружила признаков почернения.

В начале XX в. для измерений стали использовать физическое явление, называемое фотоэлектрическим эффектом, т. е. способность некоторых веществ создавать электрический ток или изменять его величину под воздействием света.

Лучи света, падая на поверхность металлической пластинки (для данной цели используются такие щелочные металлы, как калий или цезий), передают свою энергию электронам, находящимся внутри металла. Приобретенная энергия увеличивает скорость их движения, и электроны могут преодолеть силы, удерживающие их внутри металла, и вылететь за пределы его поверхности, создавая таким образом фотоэлектронную эмиссию с поверхности пластинки (фотокатода). Это элементарное описание фотоэлемента с внешним фотоэффектом. На явлении внешнего фотоэффекта основано действие фотоэлектронных умножителей.

Если вместо металлической пластинки взять стеклянную, нанести на нее светочувствительный слой полупроводникового вещества (например, селена, сернистого таллия, сернистого висмута и т. п.), подключить полученное устройство к внешней цепи и осветить пластинку, то можно наблюдать явление внутреннего фотоэффекта. Под действием света уменьшается внутреннее сопротивление полупроводника. Такие устройства получили наименование фотосопротивлений.

В гидрофотометрии наибольшее применение нашли фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое. Они также изготовляются из полупроводников — селена, германия, кремния и т. п. Их основным достоинством является возможность получения значительного фототока при освещении активной поверхности без всякого внешнего источника электродвижущей силы.

Применение приемников излучения, действие которых основано на явлении фотоэффекта (фотоэлементов), позволило провести многочисленные измерения освещенности в различных районах Мирового океана.

Принцип действия практически всех современных подводных, фотометров базируется на использовании закона, открытого Столетовым, о том, что величина тока, вырабатываемого фотоэлементом, прямо пропорциональна падающему на него световому потоку. Поэтому, регистрируя значения фототока на различных глубинах, мы можем определить освещенность на интересующем нас горизонте. Естественно, что каждый гидрофотометр проходит предварительную градуировку на фотометрической скамье, где определяется, какой отсчет регистрирующего прибора соответствует тому или иному значению освещенности.

В качестве датчика в гидрофотометрах чаще всего применяют селеновый фотоэлемент с запирающим слоем.

На рис. 36 в схематическом виде изображено устройство такого фотоэлемента. На железную пластинку 1 нанесен слой селена 2, на который напыляется очень тонкая (тысячные доли микрона) золотая или платиновая полупрозрачная пленка 4. В процессе обработки фотоэлемента на поверхности селена образуется тонкий запирающий слой 3. На полупрозрачную золотую пленку накладывается контактное кольцо 5. Вторым электродом является железная пластинка. Весь фотоэлемент помещается в изолирующий пластмассовый корпус 6.

Кроме простоты устройства селеновый фотоэлемент обладает еще одним немаловажным достоинством: его спектральная чувствительность близка к чувствительности человеческого глаза. Из всех известных в настоящее время фотоэлементов селеновый легче всего откорректировать с помощью светофильтров, так чтобы его чувствительность соответствовала кривой видности глаза (рис. 37).

Для измерений в море фотоэлемент помещается в герметический корпус, иллюминатор которого делается из толстого молочного стекла и имеет выпуклую форму. Нужно это для того, чтобы на поверхности фотоэлемента собирался весь свет, рассеянный в верхней (или в нижней, если иллюминатор направлен вниз) полусфере, а не только лучи, отвесно падающие на приемник излучения.

Внешний вид одного из первых промышленных образцов измерителя подводной освещенности (ФМПО-57) показан на рис. 38. Прибор имеет вид люстры, у которой четыре иллюминатора направлены вверх и один — вниз. В трех из пяти корпусов датчиков прибора перед селеновым фотоэлементом помещены светофильтры: красный, синий и зеленый. Это позволяет не только измерять общий световой поток, но и выделять его спектральные составляющие. Для того чтобы в результате измерений можно было определить интенсивность излучения, идущего из глубин моря к его поверхности, пятый фотоэлемент помещен в корпус, иллюминатор которого обращен вниз.

Рис. 36. Схема устройства селенового фотоэлемента

1 — железная пластинка; 2 — слой селена; 3 — запирающий слой; 4 — золотая или платиновая пленка; 5 — контактное кольцо; 6 — пластмассовый корпус

Рис. 37. Спектральные характеристики селенового фотоэлемента без коррекции 1, с корректирующим светофильтром 2 и спектральная чувствительность глаза 3

Рис. 38. Внешний вид измерителя подводной освещенности ФМПО-57

Рис. 39. Комплект прибора ФМПО-64

Прибор ФМПО-57 на тросе океанологической лебедки погружается в море до глубины 100–150 м. Фототок, вырабатываемый селенами под действием света, передается по кабелю на борт судна, где и регистрируется микроамперметром.

При всей простоте конструкции у этого прибора было много недостатков. Дело в том, что освещенность в море меняется в очень широких пределах: от десятков тысяч люксов у поверхности до единиц на глубине около 100 м. А селеновые фотоэлементы очень не любят больших засветок, так как при этом их фототок перестает быть прямо пропорциональным интенсивности света. Другими словами, прибор типа ФМПО-57 начинал работать с достаточной точностью только тогда, когда его погружали на глубину в несколько десятков метров, где освещенность не превышала 100–200 лк. Кроме того, для изучения способности морской воды пропускать свет с различными длинами волн трехцветных светофильтров было явно мало.

Группа конструкторов Загорского оптико-механического завода (под руководством Н. Ф. Шипули и В. И. Рябинина) и инженер лаборатории гидрооптики Института океанологии А. К. Карелин создали хотя и несколько сложный конструктивно, но более совершенный прибор для измерения освещенности в море ФМПО-60 и ряд его последующих модификаций (ФМПО-64 и ЛЮПО).

Прибор ФМПО-64 (рис. 39) имеет вид шара с тремя иллюминаторами, направленными вверх, вниз и под углом 90° к вертикали. Внутри герметической сферы помещен селеновый фотоэлемент, который с помощью небольшого электромоторчика может устанавливаться перед каждым из трех окон. Кроме того, в сфере помещены два диска с наборами цветных и нейтральных светофильтров, которые (также с помощью моторчиков) выставляются в нужном положении между иллюминатором и фотоэлементом. Такое устройство позволяет по мере погружения прибора в глубь моря менять плотность ослабителей света (нейтральных светофильтров), что предохраняет селен от больших засветок. В этом приборе уже не три, а шесть цветных фильтров, равномерно делящих всю видимую область спектра на относительно узкие участки. Все управление осуществляется дистанционно с пульта, установленного на борту судна и соединенного с прибором кабелем.

ФМПО-60 обладает еще одним достоинством. В его комплект входит не только измеритель подводной освещенности, но и датчик аналогичного устройства для измерения света, падающего на поверхность моря. Поверхностный датчик устанавливается на незатеняемом участке палубы или какой-нибудь судовой надстройки, и с его помощью фиксируют все изменения, происходящие в освещении поверхности моря во время измерений.

Прибором ФМПО-60 в таких чистых водах, как воды открытых районов океана, или в Средиземном море можно регистрировать свет до глубин 200–250 м. Для измерения света на больших глубинах чувствительности фотоэлементов обычно уже не хватает и их заменяют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Оптические схемы измерителей освещенности с применением ФЭУ практически мало чем отличаются от приборов с фотоэлементами. В них также входят наборы из нейтральных и цветных светофильтров.

Решая многие задачи оптики моря, надо уметь измерять не только свет, идущий в глубь моря или направленный к его поверхности, но и общую интенсивность излучения, приходящего в данную точку со всех направлений. Для этого у приборов типа ФМПО-60 предусмотрена специальная приставка, изготовленная из молочного оргстекла и имеющая форму шара. Она крепится к боковому иллюминатору прибора. Такой сферический приемник излучения воспринимает свет, идущий со всех сторон, и направляет его на фотоэлемент. Измерения, проведенные с приставкой, позволяют, в частности, определять показатель поглощения морской воды.

Кроме описанных приборов существует множество разновидностей измерителей подводной освещенности, но, как правило, они различаются между собой лишь количеством используемых светофильтров, устройствами для их переключения или другими конструктивными особенностями, не имеющими принципиального значения.

Наряду с положительными качествами фотоэлектрических приемников излучения им свойствен один, но весьма значительный недостаток: все они селективны, т. е. неодинаково реагируют на излучение различных длин волн. Изучая свет в море, часто необходимо измерить суммарную лучистую энергию на разных глубинах. А для этих целей удобно пользоваться неселективными приемниками излучения, принцип действия которых основан на термоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электродвижущей силы за счет различной степени нагрева черных и белых поверхностей термоэлемента[22].

Батареи, собранные из определенного количества термоэлементов, получили наименование пиранометров. В оптических исследованиях в море чаще всего пользуются пиранометром конструкции Янишевского. Приемник такого пиранометра представляет собой поверхность, составленную из системы последовательно соединенных полосок манганин — константановых термоэлементов. Поверхность эта имеет вид шахматной доски из черных и белых клеток, так как часть спаев (горячие) окрашена сажей, а часть (холодные) — магнезией в белый цвет.

При работе в море пиранометр помещается в герметичный корпус со стеклянным окном. Включенный в цепь гальванометр регистрирует ток, вырабатываемый термобатареями, поглощающими лучистую энергию. Самым крупным недостатком подводного пиранометра является небольшая чувствительность, что не позволяет использовать его даже в очень прозрачных водах на глубинах, превышающих 50–60 м.

Из следующих разделов книги станет ясно, что для морских биологов, изучающих процессы фотосинтеза в море, крайне важно знать величину суммарной энергии по крайней мере до глубин 100–150 м. Это привело к необходимости создать прибор, который бы обладал достоинствами подводного пиранометра (неселективностью), но имел гораздо большую чувствительность.

Такой прибор сейчас создан В. П. Рвачевым и его сотрудниками на кафедре оптики Черновицкого государственного университета. По принципу действия он назван вариоспектрометрическим измерителем подводной облученности или сокращенно ВАРИПО.

На рис. 40 изображена оптическая схема этого прибора. Свет попадает на иллюминатор из молочного плексигласа 1 и через щель 2 — на систему линз 3. Отсюда свет в виде параллельного пучка проходит в призму 4 прямого зрения (так называемая призма Амичи). Она разлагает свет в спектр, который проектируется объективом 5 на нормирующую диафрагму 6, а затем через линзу 7 попадает на фотоэлектронный умножитель 8.

Рис. 40. Оптическая схема вариоспектрометрического измерителя подводной облученности (ВАРИПО)

1 — иллюминатор; 2 — приемная щель; 3 — система линз; 4 — призма прямого зрения; 5 — объектив; 6 — нормирующая диафрагма; 7 — линза; 8 — ФЭУ

«Секрет» прибора заключается именно в нормирующей диафрагме. Ее функция состоит в том, чтобы «исправить» спектральный состав света, приведя его в своеобразное соответствие со спектральной чувствительностью фотоэлектронного умножителя — приемника излучения в приборе ВАРИПО.

На рис. (41, 1) видно, что фотокатод ФЭУ по-разному реагирует на излучение различных длин волн, т. е. он селективен. Если на пути между ФЭУ и светом, разложенным в спектр, поставить фигурную щель (диафрагму), вырезанную таким образом, как указано на рис. 41, 2), то чувствительность ФЗУ будет «исправлена» и примет вид кривой 3. Другими словами, фигурная нормирующая диафрагма задержит часть лучей, к которым «излишне» чувствителен ФЭУ, и в результате будет получен неселективный приемник излучения в определенном участке спектра, к тому же совершенно нечувствительный к излучению за пределами этого участка.

Рис. 41. Спектральная чувствительность ФЭУ до коррекции 1 фигурной диафрагмой 2 и ее вид после коррекции 3

Рис. 42. Прибор для измерения углового распределения естественного излучения в море

Прибор ВАРИПО устроен так, что он реагирует на свет в диапазоне от 380 до 700 нм. Это так называемая область фотосинтетически активной радиации. ВАРИПО гораздо чувствительнее подводного пиранометра, и. несмотря на большие потери световой энергии при прохождении света через сложную оптическую систему, с его помощью можно вести измерения на глубинах 100–150 м.

Измерения освещенности хотя и дают интересные сведения об изменении света с глубиной, но далеко не исчерпывают всего, что нам необходимо знать об излучении, распространяющемся в толще моря.

Наиболее полную информацию можно получить из измерений тела яркости, т. е. углового распределения интенсивности излучения по различным направлениям. Такие измерения выполнил американский ученый Дж. Тайлер на озере Панд-Орей. Яркомер погружался под воду до глубины 66 м и ориентировался в пространстве гироскопическим устройством. Угол зрения приемника излучения был около 7°.

Обычно угловое распределение интенсивности излучения измеряют лишь в двух перпендикулярных плоскостях. Внешний вид прибора для подобных измерений показан на рис. 42. Его использовал японский гидрооптик профессор Т. Сасаки.

На рисунке видны два приемника излучения, один из которых вращается в вертикальной 1, а другой — в горизонтальной 2 плоскостях. Особенность измерителя состоит в том, что его приемниками служат ФЭУ, снабженные специальной оптической системой, позволяющей ограничить угол зрения приемника всего лишь 4°. Зафиксировав излучение в нескольких точках в вертикальной и горизонтальной плоскостях на разных глубинах, можно построить диаграммы углового распределения света.

Эти измерения, исключительно трудоемкие, требуют сложной аппаратуры и потому до сего времени носят экспериментальный характер.

В Советском Союзе их проводили М. Н. Кайгородов, Г. Г. Неуймин и А. К. Карелин.