Теория рассеяния и поглощения света в морской воде

Различные типы рассеяния и измерителей рассеяния

Рассеяние наряду с поглощением света является основным процессом, определяющим распространение света в морской воде. Процесс рассеяния приводит к изменениям в распределении света, имеющим огромное значение для распространения света в море. Одним из основных показателей при изучении рассеяния является индикатриса, которая определяет величину рассеяния в функции угла рассеяния (см. главу 1).

Теоретическое и экспериментальное исследование проблемы рассеяния в морской среде сталкивается со значительными трудностями. Морская вода — это сложная физико-химико-биологическая система. Она содержит в себе растворенные вещества, взвесь, множество мельчайших организмов. Из-за всех этих оптических неоднородностей морская вода сильно рассеивает свет. В параграфах 6.2—6.5 рассмотрены различные виды рассеяния света (молекулярное рассеяние света, рассеяние света крупными включениями, а также сложное рассеяние света при многократных встречах с частицами).

Величины, характеризующие рассеяние, имеют точные математические определения, чем в свою очередь диктуется устройство используемых измерителей. В принципе измерение рассеяния сводится к освещению определенного объема воды пучком направленного излучения и регистрации яркости света, рассеянного этим объемом под различными углами^[1]. Рассеивающий объем определяется шириной светового пучка и углом зрения приемника. Основные элементы измерителя рассеяния — источник света и приемник, которым, как правило, служит фотоумножитель.

В настоящее время разработано несколько типов измерителей рассеяния. По характеру применения все измерители можно разделить на лабораторные и используемые in situ.

Лабораторные измерители рассеяния.

Промышленность выпускает лабораторные измерители рассеяния с высокой разрешающей способностью, позволяющие быстро измерять значения показателей рассеяния. Однако для исследований морской воды эти измерители должны быть несколько реконструированы. Относительно малое количество взвешенных частиц в морской воде обусловливает ее низкий показатель рассеяния и заставляет применять довольно широкий световой пучок, что делает невозможным проведение измерений на малых углах. Поскольку паразитный свет является фактором исключительной значимости, то для того чтобы избавиться от помех, вызванных отражением на внешних стенках, целесообразно помещать кювету с исследуемой пробой в камеру прибора, залитую водой или бензолом. Здесь может возникнуть вопрос, в какой мере пробы вод, взятые из батометров и залитые в кювету, являются репрезентативными для данного района океана. Прежде всего, требуется принять очень тщательные меры для предотвращения загрязнения пробы.

Ввиду быстрого разложения содержащихся в пробах живых организмов измерения желательно производить как можно быстрее. Кроме того, во время производства измерений проба может нагреться, что приводит к образованию пузырьков кислорода, увеличивающих рассеяние света. Большинство исследователей склоняются к мнению, что лабораторный метод (при максимальной тщательности проведения эксперимента) дает вполне надежные результаты, но, тем не менее, метод непосредственных наблюдений явно предпочтительнее.

Измерители рассеяния in situ.

Чтобы дать представление об измерителях рассеяния in situ, мы остановимся на двух приборах с переменным углом измерения. В измерителе Тайлера и Ричардсона (1958) с диапазоном углов измерений от 20 до 170° (рис. 6.1.1) оптическая система имеет преимущество: световой пучок строго параллелен оси системы и перпендикулярен защитному иллюминатору. Поэтому пучок проходит стекло иллюминатора без отклонений. Благодаря диафрагме Вальдрама рассеивающий объем не зависит от изменения угла 0.

Рис. 6.1.1. Измеритель рассеяния in situ (20°—170°)/ разработанный Тайлером и Ричардсоном Конструкция другого измерителя in situ (10—165°) позволяет частично исключить вредное влияние естественного излучения (рис. 6.1.2).

Рис. 6.1.2. Измеритель рассеяния in situ (10°—165°), использовавшийся Ерловом При измерениях освобожденный блок осветителя начинает медленно вращаться (скорость вращения регулирует специальная вертушка) относительно центра рассеивающего объема. При вращении перед фотоумножителем последовательно проходят 12 прорезей. Ширина этих прорезей пропорциональна sin 0, так что рассеяние измеряется в объеме, имеющем постоянную величину. Большой интерес представляет рассеяние под малыми углами, составляющее значительную часть от величины общего рассеяния. Измерения на этих углах очень сложны технически и требуют прибора с высокой разрешающей способностью. Уникальный прибор такого рода был разработан в 1963 году С. К. Дантли (рис. 6.1.3).

Рис. 6.1.3. Измеритель рассеяния in situ для малых углов, разработанный Дантли Измеритель рассеяния дает хорошо коллимированный световой пучок, из которого диафрагма с кольцеобразной прорезью вырезает пучок, подобный тонкостенному цилиндру. Приемник воспринимает только свет, рассеянный водой внутри этого цилиндра под углом 0,47 ± 0,15.

• [1] Ерлов Н. Г. Оптическая океанография.