Рассеяние света в морской воде: оптические характеристики водных масс

  За последние два десятилетия появилась сравнительно новая наука — «гидрологическая оптика». Объектов изучения при исследовании оптических свойств морской воды много, но из полученных результатов наиболее важны два.

Природа рассеянных частиц

  Не надо доказывать, что истинную природу материала, нахо­дящегося в морской воде во взвешенном состоянии, можно изучать только in situ. Попытки извлечь микроскопические частицы из океана и затем вновь превратить их во взвесь в лабораторных резервуарах были не слишком успешны и не пролили света на роль неживых частиц, которые в массе имеют тенденцию слипаться или подвергаться химическим изменениям, а также на роль живых, но микроскопических растений и животных. Были изобретены более точные оп­тические приборы, которые позволили измерять показатель преломления этих живых и неживых частиц в их естествен­ном состоянии. Более того, океанологи-оптики теперь мо­гут измерять углы отражения и рассеяния света от таких ча­стиц и сопоставлять эти данные с типами взвешенного ве­щества и видами живых организмов. В результате развитие теоретических моделей рассеяния света в море продвинулось далеко вперед.

  Одним важным побочным результатом этих исследова­ний явилась возможность сопоставлять свет, рассеянный обратно в космическое пространство, с природой составных частей поверхностных и приповерхностных морских вод. В настоящее время картирование океанов обычно производит­ся со спутников по рассеянному назад солнечному свету. Анализируя содержание зеленого цвета в рассеянном в кос­мос излучении, мы получаем карту концентрации хлорофил­ла (рисунок 14.8). В других частях спектра, например в желтой, установленные на спутниках приборы картируют концент­рацию взвешенных илов, вынесенных из устьев рек. Такие исследования, возможно, позволят установить, как распре­деляются вдоль берегов загрязняющие вещества, производи­мые человеком.

 Рисунок 14.8. Снимки поверхности моря у запад­ного побережья Южной Америки.

Снимки поверхности моря у западного побережья Южной Америки

Спутник «Нимбус-7» несет приемник излуче­ния, сканирующий поверхность моря в зеленой полосе спектра при длинах волн 540-560 нм. Солнечный свет, который рассеивается назад от самого верхнего 5-10-м слоя воды в этом цветовом диапазоне, пропорционален количест­ву хлорофилла и других растительных пигмен­тов в этом слое и является, таким образом, прямым количественным индикатором продук­ции растений в море. Черные участки на этой мозаике снимков — либо суша, либо облака. Самая светлая часть, обозначенная буквой U,— полоса прибрежных вод шириной всего около 20 км, излучение от которой наиболее интенсивно; эта полоса представляет собой вы­соко продуктивную зону прибрежного апвеллинга. Кроме того, на этих снимках, которые охватывают акваторию примерно в 700 км (вдоль береговой линии) на 500 км (в море), видны крупные завихрения. Их можно объяс­нить движением поверхностных вод. Точками А обозначены два участка внедрения вод оке­анского типа в сторону берега. Между ними лежит полоса более темной воды с низким со­держанием хлорофилла, простирающаяся в мо­ре на сотни километров. Точкой Е обозначен «вихрь» диаметром порядка 50 км.

 

Оптические характеристики водных масс

  Узнав, как коррелировать измерения оптических свойств с биологической фракцией взвешенных частиц, океанологи приобрели новый инструмент для классификации водных масс. Из биогеографии мы узнали связи между водными массами и сообществами животных. Используя оптику, мы можем исследовать взвешенный микроскопический матери­ал способом, отсутствовавшим прежде у океанографов, ко­торые имели лишь сети, захватывающие только более круп­ные частицы. В этом отношении океанологи-оптики могут распространить биогеографию на тонкую фракцию планк­тонного мира. Данные оптических исследований все больше дополняют информацию, накопленную и биологами, и фи­зиками.

  На рисунке 14.9 показаны два профиля, полученные в районе апвеллинга у берегов шт. Орегон. На первом, где представ­лено вертикальное распределение температуры, виден язык низкотемпературных вод, который протягивается примерно на 10 км от берега и прослеживается до глубин около 40 м. Физики делают вывод, что вода, поднятая с глубины совсем близко от берега, сначала переносится в западном направле­нии, но в конце концов начинает погружаться. Второй рису­нок представляет собой вертикальный профиль содержания взвешенных частиц в воде (мутности), установленного опти­ческим методом. Эти данные о содержании взвеси в воде свидетельствуют о том, что упомянутый выше язык вы­ражен гораздо лучше, чем показывают измерения темпера­туры. Вместе эти результаты дают ясное представление о циркуляции воды в зоне апвеллинга.

Рисунок 14.9. Пример того, как оптические характеристики морской воды используются при изуче­нии ее движений.

Пример того, как оптические характеристики морской воды используются при изучении ее движений

Температурное поле. Данные были получены с помощью стандартных океанологических тер­мометров. Целью программы измерений было изучить, достаточно ли быстро прогревается солнцем холодная вода, которая поднимается снизу вблизи от берега, чтобы она не опусти­лась назад, до некоторой равновесной глуби­ны. Язык относительно теплой воды можно было бы интерпретировать как возвратное те­чение волы, которая нагревалась недостаточно быстро, чтобы сохранить нейтральную плаву­честь в поверхностном слое воды. Однако дан­ных только о температуре мало, чтобы под­твердить эту интерпретацию.

Поле мутности. Данные были получены с по­мощью оптического трансмиссиометра, кото­рым измеряют мутность воды in situ . В них тоже проявляется язык, по форме соответству­ющий языку теплой воды. Поскольку мутность воды определяется концентрацией взвешенных частиц и совсем не зависит от температурного поля воды, мы делаем вывод, что оптические данные подтверждают гипотезу, которая сна­чала была сформулирована на основании одних температурных данных. Из-за того что боль­шая мутность воды, как известно, сопровожда­ется высокой продуктивностью, типичной для зон апвеллинга, мы также делаем вывод, что вода в нисходящем языке незадолго до того находилась в поверхностном слое с высокой продуктивностью.

 

  Обычно каждая крупная водная масса формируется про­цессами тепло-, водо- и газообмена между атмосферой и морем; при этом область ее формирования, как правило, четко ограничена. Отсюда следует, что район образования водной массы представляет собой также специфическую биогеографическую зону с четко определенной группой рас­тений и животных и что водная масса вместе с тем облада­ет некими биологическими признаками, которые можно вы­явить по оптическим свойствам, а также по составу таксо­нов. К этому можно добавить, что переносимые ветром ча­стицы континентального происхождения, которые в конце концов осаждаются в море, тоже имеют различные характе­ристики в разных регионах океана. Это добавит новые чер­ты к характерному облику водной массы. Данные, получен­ные с помощью оптических приборов, применимы как для прибрежной зоны, пример которой приведен на рисунке 14.9, так и для открытого океана, за одним исключением. Интен­сивность оптических характеристик вод открытого океана и внутренних вод обычно ниже. Тем не менее сфера примене­ния данных, полученных оптическими методами, расширя­ется.