Измерение показателя ослабления света в поверхностных прибрежных водах

Спектральное распределение показателя ослабления излучения в воде является важной характеристикой состояния морской среды. Однако эти измерения довольно сложные, поэтому в морских гидрофизических зондах часто ограничиваются измерением показателя ослабления на одной или на двух длинах волн, так как существует возможность даже по таким измерениям восстанавливать спектральное распределение показателя ослабления излучения. Это можно сделать с помощью системы собственных ортогональных векторов, описывающих спектральное распределение показателя ослабления в данном водоеме. В работе В. И. Маньковского и В. М. Соловьева^[1] проводились измерения спектрального распределения показателя ослабления в Черном море. Показатель ослабления излучения рассчитывался по формуле.

где В₀ и B_L — соответственно: яркость пучка света, вошедшего в воду и прошедшего в ней путь длиной L.

Авторы привели данные по рейсам о времени проведения измерений, их количестве, пределах изменений показателя ослабления на длине волны 416 нм и глубины видимости белого диска и построены спектральные функции показателя ослабления излучения, наблюдавшиеся при минимальном и максимальном значении показателя ослабления.

Измерения показателя ослабления направленного света дают информацию, полезную для оценки экологического состояния среды. Измерения в красной области спектра 640—660 нм позволяют оценить концентрацию в воде взвешенных веществ, измерения в синей области 420—440 нм дают возможность следить за изменением концентрации в воде растворенных органических соединений.

Прозрачномеры широко используются в зондирующих приборах и реже — в стационарных установках. В работе В. И. Маньковского и соавторов^[2] описано устройство прозрачномера, предназначенного для проведения измерений показателя ослабления направленного света в двух участках видимой области спектра на морской прибрежной станции.

На рис. 11.5.1 показана оптическая схема прозрачномера. Ее составляют: два светодиода СД1, СД2; фотодиод ФД; объективы 01, 02, 03; полупрозрачные зеркала ЗП1, ЗП2, ЗПЗ; обычные зеркала 31, 32; подвижная шторка ПШ, перемещаемая шаговым двигателем ШД. Опорный луч света, отраженный зеркалами 31 и 32, проходит из верхнего контейнера в нижний через отверстие, сделанной в теле соединительной консоли.

Прибор построен на базе микроконтроллера AduC812, который управляет шаговым двигателем и всеми измерительными процессами. Микроконтроллер также осуществляет связь прибора с другими устройствами, входящими в состав морской прибрежной станции.

Измерения показателя ослабления света в каждом спектральном диапазоне осуществляется в три такта. В первом такте подвижная шторка перекрывает луч опорного луча света, и на фотодиод попадает лишь измерительный луч. Во втором такте шаговый двигатель открывает подвижную шторку, и на фотодиод приходят совместно измерительный и опорный лучи. В третьем такте светодиод выключен, и фотодиод регистрирует лучи дневного света, рассеянные средой, находящейся в измерительной базе (фоновая засветка). Принятая в прозрачномере схема измерений показателя ослабления света с автокалибровкой по источнику излучения исключает влияние изменения интенсивности излучения светодиода и чувствительности фотодиода вследствие их временного дрейфа и температурной зависимости. В результате измерительных процедур в каждом такте на выходе фотодиода регистрируются напряжения U_b U₂, U₃, зависящие от следующих величин:

где I₀ — интенсивность излучения светодиода; /ф — интенсивность фоновой засветки; 7, Т₂, Т₃ — коэффициенты светопропускания оптических трактов: измерительного, опорного и фонового соответственно; S — чувствительность фотодиода; в — показатель ослабления света в измеряемой среде; L — длина оптической базы.

Рис. 11.5.1. Оптическая схема прозрачномера.

Величины /₀ и S можно считать с высокой степенью приближения постоянными в течение полного цикла измерений, составляющего 2 с (по одной секунде на каждый такт). С учетом этого Л. А. Васильев получил следующую формулу^[3]:

Коэффициенты светопропускания оптических трактов Т₁иТ₃и длина оптической базы L являются величинами неизменными и, таким образом, изменение величины N зависит только от изменения показателя ослабления света.

Прологарифмировав выражение (11.5.3), можно получить:

Отсюда.

f т ^.

Аппаратная функция lgiV = lg — определяется при измерении.

Тз)

на воздухе, когда величину в можно считать равной нулю:

Градуировка прозрачномера обычно производится с помощью аттестованных нейтральных светофильтров с оптическими плотностями.

D_;, которые являются эквивалентами оптических плотностей среды s_tL, измеряемой прозрачномером, а именно.

При измерениях в воде в величину в (возд.), определенную по градуировке, выполненной на воздухе, вводилась поправка de, учитывающая уменьшение потерь света на отражение внешними гранями иллюминаторов в воде по сравнению с воздухом.

где г_{ст вода} и Гст _возд — коэффициенты отражения света на границах раздела стекло-вода и стекло-воздух, N — число отражений светового луча на внешних гранях иллюминаторов.

Ошибки измерения показателя ослабления уменьшаются при увеличении L, т. е. целесообразно увеличить оптическую базу прозрачномера. Для того чтобы при этом не увеличивались габариты прибора (это особенно важно в зондирующих прозрачномерах), фотоприемник помещают в одном контейнере с осветителем и ставят в отражатель, возвращающий луч света назад, в результате чего проходимый им в воде путь увеличивается вдвое.

В качестве световозвращателя в некоторых прозрачномерах, например, в работе Н. Г. Ерлова^[4], используют триппель-призму, обладающую свойством возвращать световой луч назад точно в одно и то же место при изменении ориентации призмы относительно начального положения. Эта особенность триппель-призмы привлекла разработчиков прозрачномеров тем, что при измерениях, при необходимости, можно изменять длину оптической базы L, переставляя призму, не опасаясь при этом смещения возвращающегося луча, т. е. нарушения юстировки прибора.

В прозрачномерах с триппель-призмой есть существенный недостаток — возникновение паразитных лучей, попадающих на фотоприемник вместе с лучом света, прошедшим через измеряемую среду. На внутренней и внешней гранях иллюминатора, роль которого играет объектив, и на внешней грани триппель-призмы возникают отраженные лучи — блики. При ортогональном расположении внешней грани иллюминатора и внешней грани триппель-призмы относительно светового луча блики от них попадут в апертурную диафрагму и придут на фотоприемник вместе с измерительным лучом, создавая помеху.

Величина коэффициента отражения света на границе двух сред с показателями преломления п_г и п₂ определяется формулой.

Показатель преломления п₁ стекла, обычно используемого для изготовления оптических элементов при измерении в видимой области спектра, для длины волны 500 нм равен 1,52. Для той же длины волны света показатель преломления п₂ для воздуха равен 1, а для воды 1,336. Коэффициенты отражения света оптическим стеклом в воздухе и в воде в данном случае составят соответственно: г₁₂ = 0,0426 и г₁₂ = 0,415. Таким образом, поправка на отражение по формуле (10.32) для прозрачномера со светоотражателем при базе L = 1 м будет равна 0,068.

Обозначим яркость светового луча, приходящего от осветителя на внешнюю грань иллюминатора В₀. Так как источник света для опорного и измерительного лучей один и тот же, величину В₀ можно выразить через В_оп:

Яркость измерительного луча света, приходящего на фотоприемник, будет равна:

где В₀ — коэффициент пропускания света оптической системой в измерительной базе, учитывающий потери на отражение на внешних гранях иллюминатора и световозвращающей призмы, Т₃ — коэффициент светопропускания оптической системой внутри прибора на пути измерительного луча от внешней грани иллюминатора до фотоприемника, D — оптическая плотность измеряемой среды. Величина Т₂ рассчитывается по формуле:

где N — число отражений светового луча на внешних гранях иллюминатора и световозвращающей призмы при прохождении им в измерительной базе прозрачномера в обе стороны.

Автор работы [40] рассматривал наличие только одного блика — от внешней грани иллюминатора. Его величина выражается следующим образом:

Следовательно:

Согласно данным, полученным в работах [38—40], в очень часто встречающихся водах с величиной е = 0,05 относительная ошибка измерений составляет 13,7%. Таким образом, для корректного определения показателя ослабления света прозрачнометрами с триппель призмой необходимо либо устранять блики от внешних граней иллюминатора и триппель призмы, либо их учитывать.

В работе А. С. Кукушкина и соавторов¹ рассмотрены основные особенности распределения показателя ослабления света (ПОС) в поверхностных прибрежных водах Черного моря и определены его числовые характеристики (диапазон изменений и среднее значение) на отдельных участках прибрежной зоны. Для анализа изменчивости прозрачности вод в прибрежной зоне моря использовались данные, полученные на глубине 4—5 м с помощью буксируемого прозрачномера МГИ-2201. Измерения показателя ослабления света в глубоководных районах моря проводились до горизонта 300 м с помощью однотипных зондирующих прозрачномеров, созданных в отделе оптики МГИ.

На рис. 11.5.2 представлено распределение ПОС на трассе вдоль Анатолийского побережья (м. Олюдже — Батуми)^[5][6]. Распределения прозрачности по этому маршруту, полученные с годичным сдвигом во времени (апрель 1981 и 1982 гг.), наглядно отражали характерные особенности в изменении ПОС, связанные с предустьевыми районами рек Кызыл-Ирмак, Ешиль-Ирмак и расположением портовых городов.

Рис. 11.5.2. Распределение ПОС в апреле 1981 (1) и 1982 (2) годов и содержание хлорофилла «а» (3) в апреле 1981 г. на трассе вдоль Анатолийского побережья.

В табл. 11.5.1 представлены характеристики изменчивости показателя ослабления света (в) в поверхностных прибрежных водах Черного моря.

Таблица 11.5.1

Характеристики изменчивости показателя ослабления света (е) в поверхностных прибрежных водах Черного моря.

На большинстве участков прибрежной зоны распределение ПОС неоднородно, а его профили имели сложный характер. При удалении от берега прозрачность вод, как правило, повышалась, а изрезанность профилей ПОС уменьшалась. Распределение ПОС в основном определялось распределением взвешенного вещества, которое, в свою очередь, зависело от расположения источников берегового стока (речного и промышленно-бытового), условий смешения этих стоков с морскими водами и их динамики, а также от развития фитопланктона.

В Морском гидрофизическом институте (г. Севастополь) в 2000 г. был разработан новый измеритель рассеяния света в морской воде, впервые позволивший измерять индикатрисы рассеяния во всем диапазоне углов от 0,5 до 179° в широком спектральном окне от 380 до 780 нм.

Данные результаты подтверждают возможность использования оптических методов исследований для наблюдения за распространением загрязненных вод (речные и промышленно-бытовые стоки) в море, качественной оценки содержания взвеси в воде и, следовательно, для контроля экологического состояния прибрежных вод.

• [1] Манъковский В. И., Соловьев М. В. О возможности восстановления спектральногораспределения показателя ослабления излучения в поверхностных водах Черного моряпо измерениям на одной длине волны.
• [2] Манъковский В. И., Пеньков М. Н., Бондаренко А. С. Прозрачномер для морскойприбрежной станции.
• [3] Васильев Л. А. Теневые методы. М.: Наука, 400 с., 1968.
• [4] Ерлов Н. Г. Оптическая океанография.
• [5] Кукушкин А. С., Прохоренко Ю. А., Шугаев А. В. Прозрачность вод в прибрежныхи глубоководных районах черного моря.
• [6] Там же.