«Свет в море»

Свет в море (fb2) - Свет в море 3313K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Виталий Иванович Войтов - Юлен Ефремович Очаковский - Олег Викторович Копелевич

Ю. Е. Очаковский, О. В. Копелевич, В. И. Войтов Свет в море

Ответственный редактор

член-корреспондент АН СССР В. Г. Богоров

От редактора

Исследование взаимосвязи между географическим распределением оптических характеристик и гидрологическими, биологическими, геологическими факторами — одна из важнейших задач оптики моря.

Так как оптика моря является одним из разделов физики — оптики светорассеивающих сред, то это объединяет ее с оптикой атмосферы. Однако оптика моря сильно отличается от атмосферной благодаря резкому различию оптических свойств атмосферы и океана.

Если оптика атмосферы имеет солидный стаж, то оптика моря — наука молодая. Ее бурное развитие началось лишь в послевоенные годы. За последнее двадцатилетие интерес человечества к океану резко повысился. В связи с этим стали актуальными проблемы подводного освещения и видимости под водой. Развитие и совершенствование подводного телевидения, аппаратуры для кино- и фотосъемки под водой также требовали хорошего знания оптических свойств морской воды и физических законов, определяющих проникновение и распространение света под водой. С оптикой моря связаны процессы биологической продуктивности и эксплуатации живых богатств океана.

В наши дни оптикой моря занимается целый ряд научно-исследовательских учреждений страны. В сводных работах по физике моря и океанологии оптическим характеристикам всегда уделяется должное внимание. В то же время практически отсутствует научно-популярная литература, посвященная оптике моря, если не считать главы в книге В. В. Шулейкина «Очерки по физике моря» и нескольких журнальных статей.

Книга «Свет в море» призвана восполнить этот пробел. В ней рассказывается о том, как происходит распространение света в море, чем отличаются друг от друга оптические свойства различных морей и океанов, каково происхождение цвета моря, какое значение оптика моря имеет для морской биологии и других наук о море, для потребностей техники.

Член-корреспондент АН СССР

В. Г. БОГОРОВ

Предисловие

Более двух третей поверхности нашей планеты занимают моря и океаны. В них обитает огромное количество рыбы, различных моллюсков, водорослей. На океанском дне лежат богатейшие россыпи марганца и железа. Морскую воду не случайно называют жидкой рудой: ведь Мировой океан хранит в растворенном состоянии около 8 млн. т золота, 164 млн. т серебра и множество других химических элементов. Запасы же полезных ископаемых под Океанским дном поистине неисчислимы.

Велики также энергетические ресурсы океана: мировые «запасы» энергии приливов достигают 1 100 000 млн. квт, а количество дейтерия, содержащегося в морских водах, сможет обеспечить энергетические нужды человечества в течение ближайшего миллиарда лет.

Однако эти богатства используются крайне слабо. Бесконечная водная стихия для нас все еще terra incognita. Лишь XX век открыл «эру морей».

Человек все глубже проникает в море. Он приходит туда с кинокамерой и фотоаппаратом, опускает под воду телевизионную аппаратуру. Для конструирования и использования этой техники необходимо знать оптические свойства морской воды, правильно представлять себе физические законы, определяющие распространение света в море.

Знания эти важны и для некоторых других наук, например для морской биологии. Ведь жизнь в морских глубинах обязана своим существованием Солнцу, солнечной энергии, а основной процесс, в результате которого создается вся первичная продукция морей и океанов, — это фотосинтез. Биологам моря необходимы сведения о том, какое количество света проникает на ту или иную глубину в море, как изменяется световой режим в морских глубинах в течение суток и в течение года, чем отличаются условия проникновения света в различных водах.

Ответы на эти и многие другие вопросы дает оптика моря — молодая, быстро развивающаяся наука, которой и посвящается эта книга.

Рождение гидрооптики

Основная задача этой науки — изучать оптические свойства морской воды и закономерности, определяющие проникновение и распространение света в море.

Первые исследования в этой области проводил еще в начале XVIII в. французский физик Пьер Бугер, создавший фотометрию — науку о количественных измерениях света. Академик С.И. Вавилов считал, что имя Бугера в истории оптики должно стоять наряду с именами Ньютона и Гюйгенса. В своем знаменитом «Оптическом трактате»[1] Бугер исследовал множество вопросов, связанных с измерениями света, его отражением от гладких и шероховатых поверхностей, распространением света в различных средах. Большинство из них имеет самое непосредственное отношение к морю. Бугеру принадлежит заслуга открытия одного из главных законов, определяющих распространение света в морской среде, — закона, названного впоследствии его именем. Ученый сформулировал основные принципы теории видимости предметов через освещенную мутную среду и применил ее для расчета предельной глубины их видимости под водой. По его инициативе начались лабораторные исследования морской воды.

Однако если говорить об оптических измерениях непосредственно в море, то здесь приоритет принадлежит русскому исследователю О. Е. Коцебу, который первый измерял относительную прозрачность моря с помощью погружаемых предметов. Своими успехами в первой половине XX в. наука о свете в море обязана в основном усилиям русских ученых.

В конце прошлого столетия петербургский физик О. Д. Хвольсон сформулировал уравнение переноса излучения — основное уравнение, описывающее распространение света в мутных (светорассеивающих) средах, в частности в море. Он исходил из простых физических соображений — сохранения лучистой энергии в элементарном объеме вещества. В последнее время появились работы, в которых предприняты попытки установить связь этого уравнения с уравнениями Максвелла и обосновать его законность с точки зрения электродинамики. В послевоенные годы индийский ученый С. Чандрасекар и советский физик Г. В. Розенберг модернизировали уравнение переноса, чтобы учитывать также поляризацию излучения.

В начале 20-х годов нашего века индийскому ученому Ч. Раману и советскому физику В. В. Шулейкину удалось объяснить происхождение цвета моря. Теория Рамана пригодна лишь для прозрачных вод, формула Шулейкина более общая. Несколько позднее А. Г. Гамбурцев создал еще более общую теорию: выведенная им формула для света, выходящего из моря, включает в себя формулы Шулейкина и Рамана как частный случай.

Вклад академика Шулейкина в гидрооптику не ограничивается лишь объяснением цвета моря. Он создал теорию многократного рассеяния света в море, исследовал рассеяние света взвешенными частицами и действие света на окраску различных подводных водорослей и животных. На основанной им в 1929 г. в Кацивели Черноморской гидрофизической станции в настоящее время ведутся исследования по оптике моря, широко известные как в Советском Союзе, так и за рубежом.

Одним из основоположников современной гидрооптики является также советский ученый профессор А. А. Гершун. Он создал теорию светового поля в мутных средах, послужившую основой теоретической гидрооптики. Раньше фотометрия ограничивалась лишь рассмотрением самих излучающих и поглощающих тел, а промежуточная среда, в которой распространялся свет, исключалась из рассмотрения. Гершун ввел представление о поле лучистой энергии в среде как о физическом поле и создал его математическую теорию. Гершун первый изучил многие важные вопросы фотометрии мутных сред и разработал ряд оптических приборов для наследований в море. Написанная им в 1939 г. вместе с Вс. А. Березкиным и Ю. Д. Янишевским монография «Прозрачность и цвет моря»[2] остается до сих пор классическим произведением, посвященным оптике моря[3].

Из зарубежных исследователей-гидрооптиков, работавших в 30—40-е годы, необходимо назвать имена И. Ле Грана и Г. Петтерссона. Французский ученый И. Ле Гран опубликовал несколько интересных работ, посвященных теории распространения света в море; швед Петтеросон — создатель многих гидрооптических приборов — один из первых начал проводить оптические исследования, погружая аппаратуру непосредственно в море.

Гидрооптика как наука принадлежит одному из разделов физики — оптике светорассеивающих сред (сюда же относится и оптика атмосферы). Поэтому для развития гидрооптики очень большое значение имели общетеоретические работы В. А. Амбарцумяна, В. В. Соболева, С. Чандрасекара, Г. В. Розенберга, Р. Прайзендорфера, К. С. Шифрина и Ван де Хюлста. Развитые ими методы исследования распространения излучения в светорассеивающих средах имеют прямое отношение к морю.

Уже говорилось об основном уравнении теории мутных сред — уравнении переноса излучения. Его решение позволяет получить интересующую нас информацию о световом поле в море в зависимости от условий освещения и оптических свойств морской воды в данном районе. Беда, однако, в том, что полного решения уравнения применительно к морю до сих пор еще нет. Математических трудностей, с которыми оно сопряжено, не удалось преодолеть даже с появлением электронно-вычислительных машин. Большинство современных гидро-оптических исследований основывается на результатах экспериментальных работ, которые кладутся затем в основу теоретических построений.

Особенно широкое распространение экспериментальные оптические исследования непосредственно в море получили в послевоенные годы.

В 1947–1948 гг. во время кругосветного рейса шведского научно-исследовательского корабля «Альбатрос» Н. Ерлов выполнил комплексные измерения в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. На их основе он разработал первую оптическую классификацию морских и океанских вод.

В нашей стране также широко развернулись исследования оптических свойств вод морей и океанов. В 1948–1951 гг. М. В. Козлянинов проводил обширные оптические измерения в морях, омывающих берега Советского Союза.

С вступлением в строй научно-исследовательского корабля «Витязь» в 1949 г. Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР (ИОАН) начал регулярные оптические измерения в дальневосточных морях и в Тихом океане. В это же время под руководством А. А. Гершуна и В. Б. Вейнберга в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова разрабатывались новые гидрооптические приборы.

Значительно расширило наши знания об оптических свойствах вод открытых океанских акваторий проведение Международного геофизического года и Международного геофизического сотрудничества в 1957–1959 гг. В период подготовки к этим международным исследованиям в Советском Союзе был создан первый комплект аппаратуры, предназначенный для массовых измерений оптических характеристик морей и океанов, — фотоэлектрический прозрачномер ФПМ-57, измеритель подводной освещенности ФМПО-57, спектрогидронефелометр — прозрачномер СГН-57 и гидрофотометр ФМ-46.

В эти годы интенсивно развивается раздел гидрооптики, который можно назвать оптической океанологией. Задачи оптической океанологии — изучение географического распределения и сезонной изменчивости оптических свойств вод Мирового океана и выявление связей между оптическими характеристиками, с одной стороны, и гидрологическими, биологическими и геологическими факторами — с другой.

В становлении оптической океанологии заметную роль сыграли работы И. Йозефа. На экспериментальном материале, полученном главным образом в проливах, соединяющих Северное и Балтийское моря, он показал, что между некоторыми оптическими характеристиками и гидрологическими условиями существует определенная зависимость и что различным водным массам присущи достаточно четкие оптические признаки.

В Тихом океане, кроме шведского «Альбатроса», гидрооптические измерения проводили японские, американские и австралийские исследователи.

Большой вклад в изучение оптических свойств Мирового океана внесли советские исследователи. «Витязь» в Тихом и Индийском океанах, «Михаил Ломоносов» в Атлантическом океане, «Обь» в приантарктических водах, «Академик С. Вавилов» в Средиземном и Красном морях покрыли довольно густой сетью гидрооптических станций обширнейшие акватории. На рис. 1 представлена карта Мирового океана с гидрооптическими станциями (из них почти 75 % принадлежит советским экспедициям).

Одновременно с экспедиционными работами ведутся экспериментальные и теоретические исследования светового поля, создаваемого естественными и искусственными источниками; изучаются условия видимости под водой (большая заслуга в этом принадлежит американским ученым Дантли, Тайлеру и Прайзендорферу).

Французский гидрооптик А. А. Иванов большое внимание уделяет поляризации естественного света, видимости под водой и оптическим свойствам морских вод. Широкую известность приобрели работы Ж. Ленобль. Несомненно интересны изыскания А. Мореля, изучающего процессы рассеяния в море.

Наряду с измерениями непосредственно в море широко развиваются исследования на искусственных средах, моделирующих оптические свойства морских вод. Работы, проведенные В. А. Тимофеевой в Морском гидрофизическом институте АН УССР и А. П. Ивановым в Институте физики АН БССР, позволили исследовать в лабораторных условиях многие закономерности распространения света в океане.

Оптика моря — органическая часть большого комплекса наук, изучающих физические свойства вод Мирового океана. Ее успехи неразрывно связаны с развитием океанологии в целом.

Поглощение и рассеяние света в морской воде

Вряд ли кого удивит тот факт, что дневной свет, распространяясь в толще моря, ослабевает с глубиной. А вот почему это происходит? На этот вопрос, вероятно, ответит далеко не каждый.

Каким образом вода «борется» с лучом света, пытающимся проникнуть в ее толщу? В чем заключается физический смысл процесса ослабления света водой?

Чтобы детально разобраться в этом, надо познакомиться с двумя процессами, взаимное воздействие которых на свет и приводит к его ослаблению в воде. Одним из этих процессов является поглощение, а вторым — рассеяние.

Свет превращается в тепло

Поглощаясь, световая энергия переходит в другие виды энергии, в частности в тепловую. Кажется, все ясно. Но стоит на мгновение задуматься — и сейчас же возникают вопросы: почему световая энергия поглощается морем, каков механизм этого процесса, каким образом свет превращается в тепло? И вот здесь-то мы и попадаем в дебри атомной физики. Чтобы ответить на возникшие вопросы, надо от понятия «свет» перейти к понятию «квант энергии», а от толщи моря — к молекуле воды.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк создал квантовую теорию излучения света. Эта теория получила свое дальнейшее развитие в работах А. Эйнштейна, который доказал, что излучение, распространение и поглощение света происходит в виде отдельных порций света — квантов, т. е. своеобразных частиц световой энергии, впоследствии получивших наименование «фотоны» (от греческого слова photos — свет). Чем же они характеризуются?

Фотону присущи многие свойства материальной частицы. Так, он обладает энергией, количеством движения (импульсом) и массой, которые можно определить следующим образом: энергия W = hv; импульс p = hv/c; масса m = hv/c2, где h — постоянная Планка (6,6∙10-34 дж∙сек); с — скорость света в вакууме (3∙108 м∙сек-1); v — частота, с которой фотон был излучен, определяемая из соотношения v = c/λ сек-1, где λ — длина волны света.

Но все же фотон не материальная частица. Все дело в том, что его масса — это масса движения. Масса покоя фотона равна нулю. Другими словами, фотон существует, пока он движется.

Особенность квантовой теории света состоит еще и в том, что эта теория отнюдь не отрицает волновую природу света. Как мы видели, квант энергии количественно выражается через волновую характеристику — частоту световых колебаний

Мириады фотонов пронизывают верхнюю толщу моря со скоростью света (в воде эта скорость в 1,34 раза меньше, чем в воздухе) и несут с собой огромные запасы энергии, излучаемой Солнцем. Представить себе количество фотонов, находящихся в данный момент в океане, так же трудно, как оценить количество содержащихся в нем молекул, исходя из того, что в 1 м3 воды их 3,34∙1025.

Но все же примерный подсчет показывает, что летом где-нибудь на Южном берегу Крыма в солнечный день 1 м2 поверхности моря пересекает в одну секунду около 2,7∙1021 фотонов. По одному количеству фотонов трудно судить об энергии, приносимой ими в море. Дело в том, что энергия фотонов различна и, как следует из приведенных выше формул определяется частотой, с которой фотоны были излучены, т. е. длиной волны света. Фотонам различной «окраски» соответствует разная энергия.

Пользуясь существующим соотношением, подсчитаем, какой же энергией обладает фотон фиолетового с длиной волны 380 нм[4] и фотон красного света, имеющий длину волны 770 нм:

джоулей = 3,3 эв;

джоулей = 1,6 эв.

Таким образом, фиолетовый свет вдвое энергичнее красного. В свою очередь это приводит к определенным различиям во взаимоотношениях фотонов с молекулами воды. Для того чтобы понять их характер и то, как лучистая энергия преобразуется в тепловую, надо обратиться к молекуле воды (рис. 2, а).

Она состоит из двух положительно заряженных атомов водорода и одного отрицательно заряженного атома кислорода. Атомы располагаются по вершинам равнобедренного треугольника и удерживаются относительно друг друга «пружинами» энергетических связей. Подобная система обладает определенным запасом кинетической энергии и находится в непрерывном движении: атомы на своих «пружинах» совершают упругие колебания с определенным размахом, а молекула в целом может перемещаться и вращаться относительно любой из осей х, у или z.

В воде отдельные молекулы Н2O стараются сгруппироваться в ассоциации в виде своеобразных тетраэдров (рис. 2, б). В силу электрического характера межмолекулярных связей каждый отрицательно заряженный атом кислорода тянется к положительному атому водорода. Такой контакт молекул носит название водородной связи.

Попытаемся теперь проследить механизм преобразования лучистой энергии фотона в другие виды энергии, в частности в тепловую энергию движения молекул.

Как известно, тепловой энергией тела называют энергию неупорядоченного движения его молекул. Интенсивность этого движения определяется запасом кинетической энергии, которым обладают молекулы.

Далее представим себе, что в одну из молекул ударит квант световой энергии — фотон. Что может произойти? Молекула поглощает фотон, т. е. увеличивает свою энергию на величину, равную энергии поглощенного фотона, или, как говорят физики, происходит возбуждение молекулы. Хотя в возбужденном состоянии молекула находится очень недолго (порядка 10-8—10-9 сек), но за это время она тем не менее может успеть пройти расстояние, отделяющее ее от соседней молекулы, находящейся в невозбужденном состоянии, и передать ей излишек своей энергии.

Таким образом, энергия поглощенного фотона превращается в энергию колебательного, вращательного и поступательного движения молекул, т. е. в тепловую энергию. Растолкав в своем движении соседние молекулы и отдав им избыточную энергию, приобретенную у поглощенного фотона, наша молекула вновь ждет встречи со следующим фотоном. Но каждая ли встреча с квантом энергии кончается для молекулы благополучно? Оказывается, нет. Достаточно молекуле воды поглотить фотон, обладающий энергией 5,1 эв, и она может перестать существовать как единое целое. Такой фотон разрывает внутренние связи молекулы воды, и она распадается (диссоциирует) на Н и OH, а если энергия фотона была 9,5 эв, то на Н — О—Н[5].

Рис. 2. Строение молекул воды (а) и их взаимное расположение (б)

Может ли свет в море произвести такое разрушение молекул? К счастью, нет. Ведь энергия фотонов видимого света, распространяющегося в море, не превышает, как мы рассчитывали, 3,3 эв. Это разрушение могли бы вызвать фотоны ультрафиолетового света, имеющие длину волны излучения менее 240 нм. Однако, как мы узнаем в дальнейшем, такой свет практически полностью задерживается атмосферой и не достигает поверхности моря. А вот для нарушения водородной связи, т. е. разрушения ассоциаций молекул, энергии видимого света достаточно, ибо энергия водородных связей меньше 1 эв. Таким образом, свет, проникающий в толщу моря, заставляет молекулы воды беспрерывно перемещаться, соединяться друг с другом и делиться энергией, полученной у поглощенных фотонов. Причем обладающий меньшей энергией красный свет поглощается быстрее синего и подавляющая часть его лучистой энергии переходит в тепловую.

Обладающий большей энергией синий фотон способен более длительное время противиться поглощению. При столкновении с молекулой он лишь несколько изменяет направление своего движения, но продвигается дальше. Только после многократных столкновений он в конце концов поглощается при очередной встрече с молекулой воды.

Совокупность этих, казалось бы, ничтожно малых процессов, умноженная на их массовость, обусловливает в конечном счет движение вод в океане, их температуру и жизнедеятельность организмов, населяющих его толщу.

Но поглощенная энергия преобразуется не только в тепловую. Поглощенный клетками фитопланктона, находящимися в морской воде, квант световой энергии приводит к химической реакции синтез вещества в молекулах белка и вызывает процесс обмена веществ, т. е. производит фотохимическое или фотобиологическое действие.

Так как фотоны в зависимости от частоты (т. е. от длины волны света) обладают, как мы убедились, различной энергией, то и поглощаются по-разному. Как же оценить это поглощение количественно?

Способность любого вещества поглощать свет характеризуется его показателем поглощения.

Направим на тонкий слой вещества луч света. Количество фотонов (ΔN), поглощенных этим слоем, будет пропорционально его толщине (Δz) и числу N фотонов, падающих на этот слой: ΔN = ϰNΔz.

Коэффициент пропорциональности ϰ в этой формуле зависит только от поглощающих свойств данного вещества и носит название показателя поглощения. С физической точки зрения он равен вероятности того, что фотон, пробегая в веществе слой единичной толщины, будет поглощен в этом слое.

Измеряется показатель поглощения в единицах, обратных единицам длины: см-1, м-1, км-1. В оптике моря используют м-1.

Показатель поглощения является спектральной величиной, т. е. его значения зависят от длины волны света. Способность воды избирательно поглощать свет различных длин волн называется селективностью.

Насколько отличаются показатели поглощения (в пределах видимой области спектра) у дистиллированной воды, видно из следующих данных:

Цвет Фиолетовый Синий Зеленый Оранжевый Красный НМ 400 450 500 550 600 650 700 м-1 0,0050 0,0013 0,0025 0,015 0,091 0,15 0,26

Как видим, поглощение красного света в сотни раз больше, чем сине-зеленого. Но приведенные показатели характеризуют поглощение света собственно молекулами воды. В морской воде это процесс гораздо более сложный, ибо фотоны поглощаются не только молекулами, но и растворенными в воде веществами органического и неорганического происхождения.

В ней растворены практически все известные нам химические элементы. Профессор Н. Н. Зубов писал: «…если некоторые из них (элементов. — Авт.) до сих пор не обнаружены, то это надо приписать скорее неточности методов определения, чем действительному их отсутствию»[6].

Больше всего в морской воде содержится солей натрия, калия и магния. Морская вода обладает одним удивительным свойством: постоянством своего солевого состава. Концентрация растворенных солей в океане может в зависимости от местных условий меняться в довольно широких пределах, но соотношение между основными солями остается неизменным.

Чем же отличается (с точки зрения поглощающих свойств) морская вода от дистиллированной?

Еще в 1927 г. очень интересные измерения проделал американский ученый Е. Хальбарт. Справедливо считая, что поглощение в морской воде обусловлено как самой водой, так и растворенными в ней солями, он исследовал молекулярные коэффициенты поглощения NaCl, KCl, MgCl2, MgSO4 и CaSO4. В результате измерений Хальбарт установил; что в видимой области спектра поглощение дистиллированной водой мало отличается от поглощения в хорошо отфильтрованной чистой морской воде. А вот в ультрафиолетовой области спектра растворенные соли резко увеличивают показатель поглощения.

В море кроме солей растворены еще и органические вещества, которые увеличивают поглощение и меняют (по сравнению с дистиллированной) селективность морской воды. Особенно это присуще водам, содержащим большое количество таинственного «желтого вещества».

Последние исследования ученых и. главным образом фундаментальные работы немецкого океанолога К. Калле показали, что «желтое вещество» состоит из свободных углеводов и свободных аминокислот, образующихся в результате распада органических веществ, конечный продукт которого — гуминовые соединения, имеющие желтый цвет и весьма устойчиво сохраняющиеся в водах моря. Эти соединения содержатся во всех морях и океанах, но особенно много их в районах высокой продуктивности, богатых органическими веществами. Присутствие «желтого вещества» значительно изменяет спектральную кривую поглощения морской воды (рис. 3). У вод Балтийского моря, богатых «желтым веществом», показатель поглощения выше, чем у чистых вод, а его минимум смещен в более длинноволновую часть спектра.

Эта разница в значениях показателей поглощения и в их спектральном распределении может заметно сказаться на температуре поверхностного слоя моря. При прочих равных условиях (количество упавшей энергии, интенсивность перемешивания и т. п.) воды с повышенной концентрацией «желтого вещества» будут лучше прогреты, чем такой же слой чистых океанских вод. Грубо говоря, мутные воды более теплые, чем чистые. Если одно и то же количество световой энергии будет поглощено, т. е. в значительной степени преобразовано в тепловую, в тонком слое мутной воды, то этот слой будет нагрет сильнее, чем более толстый слой чистой воды, поглотивший ту же энергию.

Наряду с другими факторами данное явление определяет более бурное протекание процесса фотосинтеза, т. е. образования фитопланктона, в водах с повышенным содержанием «желтого вещества». Это один из примеров взаимообусловленности процессов, происходящих в море.

Таким образом, поглощение света в морской воде вызывается как поглощением молекулами самой воды, так и растворенными в ней неорганическими и органическими веществами. Мы уже говорили о том, что в видимой области спектра неорганические соли оказывают слабое влияние на поглощение света; следовательно, различие в спектральных кривых поглощения морской воды может возникать только за счет различия в количестве и характере растворенного в воде органического вещества[7].

Показатель поглощения — одна из важнейших гидрооптических характеристик, знание которой необходимо для различных расчетов, связанных с распространением света в море. А вот как его измерить?

Рис. 3. Спектральные кривые показателей поглощения дистиллированной воды (1), отфильтрованной морской воды (2), естественных вод Атлантического океана (3) и Балтийского моря (4)

Рис. 4. Спектральные кривые ослабления света морской водой, измеренные различными приборами:

1 — обычным спектрофотометром (рассеяние совершенно скрадывает эффект поглощения);

2 — с помощью молочного стекла (хорошо видны пики поглощения хлорофилла у 440 и 675 нм)

Еще в конце XIX в. появились более или менее точные данные о поглощающей способности воды. Так, Г. Гюфнер и Е. Альбрехт, направляя солнечный свет в трубки с водой, определили ослабление водой различных участков видимого спектра. Затем на дистиллированной и озерной воде выполнил измерения О. Ауфзесс. Эти определения долгое время считались классическими. Данные об ослаблении света водой в инфракрасной области спектра были получены Ашкинассом. В диапазоне длин волн от 360 до 800 нм тщательные исследования провел Джемс.

Все указанные измерения, как правило, производились на пробах воды, залитых в трубки со стеклянными торцевыми крышками. Трубки затем помещались в различного типа спектрофотометры. Луч света определенной длины волны пропускался через слой воды известной толщины. По отношению интенсивности света, прошедшего через воду, к интенсивности падающего света вычислялся спектральный показатель поглощения.

Здесь необходимо сделать одну оговорку. Мы уже указывали на то, что свет в воде ослабляется под воздействием двух процессов: поглощения и рассеяния. Поэтому при измерениях поглощения описанными методами надо было быть уверенным, что свет, проходивший через трубку с водой, только поглощался, а не рассеивался.

Как известно, спектральный анализ широко применяется при исследовании содержания и состава различных веществ. Измерив спектр поглощения исследуемой системы (т. е. зависимость показателя поглощения от длины волны света), по положению максимумов и минимумов поглощения в этом спектре можно судить о составе и количестве присутствующих веществ. К морской воде, где рассеяние, как правило, значительно превышает поглощение, обычные методы спектрального анализа неприменимы. Ведь к потерям света в результате поглощения обязательно добавятся потери из-за рассеяния, которые могут значительно исказить истинную спектральную зависимость поглощения (рис. 4). Определение истинного поглощения в рассеивающей среде (в частности, в морской воде) — серьезная проблема, не решенная до конца и в настоящее время. Измеряя поглощение в лабораториях, исследователи пускаются на различные хитрости, чтобы собрать в приемнике вместе с прошедшим и весь рассеянный свет. Один из таких методов был предложен японским профессором Сибата в 1954 г. Между приемником и кюветой помещают рассеивающее опаловое стекло, а стенки кюветы покрывают зеркально отражающим слоем с целью увеличить долю рассеянного света, попадающего в приемник. Как видно из рис. 4, этот метод позволяет в значительной степени избавиться от вредного влияния рассеяния.

Существуют также методы определения показателя поглощения в рассеивающих средах, основанные на теории светового поля. Применение этих методов требует погружения измерительной аппаратуры непосредственно в море.

Почему свет рассеивается в морской воде?

Представим себе, что путем многократных перегонок и фильтраций нам удалось получить некоторое количество воды, не содержащей ни одной даже мельчайшей частички пыли. Зальем эту «оптически пустую» воду в аквариум. Вообразим, кроме того, что ее молекулы равномерно распределены по всему объему и застыли на какое-то мгновение в таком положении. Направим теперь на одну из стенок нашего аквариума параллельный пучок света и посмотрим сбоку. Оказывается, ничего не видно.

Но стоит слегка подогреть воду, заставить шевелиться молекулы, и сейчас же станет различим едва заметный пучок проходящего через воду света.

Добавим в воду немного пыли или несколько капель молока. Пучок света теперь виден совершенно отчетливо.

Что же произошло?

Пока свет проходил через абсолютно однородную воду, рассеяние отсутствовало, поэтому мы ничего не видели через боковую стенку аквариума. Однако достаточно было нарушить однородность среды, подогрев ее или засорив посторонними включениями, и пучок сразу стал заметен, так как произошло частичное рассеяние света пучка. Чем же это объяснить?

Рис. 5. Флуктуация молекул:

1 — объем со средним количеством молекул; 2 — флуктуация с уменьшением плотности; 3 — флуктуация с увеличением плотности

С повышением температуры «застывшие» молекулы пришли в движение, беспорядочно собираясь в одном месте и образуя «пустоты» в другом, т. е. равномерное распределение молекул в объеме воды нарушилось. Такие нарушения называют флуктуациями плотности вещества.

Наглядно представить себе происшедшее можно, взглянув на рис. 5. Когда мы добавляли в «оптически пустую» воду пыль или капли молока, то тем самым нарушали однородность воды посторонними включениями, которые оказались в ней во взвешенном состоянии в виде твердых частиц (пыль) или эмульсии жира (молоко). Таким образом, в первом случае мы наблюдали рассеяние света, вызванное молекулами вещества, т. е. молекулярное рассеяние света, а во втором — рассеяние, обусловленное взвешенными частицами. Надо отметить, что оптические свойства этих частиц должны отличаться от оптических свойств воды, иначе никакого нарушения однородности не произойдет и свет рассеиваться не будет.

Впервые рассеяние света мелкими частичками, размеры которых меньше длины световой волны, исследовал английский физик Рэлей. Интенсивность рассеяния такими частичками обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Другими словами, если мы возьмем равный по интенсивности фиолетовый и красный свет, то энергии в рассеянном пучке фиолетового света будет почти в 17 раз больше, чем в красном.

Рис. 6. Индикатриса рэлеевского рассеяния

Если интенсивность излучения, рассеянного под углом 90° относительно первоначального направления, обозначить I90, то интенсивность рэлеевского рассеяния по всем другим направлениям (IY) будет подчинена определенной закономерности:

Произведя элементарно простой расчет и отложив на графике интенсивность рассеяния под различными углами в виде векторов соответствующей длины, можно, соединив концы этих векторов плавной кривой, получить так называемую индикатрису рассеяния (рис. 6). По форме этой индикатрисы видно, что при рэлеевском рассеянии вперед рассеивается столько же света, сколько и назад, т. е. рассеяние симметрично относительно осей х и у. Естественно, чем больше в воде рассеивающих частиц, тем сильнее будет рассеиваться свет.

В 1908 г. М. Смолуховский предположил, что скопления молекул, возникающие из-за флуктуаций плотности, могут рассеивать свет так же, как и материальные частицы. А. Эйнштейн дал дальнейшую математическую разработку теории Смолуховского. Выведенные уравнения позволили рассчитать величину рассеяния, которое происходит в воде за счет флуктуаций плотности. Полученные величины оказались настолько малы, что объяснить ими рассеяние, наблюдаемое в море, было невозможно. Даже в самых чистых океанских водах молекулярное рассеяние играет отнюдь не главную роль. Чем же рассеивается свет в чистейших водах морей и океанов?

Дело в том, что эти воды чисты, если ими любоваться с палубы корабля. Однако стоит каплю морской воды поместить под микроскоп, как мы обнаружим в ней одноклеточные планктонные организмы, диаметр которых в 100 раз больше длины волны голубого света (рис. 7).

Рассматривая каплю воды под электронным микроскопом (рис. 8), легко убедиться, насколько грязна на первый взгляд чистая морская вода. В ней всегда во взвешенном состоянии присутствуют мельчайшие обломки диатомовых и радиоляриевых организмов, каолинита, гидрослюд и многих других частичек органического и минерального происхождения.

Всем известны чистота и прозрачность лазурных вод Средиземного моря. А вот морские геологи, занимающиеся изучением взвеси в море, Е. Емельянов и К. Шимкус, подсчитали, что в 1 м3 поверхностного слоя средиземноморской воды содержится в среднем около 1,5 г взвеси, состоящей из частичек отмерших организмов и пылинок, занесенных в море реками и ветрами. Геологи не только определили вес взвеси, но и подсчитали под микроокопом количество частиц и их распределение по размерам (рис. 9). Оказалось, что неорганических частичек размером 1–5 мк в кубическом метре воды около 250 млн., а органических — порядка 135 млн. Поэтому не случайно морская вода для распространяющегося в ней света считается мутной средой.

Впервые детальные исследования рассеяния света в мутных средах были проведены английским физиком Тиндалем в 1868 г. (это явление получило наименование тиндаль-эффекта). Затем немецкий ученый Густав Ми в 1908 г., изучая рассеяние света на частичках распыленного в воде золота, разработал теорию рассеяния на частицах, размеры которых больше длины волны света.

Оказалось, что такие «большие» частицы рассеивают свет совершенно иначе, чем при рэлеевском рассеянии. Значительная часть рассеянного света направлена вперед, и лишь небольшая — назад, навстречу падающему пучку. Ни о какой симметрии уже не может быть речи. Причем доля рассеянного вперед света определяется главным образом размером частиц. Это так называемый эффект Ми.

Рис. 7. Фотография взвешенных частиц в прибрежных водах Тихого океана

Рис. 8. Микрофотография частиц, содержащихся в пробе воды из Индийского океана

В. В. Шулейкин рассчитал индикатрисы рассеяния для крупных частиц. Некоторые из них представлены на рис. 10. С увеличением размера частиц индикатриса все больше и больше вытягивается вперед. При этом наблюдается еще одно любопытное явление: рассеяние перестает подчиняться рэлеевскому закону обратной пропорциональности четвертой степени длины волны. Шулейкин установил зависимость между размерами частиц и показателем степени при λ, которым следует заменять «рэлеевскую четверку»:

Показатели степени при λ 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Диаметр рассеивающих частиц μ 0,07 0,1 0,15 0,23 0,30 0,35

Из данных видно, что если размер частицы примерно равен длине волны видимой части спектра, то рассеяние перестает быть селективным, т. е. свет всех цветов рассеивается одинаково.

До сих пор все наши рассуждения относились к рассеянию на одной частице или совокупности одинаковых частиц. А как же оценить рассеяние в реальных условиях моря? Геологи достаточно убедительно показали, что в каждой капле морской воды содержится огромное количество самых разнообразных частиц. Причем надо учесть, что рассеяние зависит не только от их размеров, но и от оптических свойств того материала, из которого они состоят.

Мы уже говорили об индикатрисах, рассчитанных Рэлеем и Шулейкиным. Можно ли рассчитать с достаточной точностью индикатрису морской воды?

Принципиально такой расчет возможен, но для этого нужно иметь полное представление о количестве, размерах и оптических свойствах взвешенных в морской воде частиц. Современная техника исследований не позволяет получить всю необходимую нам информацию.

Зная индикатрису рассеяния во всем интервале углов от 0 до 180°, можно исследовать размеры взвешенных в воде частиц. Оптические методы определения размеров рассеивающихся частиц в различных средах, разработанные К. С. Шифриным, в настоящее время начинают использоваться и в оптике моря.

Рис. 9. Распределение частиц взвеси по крупности в водах Средиземного моря

1 — неорганическая; 2 — органическая

Рис. 10. Индикатрисы рассеяния для крупных частиц (по В. В. Шулейкину)

Для определения рассеивающих свойств морской воды необходимо проводить непосредственные измерения, либо доставив пробу воды в судовую лабораторию, либо опустив прибор в море. Такие приборы обычно называют нефелометрами.

Одним из первых приборов такого рода была установка, разработанная А. А. Гершуном и М. М. Гуревичем в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова. На рис. 11 приведена схема измерений рассеяния этим прибором. Сосуд с водой через оптическую систему освещался параллельным пучком света. Как и в примере с аквариумом, в этом сосуде из-за рассеяния света создается светящийся след, яркость которого под различными углами оценивает фотометр путем сравнения ее с яркостью матовой пластинки с известным коэффициентом отражения, помещенной в центре сосуда.

Получив ряд значений яркости для различных углов, во-первых можно построить индикатрису рассеяния, а во-вторых, рассчитать показатель рассеяния.

Если собрать весь свет, рассеянный по различным направлениям, мы получим общее число фотонов ΔN, рассеянных нашим объемом воды. Точно так же, как и в случае поглощения, это число пропорционально количеству фотонов N, падающих на слой, и толщине слоя Δz:ΔN = σNΔz. По аналогии с показателем поглощения коэффициент пропорциональности σ в этой формуле носит название показателя рассеяния. Он равен вероятности того, что фотон, пробегая в веществе слой единичной толщины, изменит направление своего движения.

Оригинальную конструкцию прибора для измерения рассеяния света разработал и применил В. В. Шулейкин. В его установке источником света служило солнце, лучи которого гелиостатом направлялись в систему линз и объективов, а оттуда в виде интенсивного пучка параллельного света в прибор. Многократно преломившись в коленчатой трубе установки, свет под разными углами освещал исследуемый объем воды, а яркость его сравнивалась фотометрическим устройством с яркостью эталонной пластинки.

Одним из современных «индикатрисомеров» является гидронефелометр СГН-57, сконструированный в ГОИ под руководством В. Б. Вейнберга. На рис. 12 изображен внешний вид этого прибора, а на рис. 13 — его оптическая схема. Как же ведут измерения этим прибором?

Рис. 11. Нефелометр Гершуна — Гуревича

Он устанавливается на специальном столе в судовой лаборатории. Так как измерения зачастую приходится вести во время качки, то прибор крепится к столу надежными зажимами. Первоначально предполагалось, что вода в прибор будет подаваться из-за борта по специальному шлангу с помощью насоса, но это оказалось очень трудно выполнить практически. Кроме того, этим путем можно было получить только воду самого поверхностного слоя моря. А как быть, если надо измерить рассеивающую способность воды, допустим, из Марианской впадины в Тихом океане, с глубин, превышающих 10 000 м или, более скромно, 1000–2000 м? Пришлось воспользоваться батометрами[8]. Но как ни мыли горячей водой с мылом, паром, специальными химикалиями и другими способами металлические батометры, которыми пользуются гидрологи, они оказались «грязными» для оптических исследований.

Тогда инженер А. С. Сусляев создал несколько типов «чистых» батометров из винипласта (рис. 14), позволяющих взять семилитровую пробу воды с любой глубины океана. В кювету прибора заливается около пяти литров воды, а остальная часть пробы может быть использована для исследования взвеси или других целей.

Рис. 12. Внешний вид спектрогидронефелометра СГН-57

Рис. 13. Схема прибора СГН-57, используемого в качестве нефелометра

1 — оптическое устройство; 2 — источник света; 3 — зеркало; 4 — объектив; 5 — освещенный объем воды, находящийся в поле зрения наблюдателя; 6 — осветитель узла сравнения прибора; 7 — окуляр

Измерения проводятся следующим образом. Оптическое устройство 1 концентрирует свет от лампы 2 в виде параллельного пучка, который, отразившись от зеркала 3 и пройдя через объектив 4, попадает в воду, осветив в ней определенный объем. Этот освещенный объем, естественно, как бы сам становится источником света, имеющим разную яркость в зависимости от того, под каким углом γ мы на него посмотрим. Наблюдатель, глядя в окуляр 7, выравнивает яркость фотометрических полей, создаваемую освещенным объемом воды и светом от осветителя узла сравнения прибора 6, и по отсчету на специальном барабане определяет яркость рассеянного света. Осветительное устройство жестко соединено с диском, закрывающим кювету прибора. На нем имеются градусные деления. Вращая диск, наблюдатель под различными углами освещает объем воды и измеряет яркость. По результатам измерений строятся графики индикатрисы и вычисляется показатель рассеяния. В приборе установлены также цветные светофильтры для того, чтобы все измерения можно было проводить в разных участках спектра.

В описанных исследованиях есть, однако, элемент искусственности. Пробу воды «вырывают» из родной стихии, переливают в прибор и т. д. Это несколько искажает естественные условия, в которых распространяется свет. Потому в последние годы гидрооптики все чаще измеряют рассеивающие свойства вод, погружая приборы непосредственно в море.

Внешний вид одного из таких приборов представлен на рис. 15. Принцип работы измерителя довольно прост. При измерениях блок осветителя 1 начинает медленно поворачиваться относительно центра рассеивающего объема 3. Перед фотоумножителем 2 при вращении последовательно проходят 12 окошек, прорезанных в лимбе прибора через каждые 10°. Ширина этих прорезей пропорциональна синусу угла, так что измеряемое рассеяние создается постоянным объемом. Как видим, это уже не визуальный, а объективный фотометр, в котором человеческий глаз заменен фотоумножителем.

Ерлов, описывая измерения, проведенные указанным прибором в верхних слоях моря, отмечал, что чувствительность фотоумножителя была столь велика, что наблюдения можно было проводить только в безлунные ночи с выключенным освещением на палубе судна. Благодаря этим мерам в иллюминатор фотоумножителя не попадал посторонний свет.

Рис. 14. Гидрооптический батометр конструкции Сусляева

Рис. 15. Внешний вид измерителя рассеяния Ерлова

1 — осветительное устройство; 2 — приемник излучения; 3 — ось вращения

В последнее время для измерения индикатрис рассеяния начали использовать приборы, у которых в качестве источника излучения применяется лазер. Это позволяет упростить оптическую схему прибора и в то же время получить интенсивный, направленный и монохроматический пучок света.

Какой же вид имеют индикатрисы морских вод?

Им присуща остро вытянутая, кинжальная форма (рис. 16, 3), чем они резко отличаются от индикатрисы рэлеевского рассеяния (рис. 16, 1) и индикатрисы рассеяния света в атмосфере (рис. 16, 2). Для практических расчетов индикатрисы рассеяния морских вод удобнее представлять в виде графиков, показанных на рис. 17.

Рис. 16. Сопоставление формы индикатрис рассеяния света при рэлеевском рассеянии 1, в атмосфере 2 и в морской воде 3

Здесь приведено пять индикатрис, измеренных в разных водах как лабораторными приборами 1, 2, так и приборами, погружаемыми в море, 3, 4 и 5. Для удобства сопоставления рассеяние под углом 90° принято за единицу. Мы видим, что характер рассеяния вперед на углах менее 90° у всех вод более или менее схож. Интенсивность света, рассеянного вперед, в тысячи раз больше интенсивности света, рассеянного назад.

Рис. 17. Индикатрисы рассеяния света, измеренные исследователями в разных водах

1 — Хальбарт (1945) — Чезапикский залив; 2 — Козлянинов (1957) — Восточно-Китайское море; 3 — Ерлов (1961) — северо-восточная часть Атлантического океана; 4 — Тайлер (1961) — калифорнийские прибрежные воды; 5 — Дантли (1963) — озеро Виннипесаки

Все предыдущие рассуждения относились к рассеянию в параллельном световом пучке, направленном от какого-либо осветительного устройства.

Процесс рассеяния естественного света, идущего от поверхности моря к его глубинам, несоизмеримо более сложен. Здесь мы имеем дело с многократным рассеянием. Солнечные лучи, проникая в море, в самом поверхностном его слое еще сохраняют вид направленного света. С глубиной каждый «конкретный луч» из-за рассеяния как бы делится на многие лучи, расходящиеся в разных направлениях. Эти лучи вновь делятся, и процесс длится до тех пор, пока свет не станет полностью рассеянным.

Прозрачность моря

От Северного полюса до берегов Антарктиды

Природа морей и океанов на разных широтах различна. При перемещении с севера на юг наряду с другими природными особенностями меняются и оптические свойства морской воды. Даже на глаз можно определить, что синие воды тропиков отличаются своей прозрачностью от зеленоватых вод умеренных широт. Белый диск, погруженный в воду Тихого океана на широте Гавайских, островов, будет еще виден на 40–50 м, а в Беринговом море он исчезнет на глубинах вдвое меньших. Для того чтобы понять, какую роль в прозрачности морей и океанов на разных широтах играют природные факторы, т. е., другими словами, понять планетарную закономерность изменения прозрачности в зависимости от географической зоны, совершим путешествие по меридиану от Северного полюса до экватора.

Схема географической зональности Мирового океана разработана членом-корреспондентом АН СССР В. Г. Богоровым. Географические зоны в океане подобны намечаемым на суше. Но есть и существенное различие. На суше зональность наблюдается лишь на поверхности, захватывая при этом тонкий почвенный покров, а в океане явления, связанные с зональностью, проникают, правда в ослабленном виде, во всю океаническую толщу. Каждой географической зоне присущи свои специфические черты и свои природное особенности.

Как показали исследования, прозрачность самым тесным образом связана с присутствием в воде взвешенных минеральных частиц и планктона. В своем путешествии через географические зоны прежде всего обратим внимание на природные условия, от которых в конечном итоге зависит наличие органических и неорганических частиц в морской воде.

Океан в ледовом панцире

…Долгие месяцы провел Фритьоф Нансен в Северном Ледовитом океане. Его «Фрам», напоминающий по форме половину кокосового ореха, намеренно вмерз в дрейфующие льды, чтобы таким образом достичь полюса. Зимой над безмолвными просторами покрытого ледовой шапкой океана царит ночь. Ночная темнота нарушается полярным сиянием. Его цветные полосы дрожат, переливаются, меняя оттенки, а затем исчезают.

Под четырехметровой толщей льда скрыты черные неосвещенные и, кажется, безжизненные воды океана…

Позднее советские биологи обнаружили жизнь на всех глубинах Северного Ледовитого океана. Она не была бурной, но все же теплилась. Разумеется, не зима с длинной ночью, а лето с полярным днем, когда солнце даже не скрывается за горизонт, наиболее благоприятно для жизнедеятельности морских организмов. Но солнечному свету не так-то просто проникнуть в океанскую толщу.

А. В. Трофимов еще в 1934 г. измерил подледную освещенность. Оказалось, что подо льдом остается лишь около 2 % от падающего на поверхность света. Однако в летний сезон ледовый покров океана несплошной — появляются полыньи. Специалисты подсчитали, что они в разгар лета в арктическом бассейне занимают примерно 10 % от всей площади. Естественно, что в полыньях жизнь интенсивнее. Сначала развиваются микроскопические водоросли — фитопланктон, а затем мелкие рачки — зоопланктон. Концентрация фитопланктона обычно значительно больше, чем зоопланктона, и именно он вместе с измельченными отмершими частицами (детритом) в основном определяет прозрачность вод открытого океана.

Скопления зоопланктона, которые хорошо фиксируются на эхограммах в виде «ложного дна», как правило, не отражаются на записи изменения прозрачности с глубиной. И наоборот, слои, богатые фитопланктоном, прекрасно вычерчиваются пером самописца, но не обнаруживаются эхолотом.

Влияние великих сибирских рек, несущих на север много органической и минеральной взвеси, ограничивается шельфовыми морями, причем мутно-бурые речные струи хорошо выделяются на фоне зеленых и сине-зеленых морских вод. Опытные полярные капитаны используют их в качестве навигационных ориентиров.

Известный океанограф и полярник Н. И. Евгенов вспоминал: «Как-то раз мы на „Малыгине“ после трудного прохода с отрядом судов Карской экспедиции через льды между Новой Землей и Ямалом вышли на чистую воду. Местоположение корабля было известно недостаточно точно. Мы могли только предполагать, что находимся в районе о. Белый, но тщетно мы искали в бинокли знак на острове — горизонт был подернут дымкой, кругом расстилалась однообразной пеленой поверхность моря. Вдруг капитан корабля, перегнувшись через поручни мостика, стал напряженно всматриваться в воду. „На что смотрите, Дмитрий Тимофеевич?“ — крикнул я ему. Капитан немного помолчал, а затем тоном удовлетворенного человека ответил: „Вода побурела. Вошли в обские воды“…»[9]

В Арктический бассейн поступают также более теплые и вместе с тем более соленые чистые атлантические воды, образующие мощный глубинный поток.

Таким образом, прозрачность вод Северного Ледовитого океана находится в прямой зависимости от летней фотосинтетической деятельности и имеет сезонный ход. Однако даже в разгар биологического лета количество фитопланктона слишком мало, чтобы заметно замутнить воду. Недаром океанолог Лафон, участник похода американской подводной лодки «Скейт» подо льдами Северного Ледовитого океана, утверждал, что близ полюса «исключительно прозрачная вода, пожалуй более прозрачная, чем в каком-либо другом месте».

Южнее многолетних льдов

Поверхность морей, омывающих нашу страну с севера, летом почти свободна от льдов. Лишь кое-где в сине-зеленых водах видны отдельные льдины.

В мае-июне здесь наблюдается «цветение» водорослей. Условия для этого вполне подходящие. Солнечного света много, а происходящее осенью и зимой энергичное перемешивание слоев обеспечивает поверхностную водную толщу питательными солями. Прогретый солнечным теплом и перемешанный ветром самый верхний водный пласт как бы отделяется от остальной толщи воды резким перепадом температуры — так называемым температурным скачком. Над ним обычно и наблюдается скопление планктона. Планктонные организмы, микроскопические рассеиватели света, вызывают заметное ослабление солнечных лучей. Поэтому в оптике моря слои с большой концентрацией этих мельчайших обитателей океана принято называть оптически рассеивающими слоями. Они могут быть тонкими и могут иметь толщину в несколько десятков метров. О. А. Соколов наблюдал из иллюминатора научно-исследовательской подводной лодки «Северянка» обилие планктона в Баренцевом море на глубинах 20–75 м.

«…Глубина 20 м. Вода, стала изумрудно-зеленой. Под водой была в самом разгаре весна, цвели мельчайшие водоросли.

40 м. Становится все темнее и темнее. Лодка плавно, но довольно быстро продолжала погружение…

45…50 м… Включили свет, открылось великолепное зрелище, какого нельзя увидеть в обычной надводной жизни: словно под водой в обратную сторону шел снег. Освещенные лучами прожекторов хлопья планктона плавно проплывали мимо иллюминатора вверх. Лодка продолжала погружение.

75 м. Естественный свет почти перестал просматриваться. Вода стала прозрачнее…»[10]

Спустя неделю-две после «цветения» планктона в Баренцевом море на глубине 70–75 м прекрасно видны мелкие детали дна и вполне можно определить вид растений и животных. А осенью, когда биологические процессы резко идут на убыль, условия для подводных наблюдений становятся еще лучше.

Прозрачность воды субарктических морей, конечно, меньше чем в Северном Ледовитом океане. Особенно она падает в весенний биологический сезон. Вблизи берегов на прозрачность моря оказывают влияние мутные речные воды, а на мелководных банках — взмученные ветром или приливом тонкие донные осадки.

Широты, богатые жизнью

На севере Атлантического океана, там, где встречаются холодные субарктические воды и теплые атлантические, гидрологи выделяют зону так называемого полярного фронта. Этот фронт обнаруживается не только по гидрологическим свойствам. Метеорологи также отмечают заметное различие температуры воздуха по обе его стороны.

Весной полярный фронт очень четко выявляется и по прозрачности: он разделяет мутные атлантические и более прозрачные субарктические воды.

В атлантических водах весной происходит бурное «цветение» фитопланктона и их прозрачность резко падает. В. Г. Богоров указывает, что именно в умеренных широтах обоих полушарий в весенний сезон самая обильная жизнь.

В другие сезоны наблюдается обратная картина: прозрачность атлантических вод оказывается выше субарктических. Академик Н. М. Книпович еще в начале нашего столетия отмечал, что пять синих прозрачных атлантических струй («пятерня Книповича») отчетливо выделяются на фоне зеленоватых вод Баренцева моря. Как и в субарктической зоне, для умеренных широт характерно наличие оптически рассеивающих слоев.

Синий пояс океана

Моряки эпохи парусного флота, пересекая тропические широты, проклинали царящие здесь длительные штили. Нередко в жарком неподвижном воздухе бессильно повисали паруса, и даже гордые клиперы, порой развивавшие скорость до 18 узлов, безнадежно застревали в самых синих и малоподвижных водах океана. Отсутствие ветра и палящие лучи солнца придают этим широтам определенное своеобразие.

Из-за сильного испарения концентрация солей в воде здесь выше средней океанической. Но в то же время вода очень теплая, а следовательно, сравнительно легкая. Слабые ветры плохо перемешивают толщу воды, и в ней мало биогенных элементов. Это самая неплодородная океаническая «почва». Не удивительно, что она дает очень низкий «урожай» фитопланктона. Ж.-И. Кусто и Ф. Дюма были поражены исключительными условиями видимости под водой у пустынного островка Сальведжем Гранде, находящегося в тропической части Атлантического океана между Мадейрой и Канарским архипелагом. Плавая на поверхности воды, они через маски изучали дно на глубине 30 м.

«Ничто не говорило о том, что нас отделяет от него плотная толща воды. На грунте — ни камешка, ни малейшего следа животных или растительных организмов. Вода словно дистиллированная; эпитет „прозрачная“, предполагающий прекрасную видимость на расстоянии, сравнимом с длиной хорошего концертного зала, здесь явно был недостаточным. Подводный ландшафт вырисовывался с пугающей четкостью…»[11]

Особое место в субтропическом поясе синих и прозрачных вод занимает удивительное море без берегов — Саргассово море. Еще в середине прошлого столетия о Саргассовом море всерьез говорили как об огромном водовороте — ловушке для парусных судов. Саргассово море представляли также в виде сплошного луга из плавучих водорослей, пересечь который нельзя не намотав водоросли на винт. Действительно, водорослей много, но они не образуют сплошного покрова. На один квадратный километр приходится 10 000—20 000 кустов водорослей размером 20–40 см. В то же время планктона в верхней толще Саргассова моря в 30–70 раз меньше, чем в Норвежском море.

Для гидрооптиков Саргассово море считается эталоном прозрачности. Лет 30 назад немецкий океанограф Г. Дитрих писал, что вода Саргассова моря по своим оптическим свойствам почти не отличается от дистиллированной.

Поверхностную толщу (0—150 м) профессор Н. Н. Зубов образно назвал производственной мастерской океана. В ней идет процесс фотосинтеза и рождается фитопланктон, наиболее эффективно замутняющий воду в открытом океане. Естественно, что прозрачность поверхностной толщи несколько меньше, чем в подстилающих слоях.

Однако американский биофизик Дж. Кларк сообщил, что в Саргассовом море он обнаружил аномальный ход прозрачности — очень высокую прозрачность верхней толщи (0—200 м) и понижение прозрачности на остальных глубинах.

В 1960 г. в Саргассовом море проводились оптические измерения с борта советского научно-исследовательского корабля «Михаил Ломоносов». Эти измерения не подтвердили выводов Кларка. Поверхностный слой (0—150 м) из-за присутствия небольшого количества фитопланктона был несколько мутнее, чем нижележащие водные слои.

Однако даже в поверхностном слое прозрачность вод Саргассова моря очень высока, особенно в сине-фиолетовой части спектра, следствием чего является насыщенный сине-фиолетовый цвет воды.

Прозрачные «реки» в океане

Пассатные течения, пересекающие океаны с востока на запад в тропических широтах, самые мощные и длинные течения Мирового океана. Они переносят огромные массы прозрачной воды. В Тихом океане пассатный поток омывает множество коралловых атоллов. И хотя поэты воспели синеву и кристальную прозрачность лагун, атоллы тем не менее являются источниками нарушения однородности прозрачных пассатных течений. С подветренной стороны атоллов создается разряжение пассатных струй и возникает небольшая зона подъема глубинных вод, что приводит в конце концов к возникновению обильного планктона. От этого источника вдоль пассатного потока тянется своеобразный мутноватый «хвост», обрывающийся в 30–50 милях от продуктивной зоны. На картах прозрачности такие образования мутной воды похожи на комету с головой близ атоллов.

В тропических широтах, как, впрочем, и в субтропических, можно пренебречь сезонными изменениями прозрачности, ведь сезонных изменений в поступлении солнечного света (как в северных широтах) здесь нет. Независимо от времени года человек, живущий в тропиках, в полдень лишается своей тени: круглый год солнце стоит высоко. Развитие тропического фитопланктона также круглогодично. Однако биологи заметили, что существует связь между ветром и численностью фитопланктона. В определенный сезон пассат усиливается, и тогда более энергично идет перемешивание водных слоев, что благоприятствует развитию фитопланктона. Его численность несколько увеличивается, но не надолго. Регулятором, который удерживает фитопланктон на обычном уровне, является зоопланктон. Мелкие тропические животные быстро развиваются вслед за фитопланктоном и моментально выедают его. Вспышка фитопланктона очень коротка, и его численность быстро возвращается к своему обычному уровню.

«Зеленый суп» на экваторе

Американский исследователь Биб писал, что вода на экваторе из-за обилия планктона имеет консистенцию супа. Конечно, это гипербола, но планктона здесь действительно очень много. Просто кажется необычным внезапное увеличение численности планктона на фоне синих, бедных жизнью вод, простирающихся к северу и югу от экваториальной полосы.

По сравнению с тропическими широтами глубина исчезновения белого диска уменьшается здесь на 10 м, а цвет воды становится голубым.

Причина заметного увеличения планктонного населения на экваторе — подъем глубинных, богатых питательными солями вод. Это так называемая зона экваториальной дивергенции[12]. На картах прозрачности, построенных по данным измерений с помощью точной аппаратуры, океанические зоны дивергенций отчетливо выделяются как полосы пониженной прозрачности.

На экваторе кончается наше «путешествие». Если бы оно продолжалось в Южном полушарии, то мы убедились бы, что и там географическая зональность выражена так же, как и в Северном. Однако наличие в Южном полушарии главного «холодильника» планеты — антарктического континента — и кругового дрейфового течения в поверхностных водах приводит к некоторому смещению зон.

Рис. 18. Изменение прозрачности морской воды на разных широтах

На рис. 18 показано изменение с географической широтой прозрачности воды на поверхности Мирового океана. В глубинной толще явления, связанные с зональностью, наблюдаются в сильно ослабленном виде, да и такого количества природных зон, как на поверхности, выделить не удается. Например, В. Г. Богоров для глубины более 500 м выделяет в Тихом океане три зоны: субарктическую, тропическую, антарктическую.

В глубинных водах уже нет живого фитопланктона[13]. Что касается зоопланктона, то его биомасса с глубиной заметно убывает. Так, в глубочайшей впадине Мирового океана — Марианской — ее значения в тысячу раз ниже, чем в слое 0—500 м. Среди компонентов взвеси, влияющих на прозрачность воды, главную роль играют остатки отмерших фито- и зоопланктонных организмов и различные неорганические частицы. В общей своей массе глубинные воды гораздо прозрачнее поверхностных.

Казалось бы, в океанических глубоководных впадинах должны быть самые прозрачные воды. Согласно же измерениям М. В. Козлянинова в Идзу-Бонинской впадине, воды предельных глубин мутнее, чем поверхностные. Вероятная причина их замутнения — оползни тонких донных осадков с крутых скалистых гребней, окружающих впадину.

В последние годы обнаружили еще одно интереснейшее явление — придонные мутьевые потоки. Таким образом, вблизи океанского дна прозрачность может понижаться за счет взмучивания частиц, слагающих тонкие донные осадки.

«Облака» в океане

Рассматривая географические зоны Северного полушария, мы говорили о скоплении частиц — оптически рассеивающих слоях. В некоторых районах Мирового океана наблюдается не один такой слой, находящийся над температурным скачком, а несколько. Существуют также и слои, выделяющиеся в толще воды своей высокой прозрачностью.

«Однажды мы плавали над подводной скалой в Средиземном море, — пишет Ж.-И. Кусто. — Вода была настолько мутна, что видимость ограничивалась несколькими ярдами. Двумя саженями ниже нам вдруг попался совсем прозрачный слой. Его сменил пятнадцатифутовый пласт воды молочного оттенка, с видимостью примерно в пять футов: После этого молока до самого дна шла чистая вода. В сумеречной прозрачной толще сновало множество рыб, и туманная пелена над нами напоминала низко нависшие тучи в дождливый день. Часто погружаясь на большую глубину, мы пересекали причудливо, чередующиеся мутные и прозрачные слои…»[14]

В феврале-марте 1952 г. научно-исследовательский корабль «Гаусс» производил в южной части Северного моря на протяжении 2100 миль непрерывную, регистрацию прозрачности с помощью фотоэлектрического прозрачномера, врезанного в днище корабля. Одновременно через каждую милю пути брались пробы планктона и взвеси. Редко на записях ход прозрачности был совершенно монотонен. Как правило, однообразие нарушалось единичными всплесками: «Гаусс» пересекал небольшие скопления планктона. Казалось, под килем корабля чистое синее небо с отдельными облачками. Ближе к берегам облачка эти сливались, образуя сплошной покров, подобный облакам стратусам.

В прибрежных районах большое влияние на прозрачность оказывает неорганическая взвесь — частицы терригенного происхождения. Немецкий исследователь Клаус Виртки, регистрируя прозрачность воды в прибрежном районе Балтийского моря и подсчитывая одновременно с помощью микроскопа число минеральных частиц и число клеток фитопланктона в пробах, приходит к выводу, что вблизи берега фитопланктон никак не влияет на величину прозрачности.

Обычно прибрежная полоса довольно узкая. Казалось бы, она должна существенно расшириться вблизи устьев рек, выносящих в море массу частиц. Однако сотрудники Института океанологии установили, что влияние на оптические свойства морских вод таких больших рек, как Нил или Ганг, распространяется в лучшем случае лишь на несколько десятков миль, причем мутные речные воды резко отграничиваются от прозрачных морских. Кроме частиц, выносимых реками, к терригенным частицам относятся эоловые. Тот, кто побывал зимой у берегов Западной Африки, никогда не забудет огромного красного солнечного диска. Причина его необычной окраски в том, что воздух насыщен тонкой красноватой сахарской пылью. Поднятая над пустыней и подхваченная нассатами, она выносится далеко в Атлантический океан. Даже на расстоянии нескольких сот миль от побережья, африканского континента пыльный туман иной раз так плотен, что видимость в нем всего 1,5–2 мили. Довольно далеко в Индийский океан ветер выносит частицы пыли из Аравийской пустыни. Но это аномальные явления. Обычно частицы эолового происхождения оседают в воде в непосредственной близости от берега.

Прибрежная зона, или полоса, составляет около 2–3 % от площади Мирового океана. На остальном огромном пространстве открытых океанов и морей главенствующую роль в ослаблении света играет фитопланктон.

От белого диска к современным прозрачномерам

В истории известны случаи, когда общепризнанным научным достижением становилось то, что сначала считалось курьезом. Так было и со способом визуального наблюдения прозрачности морокой воды, придуманным Коцебу, который опускал на тросе за борт обыкновенные столовые тарелки и следил за глубиной их погружения в разных местах Тихого океана. Наблюдения с помощью стандартного белого диска диаметром 30 см в настоящее время являются частью многих океанографических и гидрографических исследований. В литературе, особенно зарубежной, он нередко фигурирует как диск Секки. В 1866 г. патер Секки вместе с капитаном Чиальди провели многочисленные наблюдения в Средиземном море как с белыми, так и цветными дисками. Несколько позднее швейцарский географ Ф. Форель предложил белый диск именовать диском Секки. Отмечая заслуги Секки в становлении и развитии способа, все же белый диск по праву следовало бы назвать диском Коцебу.

В XIX и в начале XX в. визуальные наблюдения прозрачности морокой воды осуществлялись крайне нерегулярно и лишь лет 40 назад получили достаточно широкий размах, охватив многие районы Мирового океана. Вот ориентировочные данные о наибольшей глубине видимости белого диска.

Море, океан, залив Наибольшая глубина видимости белого диска, м Белое 8 Балтийское 13 Баренцево 18 Черное 25 Бенгальский залив 45 Индийский 50 Тихий 52 Саргассово 66,5

Как видно, рекордная глубина видимости белого диска отмечается в Саргассовом море. За последние 40 лет было выполнено несколько десятков тысяч измерений с помощью белого диска.

В Институте океанологии результаты этих наблюдений обобщаются для создания детальной карты Мирового океана. На рис. 19 (см. цв. вкл. на стр. 30) изображен лишь предварительный вариант такой карты. Дальнейшее накопление новых данных, безусловно, приведет к ее уточнению.

Рис. 19. Карта относительной прозрачности вод Мирового океана, составленная по данным измерений белым диском (глубина исчезновения диска, м)

Для построения карты было использовано 37 тыс. наблюдений с белым диском (необходимо отметить, что глубина видимости белого диска не является строгой количественной характеристикой прозрачности, хотя в значительной степени и определяется ею).

В оптике моря для глубины видимости белого диска принят термин относительная прозрачность.

О физических причинах, определяющих глубину видимости белого диска в разных водах, мы будем говорить дальше, а сейчас остановимся на измерении абсолютной прозрачности.

Устройство современных прозрачномеров

Путешествуя по географическим зонам Мирового океана, мы говорили о «более или менее прозрачных» водах, о слоях «повышенной и пониженной прозрачности», но нигде не приводили ее количественных оценок. В то же время в гидрооптике существует строгое определение понятия «прозрачность».

Направим на слой воды толщиной в один метр параллельный пучок света так, чтобы он падал перпендикулярно к поверхности этого слоя. Выраженное в процентах отношение светового потока, прошедшего через воду Фz, к величине падающего потока Ф0 называется прозрачностью:

Прозрачность θ однозначно связана с другой физической характеристикой — показателем ослабления.

Мы уже знаем, что при прохождении параллельного пучка света через тонкий слой воды часть фотонов поглотится, а часть рассеется, т. е. изменит направление своего движения. Число поглощенных фотонов равно: ΔNпогл = ϰN0Δz, а число рассеянных: ΔNрас = σN0Δz, где N0 — число падающих фотонов, Δz — толщина слоя, ϰ и σ — соответственно показатели поглощения и […]. Общее число фотонов, потерянных пучком в этом слое, равно сумме поглощенных и рассеянных: ΔNобщ = ΔNпогл + ΔNрас = (ϰ + σ)N0Δz = εN0Δz, где ε = ϰ + σ. Коэффициент пропорциональности ε в этой формуле называется показателем ослабления. Он равен сумме показателей поглощения и рассеяния. Величина показателя ослабления зависит от свойств данной среды и является одной из ее физических характеристик. Значения показателя ослабления, так же как и показателей поглощения и рассеяния, даются обычно в обратных метрах (м-1).

А как изменится световой пучок, пройдя в среде расстояние z? Разобьем это расстояние на совокупность достаточно малых отрезков Δz, в каждом из которых ослабление будет равно εФΔz, где Ф — значение светового потока в начале этого отрезка, а затем просуммируем ослабление на всех этих отрезках. Можно показать, что величина светового потока, прошедшего расстояние z в среде, будет равна: Фz = Ф0∙е-εz, где Ф0 — его первоначальная величина. Основание степени в этой формуле — число е — называют «натуральным», оно широко используется в высшей математике Число это иррациональное, его приближенное значение — 2,72.

Часто предпочитают иметь дело с обычным десятичным основанием. Наша формула и в этом случае сохраняет свой вид: Фz = Ф0∙10-ε'z, но здесь уже другой показатель ослабления; его значение в 2,3 раза меньше показателя ослабления ε (показателя при натуральном основании). Формула Фz = Ф0∙10-ε'z позволяет нагляднее представить себе физический смысл показателя ослабления: ε' — это величина, обратная расстоянию, которое пучок света должен пройти в среде, чтобы ослабиться в 10 раз. Используя полученную формулу, легко найти связь между показателем ослабления и прозрачностью:

И обратно: ε' = — lgθ.

Закон ослабления светового пучка в зависимости от расстояния, пройденного им в среде, был открыт Пьером Бугером. Значение его огромно, оно выходит далеко за рамки фотометрии. Закону Бугера подчиняется ослабление любого прямого потока энергии, будь это рентгеновы или гамма-лучи, электроны, нейтроны или какие-нибудь другие частицы. Тщательные исследования, проведенные академиком С. И. Вавиловым, показали, что закон Бугера справедлив в очень широких пределах изменения интенсивности света от 10-14 до 105 джоуль/сек∙м2 (т. е. примерно в 1020 раз). Отступления от этого закона удается наблюдать лишь в веществах с очень большими длительностями возбужденных состояний молекул (например, в урановых стеклах), или при необычайно высоких мощностях светового пучка[15].

Суть закона Бугера заключается в следующем: ослабление света на пути, составленном из нескольких конечных отрезков, равно не сумме, а произведению ослаблений на каждом из этих отрезков (в формуле Бугера этот факт подчеркивается тем, что оптическая длина пути, т. е. произведение показателя ослабления ε на длину отрезка z, находится в показателе степени).

Принцип действия современных прозрачномеров основан на использовании закона Бугера. В этих приборах измеряется световой поток, прошедший через слой воды определенной толщины (l). Сопоставляя значение этого светового потока с величиной падающего, легко найти показатель ослабления:

Ф = Ф010-ε'l, откуда:

Прозрачномеры делятся на две основные группы: приборы, измеряющие прозрачность непосредственно в море (приборы in situ), и приборы для измерения прозрачности в пробах воды на борту корабля или в стационарной лаборатории.

Приборы, входящие в первую группу, предназначены для вертикального зондирования в толще океана или для непрерывной регистрации прозрачности на заданном горизонте во время хода корабля. Первую модель подводного прозрачномера создал в 1922 г. Н. Н. Калитин. Он использовал фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Спустя 10 лет, когда появились фотоэлементы с запирающим слоем, в частности селеновые, Г. Петтерссон разработал фотоэлектрический прозрачномер, получивший широкое распространение в океанографических исследованиях. Прозрачномер Петтерссона представлял собой герметическую камеру, в которой помещался источник света — лампочка и приемный фотоэлемент, а также прикрепленное на расстоянии одного метра зеркало. Свет от лампочки, пройдя через линзу, в виде слабо расходящегося пучка выходил в воду и попадал на зеркало, укрепленное на расстоянии одного метра от камеры. Отраженный от зеркала свет возвращался на фотоэлемент.

Петтерссоновский прозрачномер конструктивно был улучшен И. Йозефом. В его измерителе прозрачности имеются две герметичные камеры. В одной из них помещается коллимированный источник света — лампа накаливания с линзой и диафрагмой — и контрольный фотоэлемент. Во второй камере находились конденсорная линза и диафрагма, препятствующая попаданию дневного света на установленный в этой камере приемный фотоэлемент. Между линзой и диафрагмой помещался диск с цветными светофильтрами. Обе камеры жестко соединялись между собой трубой с прорезями, в которую свободно входила морская вода.

Создаваемые в дальнейшем у нас и за рубежом прозрачномеры принципиально не отличались от упомянутых приборов (лишь вместо фотоэлементов стали использоваться фотоумножители). Внешний вид и оптическая схема одного фотоэлектрического прозрачномера (ФПР) представлены на рис. 20 и 21. Конструкция этого прибора и его последующих модификаций разрабатывалась под руководством А. К. Карелина.

Интересные образцы фотоэлектрических прозрачномеров сконструированы Г. Г. Неуйминым и А. Н. Парамоновым. Один из них (МИФП-3) позволяет осуществлять зондирование прозрачности до глубины 2000 м. Если все перечисленные выше прозрачномеры соединялись с лабораторией на борту судна с помощью кабеля, то в МИФП-3 используется телеметрическая или акустическая связь.

Рис. 20. Внешний вид фотоэлектрического прозрачномера ФПР

Рис. 21. Оптическая схема измерителя прозрачности

1 — лампа; 2 — зеркало; 3, 7, 12, 14 — линзы; 4, 8, 11, 13 — диафрагмы; 5 — теплозащитное стекло; 6 — опорный фотоэлемент; 9, 10 — защитные иллюминаторы; 15 — измерительный фотоэлемент; 16 — светофильтры

Неуймин разработал также прозрачномер, в котором можно менять длину пути света в воде, или, как говорят, измерительную базу. В этом прозрачномере использован принцип многократного отражения светового луча от системы из трех сферических зеркал одинакового радиуса и кривизны.

Наряду с вертикальным зондированием прозрачности представляет интерес и ее регистрация во время движения корабля. Один из первых вариантов такого прибора создан И. Йозефом в 1946 г. Прибор буксировался за кормой корабля на металлическом тросе и соединялся с лабораторией кабелем. Недостаток же этого метода измерения состоял в том, что прибор «рыскал» и не находился постоянно на заданной глубине.

К. Полевицкий сконструировал буксируемый прозрачномер, жестко связанный с кораблем специальной штангой. В 1952 г. Йозеф для непрерывной регистрации прозрачности использовал шахту в трюме корабля «Гаусс». В нее он поместил простейший прозрачномер. Через отверстие в днище корабля в шахту непрерывно поступала морская вода. С помощью такого устройства Йозеф осуществил обширные исследования в Атлантическом океане и Северном море.

Зондирующие буксируемые прозрачномеры позволяют исследовать прозрачность в естественных условиях. Приборы, входящие во вторую группу, дают возможность получить представление о прозрачности лишь в отдельных точках, но благодаря им можно измерить прозрачность в батометрических пробах, взятых практически с любых глубин. Преимущество лабораторных приборов также и в том, что они проще и надежнее в эксплуатации, под контролем непрерывно находится работа всех элементов прибора.

Японские исследователи для определения прозрачности морской воды разработали специальный объективный фотометр-прозрачномер с измерительной кюветой длиной всего 15 см. Источником света в нем служит лампа накаливания, а приемником— фотоумножитель. Прозрачность воды вычисляется из отношений фототоков при прохождении света через пробу воды и воздух.

Рис. 22. Схема прибора СГН-57, используемого в качестве прозрачномера

1 — осветитель; 2 — кювета с водой; 3 — зеркало; 4 — окуляр

В исследованиях американского ученого В. Барта применялся кварцевый спектрофотометр со специальной кюветой длиной 50 см. В нем вода сравнивалась со стандартом (дважды дистиллированной водой).

Упомянутые приборы, особенно японский прозрачномер, имеют малую измерительную базу, которая не позволяет с высокой точностью проводить измерения в водах высокой прозрачности.

В течение последних лет советские исследователи применяют стандартный прибор СГН-57. На рис. 22 представлена оптическая схема СГН-57, используемого в качестве прозрачномера. Узкий пучок света от лампы 1 проходит через слой воды, залитой в кювету прибора 2, и, отразившись от сферического зеркала 3, возвращается в окуляр 4. Наблюдатель, выравнивая яркость фотометрических полей измерительной и сравнительной ветвей прибора, фиксирует определенный отсчет на специальном барабане с делениями. Так как СГН-57 проходит предварительную градуировку, то по этому отсчету можно получить величину прозрачности.

Прозрачность морской воды — важнейшая оптическая характеристика. Приборы и методы ее измерения непрерывно совершенствуются.

Оптика моря помогает океанологии

…Штиль. Безмятежно поблескивает поверхность океана. Ни малейшего признака волнения. Но оказывается, что под спокойной зеркальной гладью происходят волнообразные колебания слоев воды — внутренние волны. Масштабы этих волн-невидимок грандиозны. Редко высота штормовой волны превышает 10 м, а высота внутренних волн может исчисляться сотнями метров.

Об их существовании узнали, измеряя температуру и соленость в одном и том же месте, на одних и тех же глубинах. Оказалось, что значения этих характеристик изменяются с определенной последовательностью и периодичностью.

Особенно рельефно проявляются внутренние волны в изменении глубины залегания слоев скачка, т. е. слоев, в которых температура и плотность резко меняются по вертикали.

Знание глубины нахождения слоев скачка весьма важно. Замечено, что именно около этих слоев обычно держатся промысловые косяки рыбы. Для подводных лодок слой скачка — это «жидкий грунт», на который ложится подводная лодка.

Под действием внутренних волн глубина слоя скачка может резко измениться. Существует версия, что гибель американской атомной подводной лодки «Трешер» произошла как раз по этой причине. Не исключено, что лодка, лежавшая на «жидком грунте», за короткое время оказалась на значительно больших глубинах, что и привело ее к гибели.

С помощью фотоэлектрического прозрачномера можно легко и быстро определять положение слоя скачка. Естественно, что этот прибор фиксирует не перепад плотности или температуры, а оптически рассеивающий слой — скопление частиц, оседающих над слоем плотностного или температурного скачка. Состав частиц может быть различен, но в открытом океане, как известно, в оптически рассеивающем слое преобладают мельчайшие водоросли — фитопланктон.

Биологи «Витязя», прежде чем приступить к своим исследованиям, выясняют у оптиков, как расположены слои скопления фитопланктона.

Если длительное время периодически зондировать прозрачность в толще воды, устанавливая каждый раз положение мутного слоя, залегающего над слоем скачка плотности и температуры, то можно получить представление о параметрах внутренних волн: их амплитуде и периоде.

В последние годы в Тихом и Атлантическом океанах на больших глубинах были обнаружены мощные мутные слои воды. Так, в сентябре 1965 г. американские исследователи с помощью нефелометра зафиксировали над дном Алеутской впадины насыщенный частицами слой толщиной 900 м. Появление этих мутных вод во впадине специалисты связывают с действием так называемых мутьевых потоков, возникших в результате землетрясений. Их роль еще не ясна. Предполагают, в частности, что они способны «пропиливать» глубокие подводные каньоны. Для исследования этого интересного природного явления, видимо, наиболее эффективными следует признать оптические методы. Обнаружение глубинных слоев мутной воды проще всего осуществлять оптическими приборами — прозрачномерами или нефелометрами. Кстати, американские исследователи так и назвали эти слои — нефелоидные. Последующее детальное их изучение можно проводить, сочетая измерение прозрачности и характеристик рассеяния с подводным фотографированием, а в будущем — и с подводным телевидением.

Остановимся еще на одном геологическом разделе океанологии, где оптика моря в состоянии оказать существенную помощь. Речь идет о береговых процессах.

Беспрестанная работа волн приводит к изменению морских берегов. Необходимо зорко следить за тем, чтобы прекрасный пляж, который служит тысячам людей, не был разрушен и унесен морем, не говоря уже о том, что унесенный материал способен совершенно занести морской порт. Поэтому надо детально анализировать, куда и как переносится обломочный береговой материал. Волны и течения могут нести его вдоль и поперек берега. Здесь и потоки гальки — «каменные реки», и мельчайшие взвешенные частицы (объект исследования оптиков моря).

Перемещение взмученных частиц у южных берегов Балтийского моря изучал с помощью фотоэлектрического прозрачномера немецкий исследователь Г. Люнебург. С этой же целью на подводной лаборатории «Черномор» был установлен прозрачномер, сконструированный в Южном отделении Института океанологии. Потоки мелких иловых частиц нередко имеют внушительные размеры. Такой поток, простирающийся на 1200 км, известен у берегов южноамериканского континента.

Оптика моря весьма успешно помогает океанологии и в таком важном и сложном вопросе, как распознавание вод различного происхождения. Часто такие воды отличаются не только по основным гидрологическим характеристикам — температуре и солености, но и по содержанию взвешенных частиц, а следовательно, по прозрачности. Даже когда прозрачность разнородных вод, переносимых мощными океанскими течениями, одинакова, все же удается разграничить их, используя оптические методы.

Рис. 23. Блок-диаграмма прозрачности вод тропической части Индийского океана. Стрелками указано направление основных течений, пунктиром — границы между течениями.

На рис. 23 представлена блок-диаграмма прозрачности вод тропической части Индийского океана, построенная по результатам исследований «Витязя». На ней указаны границы течений, определенные гидрологическими методами. Легко видеть, что границы совпадают с зонами мутных вод, вытянутых вдоль течений. Понижение прозрачности в граничных зонах связано с различными динамическими процессами, которые стимулируют накопление там минеральных частиц и развитие фито- и зоопланктона.

Воды открытого океана и внутренних морей весьма рельефно отличаются друг от друга содержанием «желтого вещества», о концентрации которого в море легко судить по измерениям прозрачности в синей или ультрафиолетовой части спектра.

Можно было бы привести еще много примеров, когда оптика моря оказывается полезной при океанологических исследованиях.

Солнечный 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.

Высота Солнца, град. 90 60 45 30 10 5 1 Масса атмосферы 1,0 1,15 1,4 2,0 5,4 10,4 27

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

Излучение, нм Высота Солнца над горизонтом, град. 5 10 20 30 50 90 Ультрафиолетовое (295–400) 0,4 1,0 2,0 2,7 3,2 4,7 Видимое (400–760) 38,6 41,0 42,7 43,7 43,9 45,3 Инфракрасное (>760) 61,0 58,0 55,3 54,6 52,9 50,0

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.

Высота Солнца, град. 5 10 20 30 40 50 Рассеянное излучение, % 73,4 42,9 29,0 21,0 18,0 15,4

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: Фz = Ф0∙10-αz (Ф0 — величина светового потока непосредственно под поверхностью моря; Фz — 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: Фz / 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.

Почему разные моря имеют разный цвет

Чем определяется цвет моря

«Летая вокруг земного шара, — рассказывает советский космонавт Герман Титов, — я воочию убедился, что на поверхности нашей планеты воды больше, чем суши. Великолепное зрелище являли собой длинные полосы волн Тихого и Атлантического океанов, бегущих к далеким берегам…

Океаны и моря, так же как и материки, отличаются друг от друга своим цветом. Богатая палитра, как у русского живописца-мариниста Ивана Айвазовского, — от темно-синего индиго Индийского океана до салатной зелени Карибского моря и Мексиканского залива»[23].

Цвет моря с давних времен привлекал внимание людей. Поэты воспевали изменчивость окраски морской поверхности, а ученые искали причины, ее объясняющие. В наше время прозрачность и цвет моря перестали быть лишь объектами поэтических восторгов и любознательности ученых. В XX в. эти факторы приобрели важное военное значение. Об этом еще в 1939 г. писал английский журнал «United Services Review»: «Все главные державы в отношении подводного флота применяют окраску, имеющую целью укрыться от воздушных сил противника или, по крайней мере, затруднить их деятельность. Наши собственные подводные лодки окрашиваются в различные цвета в зависимости от морей, в которых они оперируют. Нами применяются серо-зеленые цвета для Атлантического океана, синие — для Средиземного моря, черные — для Красного моря и некоторых других вод. Французские подлодки в своих водах — либо светлосерые, либо сине-зеленые, в то время как голландские подлодки для своих вод — темно-зеленые, с черным — для тех, которые базируются в Ост-Индии. Подводные лодки в Японии окрашиваются почти все в черные цвета».

О факторах, определяющих видимость подводных объектов, мы будем подробно говорить в следующей главе, а сейчас попробуем разобраться, чем же объясняется видимый цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет.

Как будто в этом нет ничего удивительного, ведь известно, что воды морей и океанов различаются своими оптическими свойствами. Действительно, заполняя исследуемой водой трубку метровой длины с прозрачными торцами, даже визуально на просвет можно отличить, например, воду Индийского океана, имеющую голубоватую окраску, от воды Северного моря, окраска которой представляется зеленой. Темно-коричневую окраску болотной воды невозможно спутать с желто-зеленым цветом балтийской.

Но каждый, кто хотя бы раз побывал на море, не мог не заметить, что его воды даже в течение дня неоднократно изменяют свой цвет. Подул легкий ветерок, появилась рябь на морской поверхности — и сразу же изменилась ее окраска, сделавшись гораздо более интенсивной по цвету; покрылось небо свинцово-серыми тучами — и само море стало серым и угрюмым.

Даже в один и тот же момент в одном и том же месте окраска моря кажется неодинаковой, если смотреть вниз прямо перед собой (например, с борта шлюпки) или перевести взгляд дальше, к линии горизонта.

Что же представляет собой свет, попадающий в глаз человека, созерцающего морскую поверхность? От чего зависит его спектральный состав?

Легко сообразить, что в этот световой поток прежде всего входит свет, отраженный поверхностью моря. Именно он определяет непостоянство окраски морской поверхности и ее изменчивость в зависимости от погоды.

Коэффициент отражения морской поверхности практически не зависит от длины волны падающего света. Спектральный состав отраженного излучения не отличается от спектрального состава падающего: в ясную, безоблачную погоду поверхность моря отражает синеву небосвода; а когда небо покрыто тучами, в море, как в зеркале, отражается их свинцово-серая, хмурая окраска.

Является ли, однако, этот свет единственным фактором, определяющим цвет моря? Очевидно, нет. Ведь если бы это было так, то все моря имели бы одинаковую окраску и мы бы не могли говорить о «лазурных водах» Средиземноморья или о водах Желтого моря, цвет которых полностью оправдывает его название. Учеными установлено, что каждое море имеет свой собственный цвет, хотя у многих морей и океанов эти цвета весьма схожи. «Собственный» цвет моря связан со световым потоком, выходящим из его толщи.

Уже говорилось о том, что благодаря процессам многократного рассеяния свет под водой распространяется по всевозможным направлениям, в том числе и вверх — к поверхности моря. Если опустить под воду фотометр, у которого поверхность чувствительного элемента обращена вниз, то с его помощью мы сможем определить величину этого восходящего светового потока.

Такие измерения постоянно ведутся при оптических исследованиях в океане как советскими, так и зарубежными учеными. Было установлено, что восходящий световой поток в море уменьшается с глубиной по показательному закону: Фв(z) = Ф0∙10-αBz, т. е. так же, как и поток, распространяющийся в глубь моря. Показатель αВ, называемый показателем вертикального ослабления для восходящего светового потока, мало отличается по величине, от показателя для нисходящего потока, который мы раньше обозначали просто α. Хотя, строго говоря, эти показатели совпадают точно лишь для глубинного режима, практически они весьма близки по величине и на меньших глубинах. Поэтому кривые ослабления с глубиной как нисходящего, так и восходящего световых потоков на графике идут почти параллельно друг другу (рис. 43). Абсолютные значения этих потоков, однако, неодинаковы: на всех глубинах восходящий световой поток по величине почти на два порядка меньше, чем поток, распространяющийся в глубь моря.

Море возвращает лишь незначительную часть (всего несколько процентов) от излучения, идущего в его глубины. Оценить количественно долю возвращаемой энергии на данном горизонте можно с помощью коэффициента диффузного отражения ζ, который равен отношению величины восходящего светового потока на данной глубине ФВ к величине нисходящего Ф: ζ = ФВ / Ф.

Рис. 43. Ослабление с глубиной нисходящего I и восходящего II световых потоков в Тихом океане (% от падающего на поверхность)

Рис. 44. Спектральное распределение на разных глубинах света, идущего вверх к поверхности моря

Подобно всем другим гидрооптическим характеристикам этот коэффициент является спектральной величиной, т. е. его значения зависят от длины волны света. Объясняется это тем, что спектральные составы восходящего и нисходящего световых потоков на одной и той же глубине отличаются друг от друга. Сравним два рисунка: на одном (см. рис. 34) показаны спектральные распределения на различных глубинах света, распространяющегося вниз, на другом (рис. 44) представлены те же распределения для восходящего светового потока. Оба рисунка относятся к чистым океанским водам. Нетрудно заметить, что на всех глубинах спектральный состав восходящего светового потока гораздо беднее желтым и красным цветами, нежели нисходящий. О физических причинах этого явления мы будем говорить ниже, а сейчас обратим особое внимание на спектральное распределение излучения непосредственно под поверхностью — на горизонте 0 м. Оно отображает цвет выходящего из моря светового потока, ведь сама поверхность почти не влияет на спектральный состав проходящего через нее излучения.

Максимум этого спектрального распределения соответствует длинам волн порядка 450 нм, т. е. в выходящем из моря световом потоке преобладает синий цвет. Зеленой окраски примерно в 10 раз меньше, а уж о желтой и красной и говорить не приходится — эти цвета практически отсутствуют. В мутных водах спектральное распределение другое: его максимум сместится в зеленую, а в очень мутных — даже в желтую область спектра. По спектральным кривым, соответствующим различным морям, можно оценить не только качественные, но и количественные различия между их цветами, что немаловажно при выборе маскировочной окраски для подводных объектов.

До сих пор речь шла о спектре всего выходящего из моря светового потока. Однако, как мы уже говорили, цвет моря зависит также и от угла, под которым наблюдатель смотрит на его поверхность. Угловое распределение яркости в выходящем световом потоке характеризуют индикатрисой яркости.

Построить эту кривую можно следующим образом. В данной точке поверхности моря измеряют яркость выходящего излучения в различных направлениях, т. е. под разными углами к вертикали. Угол наблюдения θ отсчитывается от вертикальной оси, направленной вниз. Угол 180° соответствует наблюдению строго вертикально — в надир, углы 90° и 270° — лучам, скользящим по поверхности моря. Полученные значения яркости ρ(θ) делят обычно на значение яркости под углом 180°—ρ(180°), т. е. ордината угла 180° равна единице.

Три индикатрисы для синего (λ = 465 нм), зеленого (λ = 517 нм) и желтого (λ = 591 нм) цветов, измеренные советскими гидрооптиками в тропических водах Тихого океана, изображены на рис. 45. Как видно, форма кривой зависит от длины волны света. У всех трех индикатрис по мере отклонения от вертикали яркость увеличивается, но у желтого цвета она возрастает сильнее, чем у синего. Это означает, что если наблюдать под большим углом к вертикали, то синий цвет становится менее интенсивным, он все сильнее разбавляется зеленым и желтым — густота окраски (или, как принято говорить, ее насыщенность) уменьшается.

Рис. 45. Индикатрисы яркости выходящего из моря светового потока в тропических водах Тихого океана (1 — λ = 465 нм; 2 — λ = 517 нм; 3 — λ = 591 нм)

При увеличении угла наблюдения увеличивается и количество отраженного от поверхности моря света (известно, что коэффициент отражения меняется в зависимости от угла: для угла 180° он минимален, для углов 90 и 270° равен единице). Окраска отраженного потока белая. Складываясь с выходящим из толщи моря световым потоком, отраженный свет еще более уменьшает насыщенность цвета моря при наблюдении под большими углами — вдали поверхность моря кажется белесой.

«…Чем меньше угол зрения[24], тем большее значение приобретает в окраске моря рассеянный свет неба, — писал Н. Н. Зубов. — Поэтому в штилевую погоду чем ближе к горизонту, тем бледнее окраска моря. Но с увеличением угла зрения, т. е. вблизи наблюдателя, в окраске моря начинает преобладать собственный рассеянный свет, и окраска моря становится более интенсивной.

При волнении луч зрения встречает поверхность моря под значительными углами даже на значительном расстоянии от наблюдателя, и поэтому взволнованное море всегда представляется более окрашенным. Понятно, что чем круче волна, тем интенсивнее окраска…

…В полный штиль, в особенности если солнце закрыто облаками, море кажется белесоватым и горизонт недостаточно ярко очерченным. Отдельные моря при штиле в отношении окраски как бы теряют свою индивидуальность. Но стоит задуть небольшому ветерку и появиться небольшой ряби, как картина совершенно меняется. Окраска моря становится интенсивной, и горизонт очерчивается, ярко»[25].

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.

Двигаясь к поверхности, этот свет подвергается фильтрующему действию морской воды. Максимум пропускания в чистых океанских водах приходится на синий-сине-зеленый участок спектра (см. рис. 33). В результате совместного действия рассеяния и поглощения световой поток, вышедший из моря, в чистых океанских водах имеет насыщенную синюю окраску.

В мутных водах, содержащих большое количество взвешенных частиц, роль молекулярного рассеяния невелика даже при больших углах рассеяния. Для угла 90° интенсивность молекулярного рассеяния составляет лишь 13 % общей интенсивности, а для угла 135° — 25 %. Восходящий световой шток в таких водах создается главным образом рассеянием на взвешенных частицах, которое неселективно. Максимум пропускания у мутных вод смещен в желто-зеленую область спектра. В результате совместного действия этих эффектов в менее прозрачных водах поверхность моря кажется серо-зеленой, а в очень мутных имеет даже желтоватую окраску.

Если синий цвет — это цвет «океанской пустыни», т. е. вод, бедных планктоном и питательными веществами, то желтовато-зеленая окраска морской поверхности свидетельствует о «плодородных океанских почвах». Многочисленные экспедиционные измерения на практике подтвердили существование самой тесной зависимости между цветом моря и его прозрачностью. Рис. 46 иллюстрирует эту зависимость.

Рис. 46. Спектральное распределение коэффициентов диффузного отражения

1 — открытый океан; 2 — залив Майзуру; 3 — река Юра

Рис. 47. Спектральная зависимость коэффициента яркости для вод Тихого океана 1, Средиземного 2 и Черного 3 морей

На нем изображены спектральные распределения коэффициента диффузного отражения моря ζ для чистых океанских вод, менее прозрачных вод залива Майзуру и очень мутных вод реки Юра. Кривые построены по данным измерений японского исследователя Хишида. Хорошо видно, как смещается максимум распределения от синего (у прозрачной воды) до желтого (у мутной). Подобным же образом изменяется и спектральная зависимость коэффициента яркости моря (рис. 47). Эта величина равна отношению яркости излучения В(θ, φ), выходящего из толщи моря в направлении, определяемом углами θ и φ (где θ — зенитное расстояние, а φ — азимут), к яркости В0 идеально рассеивающей не погруженной в море горизонтальной поверхности, освещаемой естественным светом:

Спектральная зависимость коэффициента яркости точнее всего отображает «собственный» цвет моря. Эта величина не зависит от спектрального состава падающего на поверхность моря излучения и полностью определяется лишь значениями спектральных показателей поглощения и рассеяния света морокой водой.

Коэффициент яркости моря ρ весьма тесно связан с коэффициентом диффузного отражения моря ζ под поверхностью. Их спектральные зависимости почти совпадают друг с другом.

Мы упустили из виду еще один фактор, который может влиять на видимый цвет моря, — это отражение от морского дна. Если для глубин в несколько сотен метров его влиянием можно пренебречь, то на мелководье окраска дна оказывает существенное воздействие на цвет поверхности. Дно, покрытое зелеными водорослями, придает зеленоватый оттенок и цвету моря, светлая галька уменьшает насыщенность его окраски. Обычно в мелководных водоемах вода всегда сильно взмучена, так как волнение поднимает со дна ил, песок и другие мелкие частички. Окраска таких водоемов резко отличается от окраски глубоководных бассейнов. Например, Азовское море, глубина которого нигде не превышает 14 м, имеет бледный серо-зеленый цвет.

Измерение цвета моря

«…Замечать надлежит, в какой мере странный или переменный цвет моря происходит от перемены глубины, от цвета морского дна или неба и облаков, от света солнечного или же от находящихся на поверхности воды инородных веществ…»[26] — так записано в инструкции, составленной О. Е. Коцебу во время его кругосветного плавания. Однако если для прозрачности воды Коцебу придумал количественную характеристику — глубину исчезновения белого диска, погружаемого в море, то цвет моря он определял лишь качественно — по цвету волн.

Только в 90-х годах прошлого века швейцарский географ Форель предложил первый примитивный прибор для наблюдения за цветом водоемов. Изучая цвет воды горных озер в швейцарских Альпах, Форель использовал набор пробирок, заполненных смесью растворов: синего и желтого, взятых в различных соотношениях.

Его метод необычайно прост: наблюдатель на глаз устанавливает, цвет какого раствора в пробирке совпадает с видимым цветом водоема. Каждая пробирка имеет свой номер. Номер выбранной наблюдателем пробирки записывается в журнал наблюдений в качестве количественной характеристики цвета. Форель использовал 13 пробирок, в которых синий и желтый раствор находились в следующих соотношениях:

№ I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XII Синий 100 98 95 91 86 80 73 65 56 46 35 23 10 Желтый 0 2 5 9 14 20 27 35 44 54 55 77 90

В качестве синего раствора он брал смесь медного купороса и аммиака, в качестве желтого — полпроцентный раствор хромпика.

Немецкий океанограф Уле приспособил шкалу Фореля специально для измерений цвета моря. Он изъял пробирки XII и XIII, так как эти цвета не встречались в морях, добавив 10 новых оттенков. Уле ввел третий вид раствора — коричневый, изготовив его путем добавления аммиака к сернокислому кобальту в присутствии воздуха. Соотношения растворов в пробирках Уле выглядят следующим образом:

№ XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX XX XXI Синий 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 Желтый 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 Коричневый 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Помещенная в деревянную рамку-оправу, предложенную Ю. М. Шокальским (рис. 48), шкала Фореля — Уле стала одним из стандартных океанографических приборов, хотя единой методики ее применения не было. Одни рассматривали эту шкалу на просвет или на фоне белой или черной бумаги, другие наблюдали ее на фоне моря или на фоне опущенного в воду белого диска.

Рис. 48. Шкала цветности

Ясно, что шкала Фореля — Уле могла дать лишь чисто качественную, очень субъективную оценку цвета моря. Главное и, пожалуй, единственное достоинство этого прибора — простота и доступность. А недостатков у него не счесть. Прежде всего с его помощью измеряют не «собственный» цвет моря, который именно и должен интересовать океанологов, а суммарный цвет отраженного поверхностью и выходящего из толщи световых потоков. Во-вторых, нарушаются основные требования колориметрической техники (т. е. техники цветовых измерений). Не предусмотрено постоянство фона, на который смотрят через прозрачные растворы шкалы. Отсутствует редкая граница между сравниваемыми полями (морем и раствором). Известно, что наблюдатель только тогда хорошо улавливает различия в цвете, когда сравниваемые поля имеют примерно одинаковую яркость, а у шкалы Фореля — Уле возможность уравнивать сравниваемые поля по яркости полностью отсутствует. Наконец, такой чисто технический, но весьма существенный недостаток — это непостоянство растворов (изменение их цвета, выцветание).

Тем не менее шкала Фореля — Уле получила самое широкое распространение в океанографии. Многочисленные измерения с ее помощью позволили установить, например, что цвету вод Средиземного моря соответствует цвет пробирки I, водам открытых районов всех океанов — I–II, Каспийскому морю — VII–IX, местам впадения рек в Балтийское море — XII.

Конечно, физики моря не могли примириться с недостатками шкалы Фореля — Уле, ведь ясно, что для установления физических закономерностей прибор совершенно не подходит. Усилия были направлены на создание более совершенного измерителя цвета. И такой прибор в 1939 г. создал А. А. Гершун. Названный гидрофотометром прибор позволяет измерять спектральные коэффициенты яркости моря ρ, т. е. спектральные отношения яркости выходящего из моря потока излучения к яркости падающего.

Рис. 49. Гидрофотометр ФМ-46

1 — фотометрическая головка прибора; 2 — труба; 3 — молочное стекло; 4 — фотометрическая призма; 5 — пластинка молочного стекла; 6 — зеркало; 7 — поворотная рукоятка зеркала; 8 — азимутальный штурвал; 9 — светофильтры

Позднее конструкция прибора получила дальнейшее развитие. Сейчас используется разработанный К. В. Маллером прибор подобного типа — гидрофотометр ФМ-46, имеющий ряд значительных преимуществ по сравнению с прибором Гершуна.

Конструкция прибора ФМ-46 представлена на рис. 49, а его внешний вид — на рис. 50. Помимо технических усовершенствований (возможность проведения измерений с высокобортных судов, пригодность для работы в тропиках) прибор обладает весьма ценным качеством — он позволяет измерять яркость излучения, выходящего из толщи моря не только строго по вертикали (в надир), но и под различными углами к ней и в различных азимутах по отношению к Солнцу.

Рис. 50. Так измеряют цвет моря

Прибор ФМ-46 представляет собой визуальный фотометр, в котором сравниваются яркости двух фотометрических полей. Одно из них создается светом, выходящим из толщи моря (по данному выбранному направлению), а другое — естественным светом Солнца и небосвода, освещающим пластинку молочного стекла 5 на фотометрической головке прибора 1. Фотометрическая головка прибора снабжена трубой 2, нижний конец которой на 10–15 см погружен под воду. Для наблюдения толщи моря в заданном направлении на нижнем конце трубы укреплено визирное зеркало 6, которое можно наклонять рукояткой 7 (меняя угол с вертикалью) и поворачивать штурвалом 8 (меняя азимут). Шесть цветных светофильтров 9, установленных в приборе, позволяют измерять спектральный состав выходящего из толщи моря излучения. Яркости фотометрических полей уравниваются путем перемещения молочного стекла 3, находящегося между фотометрической призмой 4 и приемным стеклом 5. Сама труба состоит из трех секций, ее общая длина (в зависимости от высоты борта судна) может быть либо 3,5, либо 6 м. В комплект прибора входит также специальное приспособление для крепления его к борту судна. Наблюдения проводятся с борта судна, освещенного Солнцем. Для измерений требуется почти штилевая погода, и при волнении выше двух баллов наблюдения должны прекращаться. Измеряя коэффициенты яркости моря, необходимо следить за облачностью и фиксировать высоту Солнца.

Гидрофотометр ФМ-46 позволяет количественно оценить распределение энергии в спектре выходящего из толщи моря излучения, а ведь именно от этого спектрального распределения и зависит, как мы видели, «собственный» цвет моря. Кривые на рис. 45 и 47 получены с помощью гидрофотометра ФМ-46. Его преимущества перед шкалой Фореля — Уле очевидны: там — субъективная оценка, здесь — физическое измерение; там одна-единственная цифра — номер пробирки, здесь — две функциональные зависимости коэффициента яркости ρ: от длины волны — ρ(λ) и угла наблюдения ρ(ϴ1φ). Совокупность этих зависимостей содержит в себе всю информацию о собственном цвете моря, причем не только при наблюдении вертикально вниз, но и по другим направлениям.

Некоторые исследователи для оценки цвета моря используют Международную колориметрическую систему, но этот метод пока еще не получил широкого распространения в гидрооптике.

Почему в воде видно хуже, чем в воздухе

Способность глаза видеть в воде

Известный американский гидрооптик С. Дантли в одной из своих работ писал: «Нигде в природе принцип защитной окраски и маскировки не проявляется лучше, чем на местах кормления в море, где жизнь как хищников, так и их жертв одинаково зависит от способности видеть. Когда человек проникает в подводный мир и всматривается через стекло в подводное окружение, его успех и его безопасность зависят в большей степени от его зрительной способности»[27].

А если человек будет всматриваться в «подводное окружение» не через стекло, увидит ли он в воде что-нибудь? Нет, он сможет только отличить темное от светлого и различать неясные, расплывчатые контуры предметов. Человеческий глаз, способный видеть звезды, находящиеся от нас на расстоянии сотен световых лет, оказывается практически беспомощным в воде. Это объясняется условиями распространения света в водной среде и физиологией человеческого глаза.

Тематика нашей книги весьма далека от проблем физиологической оптики, но для того чтобы разобраться в сложнейших физических и физиологических процессах видения под водой, придется, хотя бы кратко, остановиться на некоторых свойствах зрительных органов как человека, так и обитателей моря — рыб.

Глаз взрослого человека представляет собой почти шарообразное тело, диаметром около 25 мм (рис. 51). Снаружи глаз покрыт плотной белковой оболочкой — склерой. Передняя (несколько изогнутая) ее часть прозрачная. Это роговица глаза. Показатель преломления роговицы равен 1,37. За роговицей находится передняя камера глаза, заполненная жидкостью с показателем преломления 1,33. Под склерой расположена сосудистая оболочка, спереди переходящая в радужную, с отверстием в центре — зрачком. В зависимости от силы света, попадающего в глаз, зрачок рефлекторно меняет свои размеры от 1,5–2 мм при сильном освещении до 6–8 мм в темноте. Саморегулируемая реакция зрачка является одним из звеньев процесса, называемого адаптацией глаза к уровню освещения.

Рис. 51. Разрез глаза человека

1 — роговея оболочка; 2 — зрачок; 3 — передняя камера; 4 — хрусталик; 5 — сетчатая оболочка

Важнейшей оптической деталью глаза является его хрусталик, отделяющий переднюю камеру глаза от задней, заполненной прозрачным стекловидным веществом, показатель преломления которого 1,34.

Хрусталик человеческого глаза имеет чечевицеобразную форму и выполняет функции объектива, т. е. проектирует изображение рассматриваемого предмета на сетчатую оболочку глаза. Благодаря способности хрусталика (аккомодации) менять кривизну своих поверхностей (главным образом передней) в определенных пределах на сетчатке всегда получается резкое, сфокусированное изображение разноудаленных предметов. Нарушения аккомодационной способности глаза приводят либо к близорукости, либо к дальнозоркости. Тело хрусталика неоднородно, и его показатель преломления находится в пределах 1,38—1,41.

Приемником излучения, поступающего в глаз, является светочувствительная сетчатая оболочка (ретина), располагающаяся на внутренней поверхности сосудистой оболочки. Анатомическое строение сетчатки очень сложное. При толщине около 0,2 мм она содержит 10 светочувствительных слоев. Светоощущающими элементами сетчатки служат палочки и колбочки, зрительные функции которых различны. Так, палочки (длина около 0,06 мм) обладают огромной чувствительностью, и для их возбуждения достаточно малейшего количества света. Колбочки гораздо менее чувствительны к световым раздражениям, но зато способны различать цвета. Колбочки «работают» только тогда, когда освещенность превышает 30–40 лк; в это время палочки бездействуют. При более низкой освещенности действуют только палочки. Всего в глазу имеется около 7 млн. колбочек и 130 млн. палочек, причем все колбочки расположены в центральной части сетчатки, называемой желтым пятном, а палочки — на ее периферии. Такое разделение зрительных функций колбочек и палочек приводит к тому, что мы различаем цвета предметов только при хорошем освещении. С ухудшением условий освещения колбочки выключаются из процесса восприятия и функция световосприятия переходит к палочкам, не способным к цветоощущению. Поэтому в сумеречном освещении все предметы независимо от их окраски кажутся серыми.

Светочувствительным элементом палочек является вещество родопсин. Оно имеет в темноте пурпурный цвет, но под влиянием света выцветает и разлагается на протеин и ретинен. В темноте происходит восстановительная реакция. Колбочки содержат вещество иодопсин, разлагающееся под действием света и образующее при распаде фосфорную кислоту. Механизм реакций иодопсина до сего времени недостаточно ясен.

В результате распада родопсина и иодопсина (процесс фотодиссоциации) возникают отрицательные ионы, воздействующие на окончания нервных волокон зрительного нерва, к которым присоединены колбочки и палочки. Электрический сигнал поступает в мозг и вызывает возникновение светового (зрительного) ощущения.

Рассматривая строение человеческого глаза, мы не случайно указывали значение показателей преломления отдельных его частей. Дело в том, что они близки к показателю преломления морской воды, который равен 1,34. Только у хрусталика он несколько больше. Это приводит к тому, что если глаз непосредственно соприкасается с водой, то лучи света проходят в него почти не преломляясь, т. е. они не могут быть сфокусированы хрусталиком на сетчатой оболочке. У человека с нормальным зрением аккомодационных возможностей его глаза не хватит для изменения формы хрусталика настолько, чтобы он в воде фокусировал изображение точно на сетчатку. Только очень близорукие люди, у которых в воздухе изображение фокусируется впереди сетчатой оболочки, в воде будут видеть более или менее нормально.

Рис. 52. Разрез глаза рыбы

Поэтому необходимым условием для видения под водой является изоляция глаза от воды при помощи масок, употребляемых аквалангистами, или стеклянных иллюминаторов водолазных шлемов и батискафов. В этом случае между глазом и водой создается воздушная прослойка и лучи света попадают в глаз уже не из воды; а из воздуха. При переходе из воздуха в глаз лучи преломляются и глаз функционирует нормально.

Но как же обходятся без иллюминаторов рыбы? А здесь постаралась природа. На рис. 52 представлен разрез глаза рыбы. Первое, что обращает внимание, — это шарообразная форма хрусталика, позволяющая рыбам отчетливо видеть предметы на близком расстоянии (около 1 м). Благодаря особому аккомодационному устройству хрусталик может смещаться в глазу и занимать положение, указанное на рисунке пунктиром. При этом рыба хорошо видит и на более далеком расстоянии (максимальная дальность видения рыб не превышает 15 м). Ниже приводятся данные сопоставления углового поля зрения глаза человека и рыбы.

Поле зрения Горизонтальное Вертикальное Бинокулярное Человек 154° 135° 125° Рыба 160 — 170° 150° 20 — 30°

Такая специфика строения глаза дает возможность рыбе даже при неподвижном положении видеть большую часть окружающей среды.

Светочувствительными элементами глаза рыбы также являются палочки и колбочки. Но природа и здесь резко дифференцировала органы зрения у различных видов рыб. У глубоководных обитателей моря колбочки отсутствуют. Они просто не нужны — незначительная доля дневного света, проникающая на эти глубины, воспринимается только палочками.

В то же время спектральная кривая чувствительности глаза у трески, хамсы, ставриды, кефали и некоторых других видов рыб, обитающих в верхних слоях моря, близка к кривой видности человеческого глаза.

У некоторых видов глубоководных рыб 1 мм2 поверхности сетчатки содержит до 20 млн. палочек.

Опыты показали, что рыбы могут воспринимать свет, интенсивность которого составляет всего 10-10 от естественной освещенности на поверхности моря. Не исключено, что глаза ряда рыб реагируют на свет еще меньшей интенсивности Зато свет большой интенсивности для подобных рыб может оказаться губительным. Это явление обычно называют фотофобией, т. е. — светобоязнью.

Интересная закономерность наблюдается и в изменении размеров глаза в зависимости от глубины. Она проявляется двояко: либо в увеличении размера глаза, либо в почти полном отсутствии органов зрения.

Обычно увеличение размеров глаза отмечается у рыб, обитающих на глубинах, где еще наблюдается хотя бы незначительная естественная освещенность. У сверхглубоководных рыб, как правило, глаза уменьшаются, а у многих видов и полностью отсутствуют.

Диаметр глаза некоторых глубоководных рыб составляет 40–50 % от длины головы. Зрачок имеет продолговатую форму, и его концы заходят за хрусталик. В результате увеличивается чувствительность глаза. Глаза ряда рыб обладают светящимся органом, постоянно раздражающим сетчатку, что повышает ее чувствительность. Телескопическая форма глаза многих рыб также увеличивает их чувствительность и расширяет поле зрения.

Вот что об этом пишет американский писатель Р. Кэррингтон: «У многих сверхглубоководных животных глаза маленькие или совсем атрофированы. В этой зоне единственный источник света — это естественно светящиеся вещества, поэтому функция глаза состоит в том, чтобы воспринимать сигналы, а не образ предмета. Так, у Cetomimus, длина которого составляет 10 см, глаза имеют 1 мм в диаметре, а соотношение между диаметром глаз угря Суета atrum и длиной его тела еще меньше. У некоторых сверхглубоководных рыб глаза совсем отсутствуют. В таких случаях зрительный нерв часто выступает на поверхности головы в том месте, где должен быть глаз, и получает световые импульсы непосредственно»[28].

Отсюда можно заключить следующее: многим глубоководным рыбам глаз нужен не столько для того, чтобы видеть, сколько для восприятия световых сигналов. Что же это за сигналы?

Более 50 % морских организмов обладают органами, продуцирующими свечение. Они весьма разнообразны: от кожных слизистых желез, содержащих фосфоресцирующее вещество, до устройств, напоминающих прожектор. Иногда такой «прожектор» расположен во рту рыбы. С его помощью она может привлекать добычу. В отдельных случаях светящиеся органы рыбы играют роль фар, причем рыба может по желанию включать и выключать их, а кроме того, менять направление пучка света, освещая пространство вокруг себя. Во мраке больших глубин светящиеся органы в сочетании с органами зрения помогают рыбам, плавающим стаями, отличать себе подобных.

Всем сказанным еще не исчерпывается разнообразие строения глаза у различных видов рыб. Есть рыбы (плавающие у поверхности), глаз которых устроен так, что они могут видеть одновременно в воде и в воздухе. У таких рыб глаз разделен горизонтальной перегородкой на две половины. Верхняя (воздушная) часть хрусталика более плоской формы, приближающейся к форме хрусталика человеческого глаза.

У одного из видов тропических рыб — «морских собачек» — глаз разделен вертикальной перегородкой. Они обозревают окрестности, выставив переднюю часть головы из воды.

А может ли видеть, что происходит в воздухе, рыба, не обладающая столь универсальными глазами, Как некоторые ее сородичи? Из-за явления полного внутреннего отражения света водной поверхностью эта рыба видит только те предметы, которые находятся к вертикали глаза под углом, не превышающим 48°. Одновременно с этим глаз рыбы способен воспринимать и изображение предметов, находящихся в воде и отразившихся от водной поверхности. В том, как это происходит, наглядно убеждает рис. 53.

Рис. 53. Что видит рыба из-под воды

Видеть происходящее в толще моря может не только глаз рыбы или защищенный стеклом иллюминатора глаз человека. Современная техника позволяет наблюдать жизнь глубин и при помощи «искусственного глаза» — передающей камеры подводного телевизора, но об этом немного позже. А сейчас остановимся на том, что значит видеть предмет, погруженный в море.

Мог ли капитан Немо видеть в море на полмили?

В фильме «Человек-невидимка» самостоятельно перемещаются различные предметы. Как же удалось кинематографистам добиться нужного зрительного эффекта при экранизации известного научно-фантастического романа Г. Уэллса? Актер был одет в черный бархатный комбинезон, облегавший его тело, включая лицо и руки, а съемка велась на фоне стены, задрапированной также черным бархатом. Черная поверхность бархата отражает очень мало света, т. е. яркость ее очень мала. Кроме того, заметить один кусок бархата на фоне другого при равенстве их яркости зрители не в состоянии. Основная причина — отсутствие яркостного контраста между рассматриваемым объектом и фоном. Оказывается, наш глаз распознает предметы только в том случае, если их яркость и яркость фона, на который они проектируются, не совпадают. Могут ли, однако, быть условия, когда предметы все же различимы при равенстве их яркости с яркостью фона? Это бывает в том случае, если рассматриваемый объект и фон разного цвета, т. е. между ними существует цветовой контраст.

В условиях сравнительно небольших освещенностей в море (когда главным образом функционируют не колбочки, способные различать цвет, а палочки) для видения гораздо большее значение имеет яркостный, а не цветовой контраст.

Величину яркостного контраста можно выразить численно простой формулой:

где Вф — яркость толщи моря (фона), а Вп — яркость рассматриваемого на этом фоне предмета.

Если яркость предмета больше яркости фона, то формула имеет следующий вид:

Эти формулы показывают, что глаз способен оценить лишь разность яркостей предмета и фона, но не в состоянии определить, во сколько раз предмет ярче фона или наоборот.

Обычно контраст оценивают в процентах. Если кусочек черного бархата, яркость которого практически равна нулю (Вп = 0). положить на лист хорошо освещенной бумаги, то

т. е. кусок бархата будет отчетливо виден. Возвращаясь к примеру с фильмом «Человек-невидимка», мы также можем количественно определить контраст (яркости комбинезона и драпировки были равны, т. е. Вп = Вф):

Практически для того, чтобы предмета не было видно на каком-либо фоне, не обязательно контраст должен равняться 0. Глаз человека перестает различать предмет, если величина контраста не превышает 2 %, так называемый порог контрастной чувствительности глаза. Величина эта не постоянная: у разных людей она различна, зависит от условий наблюдения и может меняться от степени утомления глаза и даже от настроения человека. Иногда значение порога контрастной чувствительности достигает и 5 %.

С какими же величинами контраста мы имеем дело в море? Известно, что величина коэффициента яркости моря близка к 0,02. Погрузим в море объект, выкрашенный белой краской самого высокого качества. Белая поверхность отражает большинство упавших на нее лучей, т. е. имеет коэффициент яркости, близкий к единице (допустим 0,90). Тогда

Здесь контраст определялся не по абсолютным значениям яркости, а по ее коэффициентам. Полученная величина характеризует практически предельный контраст, который может наблюдаться в море, так как все предметы, окрашенные не в белый цвет, имеют коэффициент яркости меньший, чем у белой поверхности.

Рассмотрим еще один пример. Допустим, предмет, который мы наблюдаем под водой, окрашен очень темной краской, имеющей коэффициент яркости 0,02, т. е. равен коэффициенту яркости моря. Следовательно, контраст в данном случае равен нулю и предмет нам не будет виден. А если этот предмет — подводная лодка, то выходит, что создание «лодки-невидимки» вполне реальная вещь? При всей привлекательности подобной идеи, ее осуществление возможно только в научно-фантастических романах. Не надо забывать о том, что кроме яркостного контраста существуют и цветовой. Другими словами, для того, чтобы создать «лодку-невидимку», надо ее не просто окрасить краской, коэффициент яркости которой будет равен коэффициенту яркости моря, но соблюсти еще одно условие. Спектральный состав этой краски должен абсолютно точно соответствовать спектральному составу света, идущего из глубин моря к его поверхности. Именно при этих условиях не только яркостный, но и цветовой контраст будет отсутствовать. Надо сказать, что сложность изготовления такой темной краски да еще требуемого спектрального состава превосходит современные технические возможности. Кроме того, как известно, кривые спектральных коэффициентов яркости у разных морей различны. Допустим все же, что когда-нибудь удастся изготовить краску, удовлетворяющую всем требованиям. Будет ли это означать, что окрашенные ею предметы станут полностью невидимыми в воде, т. е. будут абсолютно замаскированы? Отнюдь нет.

Дело в том, что коэффициент яркости моря беспрерывно меняется и эти, даже небольшие, изменения скажутся на величине контраста. Поэтому абсолютно замаскировать предмет, находящийся под водой, физически невозможно. Речь может идти только о создании такой окраски, которая максимально затрудняет визуальное обнаружение предмета, т. е. о максимально возможном приближении контраста к нулевому значению. Пожалуй, лучшим мастером маскировки является природа. Большинство обитателей моря наделено способностью приспосабливать свою окраску к фону (рис. 54). Естественно, и человек старается не отставать от природы. Подводные лодки всех флотов мира в целях маскировки, как правило, окрашивают краской с коэффициентом яркости, приближающимся, насколько это возможно, к спектральному коэффициенту яркости моря.

Все наши рассуждения о контрасте относились к тому случаю, когда наблюдатель находился в непосредственной близости от рассматриваемого объекта, т. е. тот контраст, который он наблюдал, был действительным. По мере удаления от объекта контраст все более и более ослабевает, т. е. наблюдатель, находящийся под водой на некотором расстоянии от объекта, будет оценивать не действительное, а видимое им различие в яркости предмета и фона, или видимый контраст. Это изменение величины контраста имеет очень большое значение для видения под водой. Экспериментально доказано, что при горизонтальном наблюдении изменение действительного контраста происходит по закону Бугера: КВ = Кд∙10-εz, где Кв — видимый контраст; Кд — действительный контраст; z — расстояние от наблюдателя до предмета; ε — показатель ослабления излучения, направленного от предмета в глаз наблюдателя.

Рис. 54. Камбала меняет окраску

Условия наблюдения в воде тем и отличаются от наблюдений в воздухе, что показатель ослабления морской воды в сотни раз превышает показатель ослабления воздуха. Рассеяние света водой приводит не только к ослаблению прямого луча, идущего от предмета к наблюдателю, но создает между ними своеобразную световую дымку, вуалирующую рассматриваемый объект и затрудняющую его видение.

Эта дымка вызывает очень большие трудности при работе под водой с искусственными источниками света. Казалось бы, чем более мощным прожектором освещен предмет под водой, тем лучше он будет виден, но это далеко не так. Увеличение мощности прожектора хотя и улучшает освещенность поверхности предмета, но одновременно с этим приводит к повышению интенсивности дымки. Поэтому при различных работах под водой используют прожекторы мощностью 1–3 квт, причем стараются приблизить источник света к рассматриваемому объекту. Кроме того, условия видимости улучшаются, если объект освещается как бы со стороны, т. е. угол между линией визирования и прожекторным пучком достаточно велик. Наиболее неблагоприятными будут условия наблюдения вдоль прожекторного пучка. В этом случае яркость дымки максимальная.

На каком же расстоянии под водой вообще можно увидеть сравнительно большой предмет, освещенный прожектором?

В широко известном романе Жюля Верна «Двадцать тысяч лье под водой» есть следующие строки: «…чтобы ориентироваться в пути, необходим свет, который рассеивал бы тьму.

…Позади рубки помещается мощный электрический рефлектор, который освещает море на расстоянии полмили»[29].

Мы знаем, что Жюль Верн сумел гениально предвидеть пути развития техники на многие годы вперед. В момент издания его книги не могло быть и речи об использовании электроэнергии для движения подводных лодок. Более того, еще даже не были изобретены электрические лампочки накаливания. Но допустим, что на «Наутилусе» действительно был установлен мощный прожектор. Мог ли он осветить море на полмили от лодки и что при этом видел наблюдатель?

Попробуем произвести хотя бы весьма приближенный расчет той доли излучения прожектора, которая могла бы достигнуть поверхности предмета, находившегося от него в полумиле (0,5 морской мили = 926 м).

Допустим «Наутилус» находился ночью (чтобы исключить влияние дневного света) в очень прозрачных океанских водах. Величина показателя ослабления направленного излучения ε для таких вод близка к 0,1 м-1, а показателя ослабления рассеянного излучения α — 0,015 м-1.

Экспериментальные исследования, проведенные советскими гидрооптиками М. Н. Булхургиным и В. П. Николаевым, показали, что на расстояниях, не превышающих глубину исчезновения белого диска, ослабление интенсивности прожекторного пучка происходит по закону Бугера: Iz = I0∙10-εz.

На больших расстояниях уже рассеявшийся прожекторный луч ослабляется также по закону Бугера, но с показателем ослабления для рассеянного света: I'z = I'0∙10-αz.

В чистых океанских водах глубина исчезновения белого диска примерно равна 40 м. Подставим в уравнения имеющиеся у нас данные, приняв первоначальную интенсивность прожектора (I0) за 1:

Таким образом, на расстоянии 40 м от прожектора интенсивность его света составит всего 1/10000 первоначальной. Далее:

Практически невозможно наглядно представить себе всю ничтожность той доли света, которая даже в очень прозрачной воде дошла бы от прожектора «Наутилуса» до предмета, удаленного от него на полмили. Но и в том случае, если бы прожектор находился рядом с предметом и хорошо его осветил, все равно на таком расстоянии до наблюдателя не смог бы дойти свет, отраженный предметом.

Реальная дальность видимости в различных морях в условиях искусственного освещения определяется прежде всего отражательной способностью поверхности наблюдаемого предмета и прозрачностью воды и вряд ли может превышать 50–60 м.

Интересные данные о видимости под водой при естественном свете недавно были опубликованы американским исследователем Р. Ф. Базби. Так, в районе Майами на глубине 305 м наблюдатели в батискафе могли видеть дно с расстояния 5–6 м. У берегов Калифорнии к западу от Сан-Диего на глубине около 185 м горизонтальная видимость колебалась от 9 до 15 м. Неожиданно хорошая видимость была отмечена у берегов Флориды, где с глубины 190 м можно было различить дно, находившееся на 55 м глубже.

При наблюдениях под водой в условиях естественного освещения дальность видимости во многом зависит от угла, под которым рассматривается предмет. Вызвано это тем, что в верхних слоях моря, где свет еще не полностью рассеян, яркость фона в различных направлениях различна, что сказывается на величине контраста. Кроме того, это обусловливает и различие в яркости вуалирующей дымки в зависимости от направления.

Исследования, проведенные О. А. Соколовым на подводной лодке «Северянка», показали, что в поверхностных слоях моря дальность видимости снизу в прозрачных водах может достигать величины 100 м и более.

При изучении оптических свойств вод морей и океанов видимость погружаемых в море объектов используется весьма широко.

Первые попытки оценить прозрачность морских вод производилась с помощью погружавшихся в море дисков. В большинстве океанографических экспедиций и сейчас еще используют для определения относительной прозрачности стандартный белый диск (диск Секки). Понятие «относительная прозрачность» употреблено нами не случайно. Хотя глубина исчезновения диска зависит главным образом от прозрачности воды, она не определяет количественно ту физическую величину прозрачности, о которой мы говорили ранее. Несмотря на это, измерения с помощью диска позволяют в определенной степени судить об оптических свойствах вод различных морей и океанов. Здесь нас больше интересует вопрос видимости диска под водой. Почему наблюдатель перестает его видеть?

Прежде всего — видимый контраст между диском и фоном. Коэффициент яркости стандартного белого диска примерно равен 0,80. По уже известной нам формуле определим величину действительного контраста между диском и морем:

Чем глубже в море погружается диск, тем больше этот контраст ослабевает. Контраст, который будет видеть наблюдатель, зависит от двух величин: показателя ослабления ε (т. е. от прозрачности воды) и глубины z, на которой в данный момент находится диск, т. е.

KB = 0,39∙10-εz

Другими словами, чем мутнее вода и тем самым больше значение ε, тем меньше глубина, на которой видимый контраст достигает величины порога контрастной чувствительности глаза (т. е. 0,02) и наблюдатель теряет способность видеть диск.

Казалось бы, по этим двум формулам очень легко точно рассчитать глубину исчезновения не только белого диска, но и вообще любого предмета, задавшись значениями действительного контраста и показателя ослабления. Однако мы совершенно не учитывали ряд моментов, отрицательно влияющих на видимость: изменения угловых размеров диска при его удалении от наблюдателя, уровня освещенности с глубиной и волнения на поверхности моря.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов подробнее.

Специально проведенные экспериментальные исследования показали, что если угловые размеры рассматриваемого предмета становятся меньше 1°, то величина порога контрастной чувствительности резко возрастает. Диаметр стандартного диска 30 см, и на глубине 17 м его угловой размер равен 1°. Но в прозрачных водах диск может быть виден гораздо дальше. Поэтому, для того чтобы результаты наблюдений действительно соответствовали видимости диска в данных водах, необходимо соблюдать определенное соотношение между размерами диска и глубиной его исчезновения. Так, в очень прозрачных океанских водах, где диск виден до глубины 50–55 м, его диаметр должен быть около 1 м.

Большое влияние на видимость подводных объектов вообще, и в частности диска, оказывают условия освещения. Они определяют как яркость объектов, так и фона, на котором те проектируются. Известно, что с падением уровня яркости способность зрения различать контраст ухудшается. То же самое происходит и в случае значительного увеличения яркости. При наблюдении диска более важным является первое, так как с очень большими яркостями наблюдателю здесь не приходится иметь дела. Поэтому, чтобы правильно оценить глубину исчезновения диска, измерения производят тогда, когда поверхность моря достаточно хорошо освещена.

Обычно очень мешает свет, отражающийся от поверхности моря и попадающий в глаз наблюдателя. Кроме того, даже небольшое волнение на поверхности моря также резко ухудшает видимость. Из-за различия в крутизне волн световые лучи, идущие от диска, по-разному преломляются, переходя из воды в воздух, и изображение диска все время мелькает.

Все эти неблагоприятные факторы могут в значительной степени исказить данные измерений глубины видимости диска и затруднить сопоставление результатов, полученных в разных морях и океанах. Существует ряд правил, которые надо соблюдать, работая с диском.

Так, измерения всегда ведутся с теневого борта, чтобы не мешали блики от света, отраженного поверхностью моря. При волнении больше трех баллов наблюдения вообще не проводятся.

Иногда, чтобы избавиться от этих бликов, за диском наблюдают через зачерненный изнутри ящик, частично погружая его под поверхность моря.

На рассвете и в сумерки наблюдения не проводят, а приурочивают их к светлому времени суток.

В метеорологии существует понятие «метеорологическая дальность видимости». Под этим обычно понимают расстояние, начиная с которого под воздействием дымки утрачивается видимость черного объекта, проектирующегося на фоне неба и имеющего на расстоянии дальности видимости угловые размеры не менее 20 минут.

В оптике моря, хотя и гораздо реже, чем в метеорологии, встречается такое понятие, как «гидрологическая дальность видимости». Правда, строгого определения его не существует. Иногда под этим подразумевается глубина исчезновения стандартного белого диска, а иногда черного.

Американские гидрооптики гидрологической дальностью видимости считают расстояние, на котором первоначальный контраст уменьшается до 1/50 своей величины. Для измерения гидрологической дальности они предложили устройство, состоящее из двух соосных дисков, один из которых белый, а другой, меньшего диаметра, — серый. Расстояние по вертикали между дисками (регулируемое с палубы судна) подбирается так, чтобы яркость их казалась одинаковой для наблюдателя, стоящего на палубе. Естественно, при этом белый диск находится глубже серого. Зная коэффициенты отражения обоих дисков и разницу в их глубине нахождения, нетрудно рассчитать гидрологическую дальность видимости.

Интересные наблюдения можно проводить и с черным диском.

Существует очень простая формула, позволяющая по глубине его исчезновения довольно точно определить величину показателя ослабления ε.

Эта формула имеет вид:

где zчд — глубина исчезновения черного диска (м); ε — показатель ослабления направленного излучения (м-1); П — порог контрастной чувствительности глаза.

Если величину П принять равной 0,02, то

Такой метод определения показателя ослабления называют методом черного экрана.

Изучение видимости под водой представляет собой один из интереснейших и практически важных вопросов оптики моря.

Оптика моря и подводная съемка

Фотокамера опускается на дно

В 1893 г. в заливе Баньюль-сюр-Мэр на Средиземном море французскому ученому Луи Бутану удалось получить первые подводные фотоснимки. Специально для съемки под водой он сконструировал фотокамеру — громоздкое сооружение, погружавшееся на морское дно и управлявшееся водолазом (рис. 55).

В то время снимки делались на неудобных мокроколлодийных пластинках; не было ни легких фотокамер, ни достаточно сильных малогабаритных источников света. Поэтому после Луи Бутана предпринимались лишь единичные попытки фотосъемки под водой, а написанная им в 1900 г. книга «La Photographie sous Marine» («Подводная фотография») оставалась мало известной широкому кругу читателей.

Массовое увлечение подводной фотографией началось лишь в 30-х годах, когда появились малоформатные фотоаппараты, работающие на кинопленке. Для съемок на мелководье используется обычный фотоаппарат, заключенный в водонепроницаемый корпус с выведенными наружу через сальники ручками управления. Фотографирование на больших глубинах, куда человек не может проникнуть даже в глубоководном скафандре, осуществляется с помощью автоматических фотокамер.

Хотя конструкцию подобной камеры Луи Бутан разработал еще в 1899 г., технические возможности того времени не позволили ему использовать изобретение на практике.

Лишь в 1940 г. американцам Юингу, Вайну и Ворзелю удалось получить первые удачные фотографии морского дна на большой глубине. Во время войны их фотокамера успешно использовалась для поисков затонувших судов. В послевоенные годы метод подводного фотографирования начал широко применяться для геологического и биологического изучения морского дна. Это дает возможность ученым детально рассмотреть микрорельеф поверхности дна, выяснить характер слагающих его осадков, обнаружить выходы коренных пород. Следы ряби на морском дне, запечатленные на фотографии, служат доказательством наличия придонных течений. Морские «зверюшки», попавшие в поле зрения объектива, позволяют биологам судить о качественном и количественном составе донной фауны и условиях ее обитания. Фото- и киносъемка являются, пожалуй, единственным средством для изучения следов жизнедеятельности донных животных, не сохраняющихся обычно в дночерпательных и траловых пробах.

Рис. 55. Первые подводные фотосъемки

Быстро вырос мировой рекорд глубины погружения подводной фотокамеры. В 1951 г. американский ученый Давид Оуэн получил фотографию дна океана с глубины 5500 м. Его соотечественнику Гарольду Эджертону в 1959 г. удалось сфотографировать морское дно на глубине 8500 м. Советский исследователь Н. Л. Зенкевич, опустив фотокамеру на дно желоба Кермадек в Тихом океане глубиной 9960 м, получил лишь неясные фотографии мути, так как дно желоба было целиком покрыто жидким илом, в который, по-видимому, полностью погрузилась фотокамера. Удачные фотографии океанского дна Зенкевич получил в Тихом океане на глубинах до 6150 м. Им была сконструирована и изготовлена двухобъективная подводная фотокамера для стереоскопической съемки морского дна. Помимо объемности изображения стереофотографии дают возможность увидеть гораздо больше деталей, нежели обычные фотоснимки. На рис. 56 показано скалистое дно, почти лишенное осадочного покрова. Лишь в небольших углублениях видны скопления белого глобигеринового песка. На поверхности дна лежит несколько крупных офиур. Обычные приборы для взятия проб грунта с такого дна приходят, как правило, пустыми.

Стереоскопические фотоустановки конструкции Зенкевича, успешно использовавшиеся в экспедициях Института океанологии, дали весьма ценный материал морским геологам и биологам.

Рис. 56. Фотография океанского дна на глубине 1335 м (снимок сделан в рейсе «Витязя» в 1957 г.)

Рис. 57. Преломление световых лучей при переходе через поверхность заметно искажает пропорции подводных объектов

Если открыть любую книгу, посвященную фото- и киносъемке под водой или подводному телевидению, мы обязательно обнаружим главу, в которой рассказывается об оптических свойствах водной среды и законах распространения света в воде.

Умение разобраться в особенностях прохождения света через морскую поверхность и его распространения в толще моря оказывается совершенно необходимым как при съемке объектов через поверхность моря, так и при фотографировании камерой, погруженной непосредственно в воду.

При съемке через поверхность преломление световых лучей, проходящих из воды в воздух, может заметно исказить пропорции подводных объектов и расположение их относительно друг друга (рис. 57). Преломление словно поднимает все погруженные в воду предметы выше их истинного положения. Этот эффект тем заметнее, чем под большим наклоном поверхности идут лучи. Абсолютно плоское дно на мелководье, снятое через поверхность, на фотографии будет выглядеть вогнутым: в центре кадра глубина кажется больше, по краям — меньше.

При цветной фотосъемке отраженный от поверхности моря свет обычно ухудшает цветовой контраст объектов на фотоснимке (рис. 58,1). Законы оптики подсказывают метод борьбы с этим явлением. Ведь мы знаем, что свет, отраженный от поверхности, поляризован, а следовательно, его легко «отсечь» с помощью поляроида. Поставив перед объективом поляризационный светофильтр, мы резко уменьшаем белый фон на нашем снимке, восстанавливая тем самым насыщенность окраски фотографируемых подводных объектов (рис. 58, 2; см. цв. вкл. на стр. 140)

Рис. 58. Отраженный от поверхности свет резко ухудшает контраст объектов на фотоснимке (1). Поляризационный светофильтр позволяет избавиться от вредного влияния отраженного света (2)

Другой способ избавиться от отраженного водной поверхностью света — опустить объектив под воду. Однако если даже оставить в стороне эффекты, вызываемые рассеянием и избирательным поглощением света морской водой, то все равно благодаря разнице показателей преломления воды и воздуха условия подводного фотографирования будут значительно отличаться от условий фотосъемки в воздушной среде.

Внутренность камеры отделена от воды стеклом иллюминатора. Иллюминатор обычно делают плоским, т. е. попадающие в объектив лучи проходят плоскопараллельную стеклянную пластинку, по одну сторону которой находится воздух, а по другую — вода (рис. 59). Такие лучи преломляются дважды: на границе вода — стекло и на границе стекло — воздух. На основании закона преломления можно написать: nводы ∙ sin φ1 = nстекла ∙ sin φ2 и nстекла ∙ sin φ2 = nвоздуха ∙ sin φ3, где nводы, nстекла и nвоздуха — соответственно показатели преломления воды, стекла и воздуха. Исключив из этих уравнений промежуточную среду — стекло, получим:

где п — относительный показатель преломления воды относительно воздуха. Таким образом, независимо от материала иллюминатора синус угла, под которым луч падает на поверхность иллюминатора из воды, составляет приблизительно лишь 3/4 синуса угла падения луча из воздуха (sin φ1 = 1/n ∙ sin φ3 = 0,75 ∙ sin φ3, так как показатель преломления морской воды относительно воздуха п равен 1,34). Поэтому угловое поле зрения объекта в воде уменьшается. Например, для фотообъектива «Юпитер-12» с углом зрения в воздухе 63° в воде он составит лишь 47°.

Рис. 59. Преломление световых лучей при прохождении через стекло плоского иллюминатора:

φ1 — угол падения лучей из воды на стекло иллюминатора; φ2 — угол преломления лучей в стекле; φ3 — угол, под которым лучи входят внутрь камеры

Преломление световых лучей при переходе из воды внутрь камеры приводит к тому, что в воде все предметы кажутся на 1/4 увеличенными, а расстояние до них на 1/4 короче, чем на самом деле. Такими они представляются ныряльщику в подводных очках (а ведь без них в воде он слеп). Такими же их запечатлеет на фотоснимке объектив через плоский иллюминатор. Определяя расстояние до предмета в воде на глаз, подводный фотограф будет получать резкие снимки, так как и он и фотокамера одинаково ошибаются в расстоянии. При использовании автоматической фотокамеры — объектив следует фокусировать на расстояние, равное 3/4 действительного. Под водой фокусное расстояние объективов как бы увеличивается.

Чтобы уменьшить ослабление водой видимой яркости предмета и размытие его контуров световой дымкой, возникающей благодаря рассеянию, следует снимать подводные объекты с более близкого расстояния. При этом важно иметь достаточно большой угол зрения объектива, с тем чтобы при малых расстояниях до объектива охватить большую площадь. Поэтому при подводной фотосъемке применяют обычно короткофокусные объективы, обладающие широкими углами поля зрения. Их преимущество перед нормальными заключается также в большой глубине резкости, что особенно важно для автоматического фотографирования в толще океана, когда нельзя заранее точно определить расстояние до фотографируемого объекта.

К сожалению, широкоугольный объектив обладает и значительными недостатками. Чем под большим углом падает луч на поверхность стекла, тем сильнее разница в преломлении световых лучей различных длин воли, вследствие чего возникают хроматические аберрации[30].

С возрастанием угла наклона лучей стекло плоского иллюминатора меньше пропускает свет, в результате края готового кадра затемняются.

Как же избавиться от столь вредного в этом случае преломления световых лучей? Наиболее радикальный способ решить проблему — заполнить водой внутренность фотографической камеры, конечно, не обычного фотоаппарата — ведь стеклянная оптика такого объектива не сможет работать в воде. Показатели преломления воды и стекла отличаются слишком незначительно, и на снимке запечатлевалась бы примерно такая же картина, какую видит в воде ныряльщик без подводных очков. Для практического осуществления этой идеи следует воспользоваться наипростейшей камерой-обскурой с просверленной в металлической пластинке дырочкой вместо объектива. Если все пространство между отверстием и светочувствительной пластинкой, заполнить водой, лучи света, попадающие на пластинку, не будут испытывать никакого преломления.

Хотя с помощью такого устройства можно получать вполне удовлетворительные снимки подводного мира, возможности этой примитивной фотокамеры, конечно, сильно ограничены. А нет ли какого-нибудь другого способа избавиться от преломления лучей? Оказывается, есть. Если использовать систему со сферическим иллюминатором и оптический центр объектива поместить в центре сферы, то большинство лучей, попадающих в объектив и создающих изображение предмета на фотопленке, будет падать на иллюминатор перпендикулярно к его сферической поверхности. Такой луч, как известно, проходит через стекло не преломляясь (ведь если угол падения луча равен 0°, то и угол преломления также окажется равным 0°).

Сферический иллюминатор обладает еще одним преимуществом перед плоским — большей механической прочностью, а это особенно важно для съемок на больших глубинах, где сила давления воды на стекло иллюминатора может достигнуть нескольких тонн.

При использовании сферического иллюминатора оптический центр объектива должен находиться точно в центре сферы. Малейшее перемещение объектива относительно иллюминатора вызывает значительные искажения для лучей, падающих под большим углом.

Поскольку смещение объектива предотвратить полностью невозможно (хотя бы вследствие температурных деформаций), нужно искать, способ избавиться от этих искажений. Американский оптик Е. Торндайк предложил использовать для этого корректирующую линзу.

Для уничтожения хроматических аберраций применяют светофильтры, пропускающие лишь участок спектра, близкий к спектральной чувствительности черно-белой пленки.

Широкое распространение получили оптические системы для подводной фотографии, разработанные известным французским гидрооптиком А. А. Ивановым (рис. 60). Насадки, выполненные по его схеме, позволяют добиться хорошего качества изображения по всему кадру при достаточно широком угловом поле зрения системы. Центровка объектива относительно насадки не требует высокой точности и допускает небольшие смещения объектива вдоль оптической оси и в стороны от нее.

Отличные качества в эксплуатации показывают советские фотообъективы для подводной съемки — «Гидроруссары». Несмотря на большое угловое поле зрения этих объективов, при подводных съемках через плоский иллюминатор они практически не дают искажений. Идея оптической схемы принадлежит ленинградскому оптику профессору М. М. Русинову. Суть ее заключается в том, что система вода — плоский иллюминатор служит как бы одной из линз, а сам объектив рассчитан на исправление ее искажений. Большое достоинство схемы — свободное расположение объектива относительно плоскости иллюминатора.

Рис. 60. Оптическая система А. А. Иванова

1 — иллюминатор — отрицательная линза; А' В' — изображение объекта; 2 — компенсирующая положительная линза; 3 — объектив; АБ — фотографируемый подводный объект;

Дальность фотографирования зависит прежде всего от дальности видимости предметов в воде. Последняя, как известно, определяется несколькими факторами: освещенностью предмета, ослаблением водой его видимой яркости, размытием контуров предмета световой дымкой, вызванной рассеянием.

Возможность фотосъемки при естественном освещении сильно ограничена глубиной. В прозрачных водах при ярком солнечном свете глубина, на которой еще проводят фотосъемку, достигает нескольких десятков метров, в мутных водах уже на очень небольшой глубине нельзя определить, где находится освещенная солнцем поверхность моря.

Чтобы увеличить освещенность фотографируемых объектов, применяют искусственное освещение.

В подводных киносъемках широко используются лампы накаливания. Их питание производится либо по кабелям с поверхности, либо от аккумуляторов, находящихся под водой. Наилучший источник освещения для подводных фотосъемок — электронная импульсная лампа. Она дает короткую и мощную вспышку, причем ее световой поток очень близок по своему спектральному составу к солнечному. Экспозиция при искусственном освещении зависит от чувствительности фотопленки, мощности лампы, прозрачности воды и общего пути света в воде. В случае естественного освещения общий путь света в воде складывается из расстояний от объекта до поверхности и от объекта до фотокамеры (рис. 61). При искусственном освещении этот путь равен сумме расстояний от источника света до. объекта и от объекта до фотокамеры.

Чтобы уменьшить световую дымку, возникающую при рассеянии лучей осветителя в воде, источник света следует поместить как можно ближе к снимаемому объекту. Осветитель располагают обычно под углом к оси съемки с целью избежать прямого освещения среды между объектом и фотокамерой. Предпочтение отдается лампам-фарам, дающим узконаправленный световой поток большой яркости, а не широкоугольным светильникам общего освещения. Справедливость этого вывода подтверждает случай, описанный А. А. Роговым:

«Работая в Рижском порту осенью 1962 г. в воде очень низкой прозрачности, фотографы группы подводных исследований „Союзморниипроекта“ пользовались двумя вспомогательными источниками освещения: подводными светильниками ППС-100, снабженными лампами накаливания в 1000 вт, и подводными фонариками с лампами накаливания в 6 вт. Съемка велась через контейнер, наполненный дистиллированной водой, освещение объекта для съемки было автономным.

Эффект освещения получился неожиданный. Подводный светильник, имеющий мощность почти в двести раз большую, чем фонарь, засвечивая фон между объектом и фотокамерой, создавал световой конус с телесным углом в 120°. Высота конуса в этом случае не превышала 100–150 см, а освещенное предметы из-за сильного рассеяния света плохо просматривались. Луч же света от фонарика, с углом рассеяния не более 5°, освещал на таком же расстоянии предметы довольно хорошо. В отличие от светильника, световой поток фонаря не слепил и не мешал наблюдать снимаемые предметы»[31].

Рис. 61. Общий путь света в воде при фотографировании; А+Б

1 — при естественном освещении; 2 — с помощью искусственного осветителя

Благодаря возрастанию светового фона, ослабляющего контраст предмета, увеличение мощности светильника, используемого для освещения, лишь незначительно улучшает видимость подводных объектов. При оптимальном расположении осветительных приборов с увеличением их силы света в 10 раз дальность видимости возрастает лишь на 15 %.

Некоторые специалисты считают, что между дальностью видимости и дальностью фотографирования существует зависимость: l = 0,5 z, где l — дальность фотографирования, a z — горизонтальная дальность видимости стандартного белого диска. Подводные исследователи неоднократно на практике убеждались, что предметы, отчетливо видимые под водой невооруженным глазом, оказывались неконтрастными на пленке.

А как же быть, если нужно провести фото- или киносъемку в очень мутной воде? Применение всех возможных средств для улучшения качества фотографий позволяет получить удовлетворительные снимки лишь в тех случаях, когда глубина видимости по белому диску не менее чем 1,5–2 м. А ведь существуют водоемы, настолько загрязненные взвешенными частицами и растворенными веществами, что дальность видимости белого диска в них не достигает и 1 м. Вода столь низкой прозрачности встречается обычно в портах, где как раз очень часто возникает необходимость в подводной фотосъемке (повреждения мола, стен причала и т. п.). Инженеры и ученые обошли создавшиеся трудности. Для фотографирования в очень мутной воде они предложили использовать специальные насадки, выполненные в виде усеченных пирамид или конусов, наполненных прозрачной жидкостью или воздухом (рис. 62). В этом случае съемка фактически ведется через тонкий слой мутной воды, находящийся между защитным стеклом и объектом съемки. В качестве прозрачной жидкости используется обычно дистиллированная вода, а также бензин или глицерин. Контейнер жидкостного наполнений легко герметизируется, его просто погрузить на нужную глубину. Однако у него есть недостатки, которыми не обладает воздушный контейнер. Прежде всего при равной площади объекта (и одном и том же объективе) высота водяной пирамиды должна быть на 1/4 больше, чем у воздушной: ведь при съемке через воздух угол поля зрения объектива уменьшаться не будет. Увеличение высоты при равных основаниях приводит к значительному увеличению объема. Например, для съемки подводного объекта площадью 0,6x0,9 м2 объем водяной пирамиды должен быть равен 300–350 л.

Рис. 62. Насадки для фотографирования в мутной воде

а — контейнер водяного наполнения;

б — контейнер воздушного наполнения А1=А2, но β1 < β2 и поэтому H1 > H2

Такое количество жидкости трудно сохранять в идеальной чистоте, неудобна и ее транспортировка. Поэтому вместо жидкостных контейнеров нередко используют насадки, изготовленные из монолитных кусков прозрачного органического стекла. Выбор того или иного вида насадки определяется спецификой работ и условиями, в которых проводится съемка; в частности, глубиной нахождения фотографируемых объектов. С помощью насадок удается получать высококачественные снимки предметов даже в очень мутной воде.

Известно, что морская вода ослабляет световые лучи по-разному: в зависимости от длины волны и спектральный состав солнечного света изменяется с глубиной. Мы уже рассказывали о том, к каким неожиданным цветовым эффектам приводит исчезновение красного света из распространяющегося в глубь моря светового потока. Естественно, все эти эффекты проявятся при цветном фотографировании и на пленке. Правда, с некоторой оговоркой. Человеческий глаз различает цветовые тона гораздо лучше, чем фотопленка. Подводные фотографы не раз обнаруживали, что наблюдаемая ими под водой на небольших глубинах гамма желтых, синих и ярко-зеленых красок со множеством промежуточных оттенков на фотоснимке дает лишь расплывчатую сине-зеленую дымку.

Однако можно исправить нарушенный цветовой баланс под водой, применив искусственные источники света. Конечно, и здесь необходимо стремиться к тому, чтобы общий путь света в воде был как можно меньше, так как в противном случае снова станет заметным поглощение водой красных лучей (рис. 63). Даже в очень прозрачной воде для удовлетворительного воспроизведения цветовой окраски подводного объекта общий путь света в воде не должен превышать 5 м.

Рис. 63. Искажение водой истинного цвета объекта. При белом солнечном свете эта морская звезда ярко-красная:

1 — общий путь света в воде — 1 м; 2–4 м

Другой способ восстановить истинные цвета фотографируемого предмета — применение цветных корректирующих светофильтров. Они используются также и при черно-белой фотосъемке, где отсутствие красных лучей, нарушая цветовой баланс, снижает контрастность изображения. Такие светофильтры, поглощая синие и сине-зеленые цвета, одновременно снимают дымку, имеющую голубоватый оттенок. Аналогичную цель преследует съемка на панхроматической пленке, обладающей максимальной цветочувствительностью в оранжево-красной части спектра.

При цветной фотосъемке подводный фотограф обычно имеет дело с цветной пленкой, рассчитанной на спектр солнечного света. Поэтому корректирующий светофильтр должен быть подобран таким образом, чтобы суммарное пропускание света слоем воды (толщина которого равна общему пути света в воде) и светофильтра было неселективно, т. е. не зависело от длины волны. Даже если считать, что общий путь света в воде при съемке всегда одинаков (скажем, 3 м), то и тогда подобрать универсальный корректирующий светофильтр не представляется возможным. Ведь спектральное пропускание света в различных водах различно. Для каждого типа вод должен быть рассчитан свой корректирующий светофильтр: для более мутных — с максимумом поглощения в желто-зеленой части спектра, для более прозрачных — в голубой (рис. 64). В случае искусственных источников цветные светофильтры можно устанавливать и непосредственно перед светильниками.

Применение корректирующего светофильтра значительно уменьшает общее пропускание света: уравнивая цветовой баланс, светофильтр не может прибавить красного света, он лишь уменьшает количество голубого. К тому же не бывает светофильтров со 100 %-ным пропусканием даже в каком-то отдельном спектральном участке

Общее количество света, попадающего на пленку, при применении светофильтра значительно уменьшается. Поэтому в случае недостатка освещенности или тогда, когда требуется большая глубина резкости, корректирующие светофильтры применять нельзя.

Рис. 64. Исправление цветового баланса под водой с помощью корректирующих светофильтров:

1 — чистые океанские воды; 2 — океанские средней чистоты; 3 — чистые прибрежные; 4 — прибрежные средней чистоты; 5 — мутные

А — спектральное пропускание различных вод при общей длине пути света 3 м; Б — суммарное пропускание трехметрового слоя воды и цветного светофильтра (в случае идеальной коррекции суммарное пропускание изображалось прямой линией, параллельной горизонтальной оси)

Цветные светофильтры позволяют значительно увеличить глубину, на которой возможна цветная фотосъемка при естественном освещении. Если без них удовлетворительные по цветопередаче снимки в морской воде можно получить лишь на глубине 3–5 м, то с их помощью легко сделать снимки на глубинах до 20 м.

Телерепортаж со дна океана

Все те проблемы, о которых говорилось выше, сохраняют свое значение и для подводного телевидения. Преломление световых лучей при прохождении через иллюминатор передающей камеры, сильное ослабление водой видимой яркости предметов, размытие их контраста световой дымкой, созданной рассеянным светом, низкие освещенности — все эти трудности неизбежно встают и перед специалистами подводного телевидения.

Возникнув три десятилетия назад, подводное телевидение в настоящее время широко применяется во многих странах для различных морских исследований. Тем не менее подводное телевидение, безусловно, уступает фото-и киносъемке под водой; во-первых, в передаче цвета, а во-вторых, в диапазоне глубин, доступных для наблюдений. Если цветные фотографии глубоководных морских обитателей стали уже обычным явлением, то цветное телевидение делает пока лишь первые шаги под водой, и только в последнее время появились сведения о применении телевидения для передачи видов подводного ландшафта. Значительно проигрывает телевидение и в максимальной глубине погружения: в то время как фотокамеры уже достигли в океане предельных глубин, телевизионная аппаратура лишь недавно перешагнула километровый глубинный рубеж. В чем же причина подобного отставания? Дело в том, что для непрерывной передачи изображения нужен канал связи, а единственным каналом связи в подводном телевидении в настоящее время является кабель. Использование радиоволн сантиметрового и метрового диапазона, на которых работает обычное телевидение, в воде невозможно из-за громадного затухания. Например, радиоволны частотой 50 мгц ослабляются примерно в 10 000 раз слоем воды толщиной 1 м. Радиопередатчик, работающий на этой частоте, не слышно на поверхности уже с глубины нескольких метров. Передача изображения осуществима на более длинных радиоволнах, так как показатель ослаблений уменьшается прямо пропорционально частоте. Например, радиоволны частотой 5 кгц (т. е. с частотой в 10 000 раз большей, чем в вышеприведенном примере) ослабятся в 10 000 раз лишь 10-километровым слоем воды, т. е. их можно принимать, даже с предельных океанских глубин[32]. Однако при такой низкой частоте сохранить нормальное число кадров, передаваемых в секунду, уже нельзя: от непрерывной передачи изображения придется перейти к передаче как бы отдельных, мгновенных фотографий наблюдаемого объекта. Само излучение таких радиоволн — весьма сложная задача: ведь размеры передающей антенны должны быть сравнимы с длиной волны, которая для волн столь низкой частоты даже в воде (где длина волны, примерно в 9 раз меньше, чем в воздухе) составляет несколько километров. Единственная надежда обойти возникшие трудности — применить в качестве волновода трос, на котором опускается в море передающая камера. Его можно было бы использовать и для другого вида бескабельной передачи — ультразвуковых колебаний.

Рис. 65. Подводный «телеробот» — камера ИОАН-5 с «механической рукой», смонтированной на ее кожухе

Высокая стоимость кабеля, сложность его транспортировки, необходимость оборудования судна специальными мощными лебедками для спуска и подъема резко ограничивает глубинные возможности телевидения. Только бескабельная связь позволит подводному телевидению стать таким же общепризнанным средством исследования океана, каким является подводное фотографирование и киносъемка. А ведь потенциальные возможности подводного телевидения гораздо выше, чем у подводной фото-или киносъемки. Это касается хотя бы дальности видения. Порог контрастной чувствительности у современных подводных телеустановок примерно такого же порядка, что и у человеческого глаза. Расчеты американского исследователя Г. Робертса указывают на возможность создания телевизионной системы, имеющей порог контрастной чувствительности примерно на три порядка ниже. Средства современной электроники позволяют во многих случаях избавляться от возникающих оптических искажений. Изменяя определенным образом форму токов (или напряжений) развертки, можно получить такие геометрические искажения растра, которые частично или полностью компенсируют оптические искажения изображений, даваемых широкоугольными объективами. Специальные электронные устройства — контрасторы — частично компенсируют затухание контраста, ослабевающего в воде. Наибольшая дальность видения под водой при помощи телевизионной аппаратуры, полученная американским ученым Стемпом, уже достигла 45 м.

Но главное преимущество подводного телевидения перед фото- и киносъемкой — это, конечно, возможность непрерывного наблюдения под водой. Современный этап развития подводного телевидения начался в 1947 г., когда американские специалисты установили передающую камеру на палубе подводной лодки, чтобы изучить под водой результаты взрыва при испытании атомной бомбы у атолла Бикини. В настоящее время подводное телевидение широко применяется и в рыбном хозяйстве, и для подводных археологических исследований, и при аварийно-спасательных и ремонтных работах под водой. Подводная телеустановка позволяет наблюдать за работающими водолазами и давать им необходимые указания. Приспособив на передающей камере специальный манипулятор с дистанционным управлением, во многих случаях можно обойтись и без участия водолазов. Сейчас уже существуют «механические руки», способные выполнять под водой простейшие операции: ловить мелких животных, находящихся в поле зрения передающей камеры, брать образцы донной растительности, поднимать со дна различные предметы (рис. 65).

Одна из таких первых отечественных установок — ИОАН-3, разработанная Н. В. Вершинским и В. И. Маракуевым, помогла исследовать затонувший корабль «Десна». Современный французский телеводолаз-нефтяник «Теленавт» уже «научился» завертывать гайки и помимо телепередатчика обладает еще и кинокамерой. Недалеко то время, когда подводные телероботы, повинуясь воле человека, будут выполнять самые различные его задания на любых океанских глубинах.

Свет и жизнь в море

Свет оказывает решающее влияние на развитие жизни в океане. Освещенность толщи океанской воды солнечным светом имеет огромное значение для различных биологических явлений. Так, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света участвует в преобразовании неорганических веществ в органические.

Изменение интенсивности освещения в течение суток вызывает суточную вертикальную миграцию планктона. Изменение с глубиной количества и спектрального состава света сказывается на окраске водорослей и животных.

Особая, во многом еще загадочная роль в биологических ритмах принадлежит лунному свету.

Естественный свет, непосредственно влияя на зрение морских организмов, позволяет им ориентироваться в пространстве. Еще не ясно, до каких глубин морские животные и рыбы вообще могут воспринимать свет. Американский биофизик Кларк предполагает, что для многих рыб глубина 750 м предельная, а его коллега Уотерман подтвердил эту границу для ракообразных до 1500 м.

В темных глубинах океана, где роль теплого животворящего солнечного света ничтожна, господствует холодный свет моря — биолюминесценция, свечение морских организмов. Вместе с тем известно и об отрицательном воздействии света. У некоторых организмов при ярком освещении, например, резко расстраивается дыхание. Многие животные активную жизнь ведут в темноте, прячась в светлое время суток. Одним словом, роль света в жизни океана огромна.

СО2 + Н2О + свет = жизнь

Солнечный свет, пронизывающий толщу моря, приводит в действие, пожалуй, самый удивительный и совершенный механизм в природе — механизм преобразования неорганических веществ (углекислого газа и воды) в органическое соединение — углевод. Этот процесс, при котором растение, используя свет в качестве энергии для осуществления синтеза различных веществ в клетке, вступает в окислительно-восстановительную реакцию с CO2 и Н2O, был назван фотосинтезом.

Суммарный конечный результат его можно представить следующим уравнением:

В результате этой реакции возникают углеводы, обеспечивающие рост растений, а в окружающую среду выделяется свободный кислород.

В морях и океанах обитают многочисленные водоросли, способные к фотосинтезу. Некоторые, наиболее крупные из них, ведут оседлый образ жизни в прибрежной полосе океана. Но основную массу морских растений составляют не эти донные водоросли. Главный поставщик пищи в море — планктонные водоросли, мельчайшие одноклеточные (или колониальные) растения, проводящие всю свою жизнь в толще воды. Их морфологическое строение и удельный вес, близкий к удельному весу морской воды, позволяют им «парить» в море. Нуждаясь в свете, они обитают только в тонком поверхностном слое, до глубины 100, реже 200 м, где достаточно лучистой энергии для поддержания фотосинтеза. Образную картину процесса фотосинтеза, рисующую его исключительную важность для всего живого, дал великий русский ученый К. А. Тимирязев: «Когда-то, где-то на землю упал луч Солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, он рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода, соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. Этот крахмал, превратясь в растворимый сахар, после долгих странствий по растению отложился, наконец, в зерне в виде крахмала, или в виде клейковины. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы»[33].

Естественно, что в процессе дальнейших исследований механизм фотосинтеза был уточнен. Так, было доказано, что солнечная энергия расходуется на разложение не углекислоты, а воды.

Что же происходит под воздействием света в водах Мирового океана?

Солнечная энергия, проникая в море, так же как и на суше, поглощается и используется растениями. За счет этой энергии происходит образование восстановленных органических соединений из окисленных неорганических. Энергия, накопленная в этих соединениях, покрывает все энергетические затраты организмов, населяющих море, во время их движения, размножения, биохимического обмена и т. п. Передача энергии, усвоенной растениями, происходит и когда одни организмы питаются другими.

Первоисточником пищи всех животных служат органические соединения, накопившиеся в теле водорослей в процессе фотосинтеза. Это накопление органических соединений, приводящее к росту водорослей, называют первичной продукцией океана.

В ходе процесса фотосинтеза в клетке происходит фотохимическое расщепление молекулы воды на ионы гидроксила и водорода. Водород присоединяется к углекислоте и образует углеводы. Затем клетка извлекает из воды азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу и др. Образуются белки и другие биохимические соединения. Интересно отметить, что все процессы, кроме фотодиссоциации воды, темновые, т. е. не требуют дополнительного поглощения световой энергии. Продолжительность темновых реакций во много раз больше, чем световых. Суммарная скорость процесса первичной продукции в условиях достаточного снабжения биогенными элементами и хорошей освещенности в конечном счете определяется темновыми биохимическими реакциями.

Если света мало, фотохимические (световые) реакции оказываются определяющими, лимитирующими общую скорость фотосинтеза.

Поглощение солнечной энергии растениями осуществляется с помощью пигментов, т. е. каталитически активных окрашенных соединений, содержащихся в водорослях. Каждый из пигментов поглощает свет в определенных, характерных для него участках спектра.

Основным из них является хлорофилл a, который есть у всех без исключения фотосинтезирующих растений. Молекулы хлорофилла — отличные «ловушки» для солнечного света. Но главная их функция — фотодиссоциация молекулы воды. Наиболее ярко выраженные максимумы поглощения хлорофилла a находятся в участках спектра 420–430 и 670–680 нм. Однако эти области излучения значительно поглощаются морокой водой, и поэтому у водорослей имеется сложная пигментная система, восприимчивая к излучению и в других участках видимого спектра. Дополнительные пигменты поглощают энергию в участках спектра, недоступных хлорофиллу а, и передают ему эту энергию. От набора пигментов данной водоросли зависит ее окраска. Окраска водорослей — наследственный признак и способствует их расселению на определенных глубинах.

Важным свойством пигментной системы является ее способность к хроматической адаптации, т. е. способность быстро изменяться и приходить в соответствие с суточными и вертикальными изменениями спектрального состава проникающего в воду света.

В процессе фотосинтеза морского фитопланктона используется лишь очень незначительная доля световой энергии, падающей на поверхность Мирового океана, — в среднем 0,04 % от проникшей в воду. В наиболее продуктивных районах моря эффективность фотосинтеза достигает примерно 0,35 %, а в бедных жизнью она составляет всего 0,02 %. Остальная солнечная радиация поглощается водной толщей.

Как мы знаем, освещенность с глубиной убывает по показательному закону. Тот же характер носит ослабление с глубиной интенсивности фотосинтеза. Происходит это до тех горизонтов, где световые реакции фотосинтеза уже начинают лимитировать его скорость. В подповерхностных же слоях моря, наоборот, избыток света подавляет фотосинтетический процесс. Исключение составляют лишь приполярные районы, где на поверхность моря падает количество световой энергии, которого недостаточно для подавления фотосинтеза.

Оптимальное для фотосинтеза значение световой энергии для различных биогеографических областей неодинаково: для тропической зоны это 60–85 кал/см2, для умеренных широт — 15–20 кал/см2 в день. Минимальная интенсивность освещения, при которой вообще возможен фотосинтез, очень невысока. Многие виды глубоководных морских водорослей развиваются в условиях, где освещенность составляет 10-5—10-7 от количества солнечного света, падающего на морскую поверхность, что по интенсивности близко к освещенности, создаваемой лунным светом.

Таким образом, интенсивность световой энергии на различных глубинах моря, ее суточные и сезонные изменения имеют большое значение для первичной продукции вод океанов и морей.

Важной величиной, характеризующей эффективность превращения световой энергии в химическую, является квантовый выход фотосинтеза φ, который можно оценить числом молекул синтезированного углерода при поглощении одного кванта света, т. е.

Квантовый выход фотосинтеза меньше единицы, поэтому удобнее пользоваться обратной величиной (1/φ = n), называемой квантовым расходом и показывающей, сколько квантов света затрачено на синтезирование одной молекулы углерода C6H12O6— гексозы.

Из графика на рис. 66 видно, что квантовый выход фотосинтеза неодинаков на всем участке видимого спектра. В наиболее благоприятных условиях он не превышает 0,12, т. е. необходимо примерно 8 квантов света (n = 1/0,12) для синтезирования одной молекулы гексозы. Но величина эта непостоянна и колеблется в довольно широких пределах, определяемых целым комплексом условий, в которых протекает процесс фотосинтеза.

При менее благоприятных условиях, чем во время проведения опытов (недостаток элементов питания, света и т. п.), квантовый выход падает.

Рис. 66. Спектральная зависимость квантового выхода фотосинтеза

Вообще говоря, выяснить зависимость первичной продукции в океанах от условий подводной освещенности — задача исключительной трудности.

Есть еще очень много неясного в сложнейшем процессе воздействия лучистой энергии на морской фитопланктон. Какова реакция живой клетки водорослей на излучение различных длин волн, как происходит адаптация пигментной системы в зависимости от условий освещения и т. п. — все эти вопросы относятся главным образом к сфере деятельности ученых, изучающих физиологию растений. Гидрооптике как одной из отраслей физической океанологии в комплексе этих проблем отводится несколько особая роль.

В исследовании световой энергии, распространяющейся в море, и ее влияния на фотосинтез морских водорослей есть один весьма важный аспект.

Дело в том, что производство гидрооптических измерений, сопутствующее биологическим исследованиям, ведется практически на всей обширной акватории Мирового океана учеными разных стран.

В своих исследованиях они применяют измерители энергии самых разнообразных конструкций и используют различные методы для расчетов как суммарной энергии, так и ее спектрального состава. В результате полученные данные практически мало сопоставимы друг с другом, а это в свою очередь мешает ученым получить реальную картину зависимости процесса первичной продукции от условий освещенности в масштабах всего океана.

Необходимость унифицировать проведение световых измерений в море привела к созданию по инициативе ЮНЕСКО, Научного комитета по океанографическим исследованиям (СКОР) и Международной ассоциации физической океанографии (МАФО) Рабочей группы по фотосинтетической радиации в море. В ее состав вошли специалисты по первичной продукции Г. Джиттс (Австралия), Е. Стимен-Нильсен (Дания), Ю. Сайджо (Япония), Дж. Стил (Шотландия) и по оптике моря Н. Ерлов (Швеция), А. А. Иванов (Франция), Ю. Е. Очаковский (СССР) и Дж. Тайлер (США).

Эта группа должна решить два основных вопроса: во-первых, какие измерения световой энергии в море надо проводить, чтобы установить закономерности, существующие между процессом фотосинтеза и светом в море, и, во-вторых, какая аппаратура способна обеспечить нужную точность и сопоставимость измерений.

В октябре 1964 г. в Москве состоялось первое совещание. Естественно, рассматриваемые Вопросы вызвали довольно бурную дискуссию.

Председатель группы Дж. Тайлер высказал предположение, что в основу искомого прибора должен быть положен приемник излучения, обладающий спектральной чувствительностью, такой же как спектральная чувствительность живой клетки фитопланктона.

Его точка зрения была принята буквально в штыки биологами. Они заявили, что создание прибора на этом принципе невозможно по многим причинам. Первая и основная: видовое разнообразие планктонных организмов столь велико и их спектральная чувствительность к излучению настолько различна, что подобрать какую-либо одну, осредненную кривую, удовлетворительную для всех случаев, просто не реально. Кроме того, реакция планктона на свет не остается постоянной, так как он обладает способностью к световой и хроматической адаптации, причем надо еще учитывать инерционный характер этих приспособительных процессов.

После длительного обсуждения было принято решение, обязывающее гидрооптиков разработать конструкцию такого прибора, который позволял бы с точностью до 10 % измерять суммарную лучистую энергию, распространяющуюся от поверхности моря к его глубинам в диапазоне 350–700 нм. Такой измеритель должен быть прост в обращении и доступен в массовых исследованиях. Кроме датчика, погружаемого в море, прибор необходимо снабдить аналогичным приемником излучения для измерения радиации в палубных инкубаторах, где имитируются условия освещения на различных глубинах.

Кроме того, прибор, который предстояло создать, должен обладать способностью суммировать энергию за время экспозиции склянок с пробами. Задача не из легких. Но, пожалуй, самое трудное — это добиться, чтобы приемник излучения прибора был неселективным в пределах 350–700 нм и не реагировал на излучение вне этого диапазона, т. е., чтобы он измерял лучистую энергию, проникающую в море, именно в данном участке спектра.

Прежде чем окончательно решить вопрос о создании нового прибора, надо было проверить, нельзя ли использовать уже существующую аппаратуру для непосредственных измерений энергии, а также один из косвенных методов расчета ее значений — оптическую классификацию вод, предложенную Ерловым.

Действительно, если известна закономерность, с которой в данных водах происходит ослабление лучистой энергии в различных участках спектра, то достаточно измерить энергию, падающую на поверхность моря, и ее ослабление в воде в одном узком участке спектра, с тем чтобы, используя кривые Ерлова, рассчитать суммарную энергию на требуемой глубине.

Для этих целей надо установить на палубе пиранометр стандартного типа, а для измерения показателя вертикального ослабления воспользоваться примитивным фотометром с селеновым фотоэлементом, перекрытом узкополосным цветным светофильтром.

В лаборатории гидрооптики ИОАН были проведены методические исследования, которые показали, что в прозрачных водах открытого моря метод оптической классификации вполне применим, но его точность несколько снижается в более мутных прибрежных водах.

И вот прошло четыре года. В мае 1968 г. гидрооптики, члены Рабочей группы, встретились в Сан-Диего (США), чтобы сопоставить различные приборы для измерения фотосинтетически активной радиации (ФАР) в море. Одновременно австралийский гидробиолог Джиттс измерял первичную продукцию, использовав палубный инкубатор своей конструкции.

Испытания проводились в Калифорнийском заливе; штилевая погода, отсутствие облачности и большие высоты Солнца создавали хорошие условия для работы.

Измерения велись различными по конструкции и принципу действия приборами.

Американские ученые Тайлер и Смит измеряли и спектральное распределение энергии на различных глубинах с помощью погружаемого в море спектрорадиометра. Этот прибор позволял получать спектральные кривые большой точности, так как его разрешающая способность была всего 5 ям. Аналогичный прибор использовали и французские гидрооптики Иванов и Боэр. Кроме того, они испытали подводный пиранометр повышенной чувствительности и измеритель облученности в узком участке спектра. Советские специалисты Очаковский и Сусляев использовали подводный пиранометр, измеритель облученности в узком участке спектра и прибор ВАРИПО.

Особый интерес вызвал измеритель Ерлова, названный им квантометром. Приемником здесь служит селеновый фотоэлемент, различные участки поверхности которого перекрыты разными цветными светофильтрами. Такая конструкция, по мнению Ерлова, делает приемник излучения неселективным в диапазоне ФАР. К сожалению Ерлов не смог принять участие в испытаниях, и с этим прибором работали его коллеги К. Ньюгард и Г. Кулленберг.

Сейчас, когда полученные материалы еще находятся в стадии обработки, трудно судить о достигнутых результатах. Но очевидно, что это только один из первых шагов в поисках оптимального варианта прибора для световых измерений, которые так необходимы морским биологам.

Интересную аппаратуру для изучения фотосинтетически активной радиации сконструировал польский ученый Ежи Дера. Его установка, плавая в виде поплавка, суммирует количество энергии, падающей на поверхность моря в течение всего дня.

Надо помнить, что проблема «свет и фотосинтез» остается одной из важнейших проблем как оптики моря, так и морокой биологии. Океан — продовольственная кладовая будущего, и ее изобилие в первую очередь определяется первичной продукцией.

Недавно советские ученые О. И. Кобленц-Мишке, В. В. Волковинский и Ю. Г. Кабанова примерно оценили первичную продукцию Мирового океана. Оказалось, что в год морские водоросли переводят из неорганического состояния в органическое около 15–20 млрд. т углерода. Другими славами, водоросли за один год накапливают 600–800 млрд. т сырой биомассы.

При этом надо учесть, что биологические ресурсы моря пока не испытывают регулирующего влияния человека. В дальнейшем, когда люди научатся культивировать моря и океаны, их продуктивность, несомненно, еще больше возрастет.

Влияние света на жизнедеятельность морских организмов

В природе есть много явлений, которые еще не удалось объяснить. Так обстоит дело и с вертикальными миграциями зоопланктона. В чем же их суть? Давно замечено, что ряд мелких морских животных в течение суток перемещаются в толще воды. Ночью они поднимаются ближе к поверхности, а днем уходят на глубины. Небольшой планктонный рачок-калянус (Calanus finmarchicus) проходит за сутки около 500 м, а суточные перемещения некоторых более крупных планктонных организмов охватывают слои до 800—1000 м. Средняя скорость движения у разных организмов лежит в пределах 0,5–3 м/мин. Любопытно, что во время своих вертикальных перемещений животные транзитом проходят водные слои с разной температурой. Иной раз температурные различия между слоями составляют около 10°. В то же время для горизонтального распределения этих видов организмов встают непреодолимой стеной значительно меньшие температурные различия, ограничивая их географическое распространение.

У гидробиологов пока нет единодушного мнения о причине суточных миграций. Некоторые считают, что вертикальные миграции постепенно выработались у организмов как защитное приспособление от нападения хищников. Однако большинство биологов убеждено, что причина миграций — в суточных изменениях естественной освещенности.

Дальнейшее развитие биологических и биофизических исследований позволит окончательно решить проблему суточных вертикальных миграций.

По нашему же мнению, гидробиологи, утверждающие, что изменения освещенности вызывают вертикальное перемещение организмов с суточным ритмом, ближе к истине. Об этом свидетельствуют и наблюдения Т. С. Петипа 30 июня 1954 г. за поведением зоопланктона в Севастопольской бухте во время солнечного затмения. Диск Солнца был закрыт на 92 %, благодаря чему нормальная дневная освещенность поверхности моря, как считает Петипа, уменьшилась в 17 раз. Обловы зоопланктона по всей толще воды показали, что многие из видов зоопланктона поднялись из глубин в верхний слой воды 0–5 м. После окончания затмения, когда была восстановлена нормальная освещенность поверхности моря, основная масса зоопланктона очень быстро опустилась в более глубокие слои.

В этом случае связь изменения освещенности с вертикальными миграциями зоопланктона представляется совершенно очевидной. А что произойдет, если длительное время, скажем три-четыре недели, освещенность не будет меняться? Будет ли следовать зоопланктон привычному ритму суточных вертикальных миграций?

Такой случай в Арктике в разгар полярного лета, когда Солнце круглосуточно не скрывается за горизонтом, исследовал В. Г. Богоров.

У берегов Новой Земли он наблюдал поведение рачка-калянуса. По его сообщению, во время полярного дня калянус находился на одной и той же глубине, не обнаруживая никаких вертикальных перемещений, тогда как осенью, в период смены дня и ночи, тот же рачок совершал свои суточные миграции. В. Г. Богоров не фиксировал величину надводной освещенности. Поэтому мы можем только приближенно оценить ее величину и суточные колебания, использовав данные О. А. Соколова, полученные для той же широты, но другой долготы. Величина освещенности меняется в течение полярного дня в пределах 500—1800 лк, что вызывает изменение подводной освещенности на постоянном горизонте скопления калянуса от 0,5 до 4 лк. Вероятно, такие изменения освещенности не ощутимы калянусом.

Вместе с тем есть данные, что определенные виды зоопланктона более тонко реагируют на изменение освещенности. Английский биолог Мур наблюдал, например, как неожиданно появившаяся на небе Луна заставила зоопланктонные организмы опуститься из самого поверхностного слоя на некоторую глубину. А освещенность поверхности моря, создаваемая Луной, составляет лишь 0,5 лк[34].

Приведенные примеры, как нам кажется, убедительно подтверждают связь регулярного суточного движения многих планктонных животных вверх и вниз — вертикальных миграций — с изменением количества света, проникающего в толщу морской воды. Более того, исследователи заметили, что каждое животное, поднимаясь или опускаясь, стремится находиться в местах с одинаковой освещенностью. Это выяснилось, в частности, во время изучения звукорассеивающих слоев — локальных скоплений крупных планктонных организмов и рыб, которые могут фиксироваться гидроакустическими приборами, например эхолотами.

Звукорассеивающие слои редко образуются за счет животных только одного вида. Обычно в самой верхней части сосредоточиваются эуфаузииды (Euphausiidae), животные, похожие на креветок. У них огромные черные глаза (отсюда местное название — черноглазки); тело (1–3 см) прозрачное, с крошечными красными пятнами. Нижние же ярусы звукорассеивающего слоя занимают мелкие рыбки.

Летом 1954 г. американские биофизики Е. Кампа и Б. Боден провели в Тихом океане близ Калифорнии обширные исследования звукорассеивающих слоев. Запись перемещения слоев сопровождалась измерениями подводной освещенности с помощью батифотометра, снабженного весьма чувствительным фотоумножителем. Перед рассветом 2 июля батифотометр погрузили на глубину верхней планктонной части звукорассеивающего слоя (освещенность была 6,3∙10-4 лк). Вскоре звукорассеивающий слой стал опускаться на глубину. Одновременно непрерывно регистрировалась освещенность, она все время составляла 6,3∙10-4 лк. Слой остановился на глубине 243 м. Батифотометр показал 6,3∙10-4 лк. Вечерний подъем происходил аналогичным образом, т. е. в верхней части звукорассеивающего слоя неизменно регистрировалась одна и та же освещенность (рис. 67). Правда, она не равнялась освещенности при опускании, а заметно превосходила ее (7,1∙10-3 лк). Объясняется это тем, что безлунной ночью (с 1 на 2 июля) перед спуском животные хорошо адаптировались и, следовательно, оказались более чувствительны к слабым освещенностям, чем в дневное время перед подъемом (вечером 2 июля).

Рис. 67. Изменение глубины нахождения звукорассеивающего слоя во время вечернего подъема (кружки) и изменение освещенности (сплошная линия)

Примеры показывают, что, вероятно, даже темп миграции планктонных организмов зависит от темпа изменения подводной освещенности.

Большинство исследователей уделяло внимание связи вертикальных миграций зоопланктона с изменениями освещенности, созданной солнечным светом. Однако очень немногие изучали влияние лунного света на миграции.

Японский океанограф Уда утверждает, что Луна влияет на положение звукорассеивающих слоев. При лунном освещении они уходят от поверхности моря, и тогда плохо ловятся кальмары и многие рыбы.

Окраска морских организмов

Биологи одной из океанографических экспедиций на корабле «Михаэль Сарс» обратили внимание на окраску рыб и животных в Саргассовом море.

Верхний, щедро освещаемый солнечным светом слой воды населяют голубые летучие рыбы и медузоподобные сифонофоры (Siphonophora). Здесь же обитают совершенно неокрашенные стекловидные личинки угря и комочки бесцветного студня — медузы. Порой их даже невозможно разглядеть в ведре с морской водой. Идеальное слияние со средой объясняется прежде всего тем, что показатели преломления личинок и медуз близки к показателю преломления воды и лучи света не отражаются и не меняют своего направления, проходя через их тела. Кроме того, очень мало и поглощение света этими организмами.

У рыб в верхнем слое моря — обычно светлое брюшко и более темная спинка. Сверху спинка хуже различается на фоне темных морских глубин, а светлое брюшко менее заметно, если смотреть на рыбу снизу, на освещенную поверхность моря.

Рыб с коричневыми спинками можно обнаружить на глубине 300 м. Это и понятно: здесь света еще меньше.

Личинки плавающей на поверхности океана сифонофоры — физалии (Physalia) — обитают на глубинах 300–400 м и окрашены не в голубой, как взрослые особи, а в ярко-красный цвет. В окружающих сине-фиолетовых сумерках такой цвет воспринимается почти, как черный. В красный цвет окрашен и калянус, опускающийся днем до 300–500 м. Такая окраска является дополнительной по отношению к свету, проникающему на данную глубину.

На глубине более 500 м с борта «Михаэля Сарса» добывали лишь черных рыб и красных рачков.

В конце 30-х годов французский биолог Бертен в своем докладе в Биогеографическом обществе заявил: «Видимо, пределом для распространения живых существ, не считая бактерий, следует считать глубину в 7000 м».

Однако в 1949 г. советская экспедиция на «Витязе» обнаружила в Курильском желобе различные живые существа глубже «границы жизни Бертена». На глубине 7230 м была поймана рыба Careproctus amblistomopsis.

Обширные биологические исследования предельных глубин океана проводила датская экспедиция на «Галатее» в 1950–1952 гг. Но особенно большой вклад в открытие жизни в глубоководных океанических желобах и впадинах внесли советские экспедиции на «Витязе». В январе 1958 г. его биологам удалось исследовать с помощью глубоководной драги впадину Тонга на глубине 10 700 м. В сеть попались животные, принадлежащие к различным зоологическим группам. Как же окрашены обитатели этих колоссальных неосвещенных глубин? Большинству из них присуща слабая серовато-желтоватая окраска. Остальные вообще не окрашены. Действительно, окраска здесь не имеет защитного значения, такого как в поверхностной толще или на глубине в несколько сот метров.

Многие морские животные обладают способностью к активной маскировке, т. е. гомохромии. Они могут окрашиваться в соответствии с окружающим фоном, достаточно точно копируя с помощью пигментации спектральную кривую отражения фона. Это возможно благодаря удивительному «спектрофотометрическому» свойству зрения рыб и животных, т. е. их способности воспринимать распределение энергии в световом спектре, которое человек в состоянии различить только с помощью специального прибора — спектрофотометра. Широко известны опыты с камбалой, которую в аквариуме клали на синий, красный, зеленый и фиолетовый фон, и каждый раз она перекрашивалась в соответствующий цвет. Более того, камбала копировала не только окраску, но и рисунок фона.

Если рыба или животное лишается зрения, то они лишаются и способности к маскировке. Н. И. Тарасов в Сиваше поймал камбалу с наглухо затянутыми кожей глазами. Она была черного цвета, резко выделяясь среди зеленых, под цвет морской травы, зрячих камбал.

Великолепно искусством маскировки с помощью пигментации владеет рачок Hippolite varians. Это маленькое, длиной не более 2,5 см, животное прикрепляется к водорослям и принимает их цвет.

Рачок способен быстро изменяться и окрашиваться в зеленый, бурый и красный цвета. Именно в эти цвета окрашены группы морских водорослей, населяющих мелководную зону моря. Собственно говоря, они так и называются: зеленые, бурые и красные или багряные водоросли.

Уже давно обратила на себя внимание закономерность в распределении с глубиной этих водорослей.

В табл. 2 указано число видов, относящихся к разным группам водорослей, обитающих в Кильской бухте на различных глубинах.

Таблица 2

Глубина, м Виды водорослей зеленые бурые багряные 0 — 2 30 11 4 7 — 8 10 15 18 8 — 12 3 9 11 18 — 25 — 5 7

Ярусность выдерживается и в других морях. Как показали исследования, она связана с изменением спектрального состава солнечного света с глубиной. Зеленые водоросли обитают в самом верхнем слое, где еще имеется красный свет, который активно поглощается хлорофиллом а. Как и наземные растения, они лучше всего для фотосинтетической деятельности используют синий свет, а также излучение с длиной волны 640–650 нм. У багряных и бурых водорослей максимум ассимиляции приходится на синий и зеленый участки спектра.

Для приспособления к тому или иному спектральному составу света на конкретных глубинах у водорослей (как, впрочем, и у многих других растений) вырабатывается система пигментов-пластид, обеспечивающая наилучшее использование света.

В зеленых водорослях содержится определенное количество хлорофиллов а и b. Хлорофилл а лучше всего поглощает красный свет, а хлорофилл b — свет коротковолновой части спектра. Соотношение пигментов-пластид изменяется в зависимости от того, какой свет превалирует в подводном освещении, и одновременно изменяется окраска самих водорослей.

Они приобретают дополнительную окраску по отношению к свету, который наилучшим образом используется растением для фотосинтеза.

Рачок Hippolite varians принимает разную окраску в соответствии с цветом водорослей на различных глубинах только днем, а в ночное время независимо от дневной окраски перекрашивается в красивый прозрачно-синий цвет.

Так в природе решается сложнейшая задача маскировки под переменный фон в зависимости от изменений естественного освещения.

Море живет — море светится

Летом 1968 г. на дне Голубой бухты близ Новороссийска была установлена подводная лаборатория «Черномор». Несколько экипажей, сменяя друг друга, провели под водой наблюдения по разнообразным программам.

Во время проведения гидрооптической программы для океанавтов были предусмотрены ночные выходы из подводной лаборатории. В черной воде во время движения океанавтов вспыхивали голубоватые искры. Если кто-нибудь из них делал случайно вращательное движение рукой, то получался светящийся круг. Источником довольно ярких вспышек оказались мельчайшие одноклеточные жгутиковые организмы — ночесветки (Noctiluca miliaris). Их размеры 0,2–2 мм.

В свечении моря повинны и многие другие мелкие обитатели — планктонные рачки, креветки, моллюски. Но основной вклад в свечение моря вносит все тот же планктон. Есть предположение, что Колумб принял мерцание больших скоплений одного тропического многощетинкового червя за световые сигналы, подаваемые с неведомой земли. Он описал эти сигналы как свет свечи, которая то поднималась, то опускалась. Колумб видел таинственные вспышки примерно в 22 часа 12 октября 1492 г. Историки, исследовавшие судовые документы «Санта-Марии», приходят к выводу, что во время наблюдения световых сигналов корабль Колумба находился в 80–85 милях от острова Ватлинг. Следовательно, он не мог видеть на таком расстоянии пламени свечи.

В то же время естествоиспытатели заметили, что в этих местах в последнюю четверть Луны регулярно к поверхности моря поднимаются светящиеся черви. 12 октября 1492 г. также приходится на последнюю четверть Луны; вероятно, внимание Колумба и было привлечено свечением червей.

То, что вспышки достаточно интенсивны и могут быть видны на значительном расстоянии, убеждает следующий пример. Всего шесть миниатюрных рачков-эуфаузиид, помещенных в стеклянную банку, излучают такое количество света, что человек с хорошим зрением свободно читает газету.

Свечение организмов может быть внутриклеточным и внеклеточным. Первый вид свечения встречается чаще. Оно свойственно массам одноклеточных организмов и бактериям. У высших ракообразных или рыб оно сосредоточено в особых органах — фотофорах. Внеклеточным свечением обладают, например, некоторые кальмары и креветки, выбрасывающие в качестве завесы светящуюся слизь.

Сейчас биохимики установили, что свечение происходит главным образом при окислении люциферином (протеин с большим молекулярным весом) люцифераза — вещества, близкого к витамину К. Оба эти вещества содержатся в специальных клетках организмов. Физическая сущность явления также понятна — это биолюминесценция, или живой холодный свет. При биолюминесценции энергия химической реакции, вызвавшей свечение, почти полностью переходит в свет без затраты на тепло. Коэффициент полезного действия свечения превышает 90 %.

Ранние теории объясняли свечение моря тем, что в море светится фосфор (отсюда понятие «фосфоресценция моря»). Существовала также гипотеза об отдаче водой поглощенного в светлое время суток солнечного света. Согласно «механической» точке зрения, свет излучается молекулами соли, трущимися о молекулы воды.

Механическое воздействие тех или иных раздражителей необходимо для высвечивания организмов. К ним относятся и движение воды, и трение о пузырьки воздуха, и прикосновение к посторонним, особенно движущимся, предметам. Только у рыб и некоторых высших ракообразных и моллюсков свечение обусловлено нервно-гормональной деятельностью. Заметим, что только свет бактерий не зависит от внешнего раздражения.

Итак, свечение моря — это проявление биолюминесценции, суммирующееся из биолюминесцентных вспышек морских организмов. Чаще всего биолюминесцентные сигналы очень слабы и для их восприятия необходимы весьма чувствительные приемники световой энергии — фотоэлектронные умножители. Человеческий глаз может едва-едва различить эти сигналы, находясь даже на небольшом расстоянии. Но в море наблюдалось свечение, которое хорошо заметно и на значительных расстояниях.

В статье итальянского исследователя Л. Каппуро «Океанография из Космоса» (Bollet. di Geofis. Teor. ed Applicata, 9, № 33, 1967), со ссылкой на американского космонавта Карпентера, утверждается, что светящийся след большого корабля в тропических морях может быть виден с высоты 100–200 км.

Свечение усилится, если на поверхность моря посылать световые импульсы. Американский исследователь Нашиба, применяя импульсную ксеноновую лампу, установил, что уровень биолюминесценции в результате оптической стимуляции светящихся организмов увеличился в тысячу раз. Даже в результате визуальных наблюдений сложилось представление об огромном масштабе этого явления. Оно захватывает большие акватории и практически все широты. Вот что писал Ч. Дарвин во время плавания на корабле «Бигль», находясь у южноамериканского материка: «…дул свежий ветерок, и вся поверхность моря, которая днем была покрыта пеной, теперь сияла белым светом. Перед носом корабля вздымались две волны как бы из жидкого фосфора, а за ним тянулся млечный след…»[35] Дарвин наблюдал свечение моря в тропических широтах. Но вот записи капитана ледокольного парохода «Седов» К. С. Бадигина во время дрейфа в центральной части Северного Ледовитого океана: «…Южный ветер разводит в полынье волну. Волны лижут нашу льдину. Когда вода сбегает, на льду остается зеленоватое фосфорическое свечение…»[36]

Иной раз свечение моря проявляется в виде странных светящихся полос или кругов. Это так называемое фигурное свечение. Моряки торговых судов, наблюдавшие его, рассказывают, что их охватывало чувство страха, когда светящиеся полосы и колеса перемещались по поверхности ночного моря. Одному из авторов близ Ходейды в Красном море удалось наблюдать четыре светящиеся полосы, соединявшиеся в одной точке и несколько напоминающие слабые лучи прожектора, которые медленно двигались против часовой стрелки. Вышедшая из-за облаков Луна ре позволила далее вести наблюдение. Объяснение фигурному свечению недавно нашел немецкий океанолог К. Калле. Проанализировав более двух тысяч такого рода наблюдений, он сделал вывод, что причина фигурного свечения — высвечивание у поверхности моря мельчайших организмов, потревоженных ударными волнами, возникающими при подвижках и смещении слоев на дне моря. Ударные волны передаются в толщу воды, и на поверхности моря, где скапливаются светящиеся организмы, создается своего рода интерференционная картина. Если сейсмические источники на дне моря меняют свое положение, то она приходит в движение.

Строго говоря, под свечением моря понимают увеличение яркости поверхности моря за счет света морских организмов, скапливающихся в приповерхностном слое воды. Однако биолюминесценцию наблюдали и в толще морской воды.

Мы уже упоминали о наблюдениях океанавтов «Черномора». Из подводной лаборатории «Карибское море-1», установленной в июле 1966 г. на дне бухты Ринкон-де-Гаунаба неподалеку от Гаваны, океанавты также наблюдали биолюминесценцию. Мигель Монтаньес записал в своем дневнике: «Я долго наблюдал за жизнью моря ночью. То здесь, то там вспыхивали и гасли бесчисленные маленькие огоньки. Звездное и лунное сияние не в силах пробить 20-метровую толщу вод. Единственный источник естественного света в ночных глубинах— масса планктона. В этом призрачном свете изредка проплывали какие-то незнакомые фосфоресцирующие рыбы…»[37]

Но подводные лаборатории пока устанавливаются сравнительно неглубоко. Правда, и на глубинах значительно больших исследователи своими собственными глазами видели светящихся животных. Еще Уильям Биб, опускавшийся в битискафе на глубину 923 м, сообщал о светящихся существах. Он даже сделал несколько уникальных фотографий, снимая люминесцирующихся животных в их собственном свете.

Профессор Огюст Пиккар на батискафе «Триест» достиг дна Средиземного моря на глубине 1080 м. «Мы гасим свет — наступает полный мрак. Я подхожу к иллюминатору: поле моего зрения пересекает какая-то светящаяся точка, подобная падающей звезде. Живое существо! Растение или животное? В такой темноте не могут быть настоящие растения. Мы часто замечаем фосфоресцирующих животных, проходящих иногда группами, иногда в одиночку… и снова погружаемся в непроницаемую мглу»[38].

Но подлинная революция в изучении биолюминесценции наступила лишь после того, как ее стали измерять с помощью батифотометров. Эти приборы, снабженные особо чувствительными вакуумными фотоумножителями, регистрируют самые слабые световые потоки, вплоть до нескольких квантов в секунду. Батифотометры появились лишь 10–12 лет назад, но с ними удалось провести обширные исследования в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах до глубин 2000 м. Итог этим исследованиям был подведен на Втором международном океанографическом конгрессе в Москве в 1966 г.: биолюминесценция характерна для всей океанской толщи и, безусловно, представляет постоянно действующий фактор в оптике моря и экологии морских организмов.

Первые советские инструментальные исследования биолюминесценции были выполнены под руководством профессора И. И. Гительзона в Тихом океане с борта научно-исследовательского корабля «Витязь» в 1961 г.

Ученый заметил, что на батифотограммах биолюминесцентные вспышки, записывающиеся в форме импульсов, образуют густой поток, часто сливающийся воедино. Таким образом, биолюминесценция не редкое событие, спорадически регистрируемое батифотометром, висящим в толще морской воды, а информация о непрерывных биологических процессах в море.

Форму световых сигналов отдельных организмов изучали также в лабораторных условиях с помощью проточной фотометрической установки.

Исследователи отметили неравномерное распределение по глубине биолюминесцентных вспышек. На глубинах 50—100 м отмечалось максимальное число вспышек (несколько сот в минуту). Как выяснилось, именно на этих горизонтах в исследованном районе Тихого океана — скопления светящихся форм планктона. На некоторых глубинах зарегистрировалось всего несколько единичных вспышек или их не было вовсе.

Итак, уже в самом начале инструментального исследования биолюминесценции была выяснена массовость и значимость этого явления для оптики моря. Любопытно, что максимальные биолюминесцентные сигналы, зарегистрированные Гительзоном, составляют 9,6∙10-2 мквт/см2, что превышает максимальную облученность, создаваемую полной Луной на поверхности моря (4,5∙10-2 мквт/см2). Естественно, что в общем балансе освещенности каждого горизонта в толще морской воды наряду с оценкой внешнего по отношению к морю астрономического света (Солнце, Луна, звезды) необходимо учитывать и собственный свет моря — биолюминесценцию.

Гительзон в океане выделяет три световые зоны:

1) 0—200 м — зона дневного солнечного и ночного смешанного (астрономического и биолюминесцентного) свечения;

2) 200–700 м — зона дневного солнечного и ночного биолюминесцентного свечения;

3) глубже 700 м — зона одного биолюминесцентного свечения.

Лабораторные исследования спектрального состава света, излучаемого светящимися морскими организмами, показывают, что все их излучение укладывается в диапазон 400–700 нм с максимумом в интервале длин волн 480–520 нм. Напомним, что как раз в этом же спектральном промежутке находится максимум пропускания прозрачных океанских вод. Естественно, что световые сигналы, посылаемые организмами, хорошо проходят через толщу морской воды. И это, вероятно, не случайное явление, а результат длительного эволюционного процесса живого мира. Добавим также, что световая эффективность биолюминесценции исключительно высока.

Представление о световой эффективности биолюминесценции дает сопоставление ее спектрального состава со спектральным распределением чувствительности приемника. У выскоорганизованных организмов приемником излучения являются глаза. Однако свойства зрения обитателей моря еще недостаточно хорошо изучены, и можно только предполагать, что спектральная чувствительность их глаз настроена на излучение Солнца, т. е. близка к спектральной чувствительности человеческого глаза.

Сопоставляя спектр свечения морского организма со спектром его свечения с поправкой на кривую видности, получаем световую эффективность излучения. Чем ближе максимум излучения к вершине кривой видности, тем больше световая эффективность излучения. У некоторых светляков, максимум излучения которых (562 нм) близок к вершине кривой видности, световая эффективность излучения составляет 92 %.

Таким образом, световая эффективность биолюминесценции заметно превышает эффективность всех известных электрических и тепловых источников света.

Биологический смысл биолюминесценции еще полностью не ясен. У некоторых организмов она имеет сигнальное значение, связывая особи одного и того же вида. Другие организмы используют свечение, чтобы привлечь жертву или отпугнуть хищников.

В ряде случаев биолюминесценция используется для освещения. Так, у глубоководных рыб светоносные органы, или фотофоры, достигают большого совершенства: они обладают линзами, отражателями, цветными фильтрами. Биологический смысл свечения бактерий совершенно не ясен.

В последнее время к биолюминесценции наблюдается повышенный интерес. С точки зрения бионики это образец светильника с исключительно высокой световой эффективностью при очень небольших энергетических затратах. Изучение биолюминесценции имеет важное практическое значение.

Вероятно, наш рассказ о свечении моря будет неполным, если не упомянуть еще об одном явлении.

В 20-х годах нашего столетия индийский ученый К. Раманатхан обратил внимание на слабое зеленоватое свечение морской воды при облучении ее ультрафиолетовым светом. Тщательный анализ показал, что это свечение происходит из-за присутствия в морской воде так называемых флуоресцирующих веществ органического и неорганического происхождения. Давно известное физикам явление флуоресценции состоит в том, что некоторые вещества способны светиться, т. е. излучать видимый свет при освещении их более коротковолновым ультрафиолетовым светом; причем свечение мгновенно прекращается после окончания облучения. В мелководных внутренних морях флуоресценция оказывает влияние на видимый цвет моря, создавая дополнительную зеленоватую окраску. Особенно заметен эффект флуоресценции в окраске моря после шторма в прибрежных районах, что связано с взмучиванием флуоресцирующих частиц, содержащихся в тонких илистых донных отложениях. Любопытно, что флуоресцирующие вещества присутствуют и в нефти. В последнее время морские геологи, вооруженные аквалангами и источниками невидимого для глаз ультрафиолетового излучения, или, как говорят практики, «черного света», проводят интенсивные поиски выходов нефти в районе шельфа.

Ультрафиолетовые лампы пришли на помощь также археологам, которые по характерному зеленоватому свечению обнаруживают останки древних деревянных кораблей, и даже криминалистам. Английские специалисты-светотехники утверждают, что вследствие флуоресценции человеческой кожи разыскивать тела утопленников в воде целесообразнее ночью, а не днем. Они показали, что дальность обнаружения утопленников при освещении ультрафиолетовой лампой в ночное время в восемь раз больше, чем в дневное. Добавим также, что в последние годы флуоресцирующие вещества — родамин и флуоресцеин — стали широко применяться для исследования турбулентной диффузии в океане. Они имеют много преимуществ перед несветящимися красителями. В частности, они совершенно безвредны для человека и обитателей морских глубин.

Заключение

Круг вопросов, которыми занимается гидрооптика, с каждым годом расширяется. Это неизбежно ведет к образованию новых разделов и направлений. Сейчас уже есть все основания говорить об одном из таких направлений — оптике ночного моря, — которое своим возникновением во многом обязано быстро растущим запросам морской биологии.

Роль проникающего в водную толщу лунного света еще не ясна. Исследуя закономерности его распространения в океане, оптика ночного моря поможет раскрыть эту научную загадку.

Человеку было давно известно приманивающее действие света. Во Вьетнаме рыбаки нередко в качестве приманки насаживают на леску светящиеся органы кальмара, которого в свою очередь также ловят на свет. На берегу моря зажигают огонь и забрасывают в воду леску с лоскутком белой ткани. Привлеченная светом стая кальмаров обычно не заставляет себя ждать, а один из них — самый любопытный — хватает лоскуток. Рыбак осторожно подтягивает леску и сачком подхватывает добычу.

В экспедициях на «Витязе» в Тихом и Индийском океанах, если позволяла погода, биологи во время ночных остановок корабля неизменно опускали за борт мощные электролампы. В освещенный круг из ночного океана заплывали разные существа: летучие рыбы, анчоусы, живые ракеты — кальмары и множество других обитателей океана.

Почему яркий свет, нарушающий подводную тьму, приманивает к себе рыб и животных? Этому существует несколько объяснений. Так, Никаноров и Беляева, например, объясняют способность приманиваться светом исследовательским рефлексом рыб и животных. В некоторых странах, в том числе и у нас, лов рыбы на электрический свет осуществляется в промышленном масштабе. Привлеченные подводным светильником скопления кильки засасываются насосом и серебристой рекой текут на палубу корабля. Дальневосточная сайра также привлекается мощным источником электрического света.

Вместе с тем известна и отрицательная реакция рыб на свет. Угри, избегая света, совершают свои дальние странствования только в ночное время. Разработан план перекрытия одного из проливов, соединяющих Северное и Балтийское моря (Малый Бельт), гирляндой электрических ламп. Угри, мигрирующие из Балтийского моря, натолкнувшись на световую преграду, должны устремиться в специально оставленный узкий проход, где их и предполагается вылавливать. Однако из-за разногласия рыболовных компаний проект пока осуществить не удалось.

Для приманки некоторых рыб служат люминесцентные светильники — лампы дневного света, как называют их в обиходе.

Оптические исследования биолюминесценции, по всей вероятности, позволят биофизикам и биохимикам создать новые, более совершенные источники люминесцентного света: ведь любое светящееся существо — миниатюрная живая модель химического реактора с очень высоким выходом световой энергии. Для бионики — науки, изучающей возможности использования в технике лучших достижений живой природы, будет интересно и исследование света как средства пространственной ориентации. О том, что некоторые морские животные используют поляризованный свет в навигационных целях, мы уже рассказывали. Добавим, что пока инженеры оптико-механической промышленности могут лишь мечтать о поляриметре, который определял бы параметры поляризации с такой точностью, как это делают животные.

Расширение круга вопросов, которыми занимается оптика моря, неизбежно влечет за собой развитие новых и совершенствование старых методов исследования океана. Советские гидрооптики разработали весьма перспективный метод быстрого измерения некоторых оптических характеристик с борта… самолета. С помощью специальной оптической аппаратуры, установленной на самолете, определяется важная характеристика — яркость поверхности моря.

Вместе с тем оптика моря становится подводной наукой. Для проведения исследований гидрооптики опускаются в глубины океана.

Летом 1968 г. на дне Голубой бухты около Геленджика была установлена подводная лаборатория «Черномор». Пять экипажей по 5–6 суток каждый вели с помощью подводной лаборатории научные наблюдения. На верхней палубе поместили прибор для измерения подводной облученности, другой прибор, названный «гидропауком», для измерения параметров поляризации и яркости естественного света смонтировали на специальной установке.

Эту установку, состоящую из буя с площадкой для размещения приборов и сложного переплетения металлических тросов, закрепили на дне моря в 20–25 м от «Черномора». Буй мог погружаться на любую глубину, тем самым позволяя измерять оптические характеристики от поверхности до дна.

Опыт «Черномора» — первый в оптике моря. Он показал, какие богатейшие возможности для проведения точных и длительных измерений непосредственно в толще воды предоставляет подводная лаборатория. Ведь до сих пор подавляющее большинство гидрооптических измерений проводилось на борту научно-исследовательских кораблей, как правило, качающихся на волне или зыби. Ясно, что точность измерений здесь ниже, чем при измерениях с жестко закрепленного «Черномора». Очень важно и то, что океанавт, выйдя из люка подводной лаборатории, в любой момент может контролировать работу приборов.

Летом 1969 г. оптические исследования с помощью подводной лаборатории «Черномор» проводились на больших глубинах. Научная программа стала обширнее и разнообразнее.

Когда пишут об оптических квантовых генераторах, или лазерах, то в первую очередь приводится их длинный «послужной» список. Действительно, лазеры используют в самых разнообразных областях науки и техники. Их применяют вместо скальпеля хирурга и при сварке металлов, для наблюдения за искусственными спутниками Земли и в метеорологии. «Игольчатый» луч лазера нашел широкое применение и в оптике моря. Как известно, радиоволны плохо распространяются в морской толще, и долгое время для подводной связи использовались только акустические методы. До изобретения оптических квантовых генераторов об оптической связи не могло быть и речи.

Дальность действия сконцентрированного светового потока, излучаемого лазером в воздушной и тем более в безвоздушной среде, составляет миллионы километров. А какие расстояния луч лазера может пройти в воде? Американские исследователи сообщали, что дальность действия рубинового лазера с мощностью в импульсе 210 вт из-за сильного поглощения красного света водой всего 50–60 м. Естественно, рубиновый лазер непригоден для подводной связи. Другое дело, лазер, «работающий» в наиболее прозрачной части спектра видимого света. По данным группы американских исследователей, луч сине-зеленого лазера проходит в воде расстояние 1200 м. С помощью такого лазера открывается реальная возможность установления оптической подводной связи.

В настоящее время лазерный луч используется для создания точнейших гидрооптических приборов. В лаборатории Ерлова сконструирован и успешно эксплуатируется такой прибор для измерения характеристик рассеяния непосредственно в толще воды.

Американский оптик Шпильхауз с помощью прибора лабораторного типа, в котором в качестве источника света используется газовый неоно-аргоновый лазер, провел обширные измерения рассеяния света морской водой в Атлантическом и Индийском океанах.

Известны попытки использовать специальные оптические квантовые генераторы в качестве оптических гирокомпасов.

Гидрооптика — одна из наиболее молодых областей океанологии. За последнее десятилетие она резко шагнула вперед в своем развитии. По существу еще совсем недавно все исследования в области оптики моря сводились к наблюдениям так называемой прозрачности воды с помощью белого диска и определения цвета моря по шкале Фореля — Уле. Естественно, такие данные не могли удовлетворить растущие потребности науки и практики. Это обусловило появление новой аппаратуры и современных методов измерений оптических параметров моря.

Необходимость решения целого ряда актуальных вопросов океанологии и гидробиологии, а также прикладных задач, выдвигаемых развитием морской техники, неизбежно должна привести к значительному прогрессу этой важной и интересной отрасли гидрофизики.

Примечания

1

Бугер. Оптический трактат о градации света, т. III, М., Изд-во АН СССР, 1950.

(обратно)

2

Вс. А. Березкин, А. А. Гершунн, Ю. Д. Янишевский. Прозрачность и цвет моря. Л., Изд-во Военно-морской Академия ВМФ, 1940.

(обратно)

3

Список литературы, посвященной общим вопросам оптики моря, весьма невелик: глава из «Физики моря» В. В. Шулейкина, статья профессора С. Даитли в «Журнале Американского оптического общества» и глава из известной книги «The Sea», написанная американскими учеными Дж. Тайлером и Р. Прайзендорфером. Лишь в 1968 г. вышла в свет монография известного шведского гидрооптика профессора Н. Ерлова «Optical Oceanography».

(обратно)

4

1 нм = 10-9 м = 10 А

(обратно)

5

Эти цифры относятся к молекуле Н2O, когда она находится в газообразном состоянии.

(обратно)

6

Н. Н. Зубов. Морские воды и льды. М., Гидрометеоиздат, 1938.

(обратно)

7

Мы здесь умышленно не рассматриваем поглощение на взвешенных в воде частицах, так как эти частицы вносят гораздо больший вклад в процесс рассеяния света, чем в его поглощение.

(обратно)

8

Сосуды специальной конструкции, с помощью которых берутся пробы воды определенного объема с любой глубины

(обратно)

9

Н. И. Евгенов. Морские течения. М., Гидрометеоиздат, 1954.

(обратно)

10

В. Г. Ажажа, О. А. Соколов. Подводная лодка в научном поиске. М., «Наука», 1966.

(обратно)

11

Ж.-И. Кусто, Ф. Дюма. В мире безмолвия. М., «Молодая гвардия», 1957.

(обратно)

12

Дивергенция (расхождение) — граница или граничная зона между противоположно направленными течениями внутри циклонических круговоротов.

(обратно)

13

В результате сравнительно недавних исследований доказано существование глубоководной флоры. Это прежде всего жгутиковые и синезеленые водоросли (Cyanophyceae), обладающие способностью усваивать растворенное в морской воде органическое вещество без помощи солнечной энергии.

(обратно)

14

Ж.-И. Кусто, Ф. Дюма. В мире безмолвия…

(обратно)

15

Получение таких пучков стало возможно с появлением лазеров. Изучать явления подобного рода — задача специального раздела оптики — нелинейной оптики.

(обратно)

16

Вс. А. Верезкин, А. А. Гершун и Ю. Д. Янишевский. Прозрачность и цвет моря

(обратно)

17

Т. Хейердал. Путешествие на «Кон-Тики». М., «Молодая гвардия», 1956.

(обратно)

18

Ж.-И. Кусто, Ф. Дюма. В мире безмолвия…

(обратно)

19

П. Бугер. Оптический трактат о градации света…

(обратно)

20

В. Биб. На глубине километра. М.—Л., Детгиз. 1937.

(обратно)

21

300 000 км/сек — скорость света в вакууме. В воде она составляет приблизительно 225 000 км/сек.

(обратно)

22

Существует много и других типов тепловых приемников света, таких, как болометры, молекулярные радиометры и т. п., но они пока не нашли широкого применения в практике гидрооптических исследований.

(обратно)

23

Г. Титов. 700 000 километров в космосе. М., «Правда», 1961.

(обратно)

24

Под углом зрения Н. Н. Зубов подразумевает угол между направлением наблюдения и поверхностью моря.

(обратно)

25

Н. Н. Зубов. Морские воды и льды…

(обратно)

26

О. Е. Коцебу. Путешествие в Южный океан и Берингов пролив для отыскания северо-восточного морского прохода, предпринятое в 1815–1818 гг. на корабле «Рюрик». СПб., 1821.

(обратно)

27

S. Q. Dantley. Underwater visibility. — «The Sea». N. Y. — London, 1962.

(обратно)

28

Р. Кэррингтон. Биография моря. Л., Гидрометеоиздат, 1966.

(обратно)

29

Ж. Верн. Собр. соч., т. 4. М… ГИХЛ. 1956.

(обратно)

30

Хроматическая аберрация — искажение изображения, возникающее из-за различия в преломлении световых волн разной длины.

(обратно)

31

А. А. Рогов, Фотосъемка под водой. М., «Наука», 1964.

(обратно)

32

Ослабление направленного радиоизлучения в воде происходит по тому же закону, что и светового потока: Iz = I0 ∙ 10-γz, где γ показатель ослабления.

(обратно)

33

К. А. Тимирязев. Солнце, жизнь и хлорофилл, т. 1. М., Сельхозгиз, 1948.

(обратно)

34

По измерениям немецкого исследователя Г. Люиебурга, на глубине 25 см освещенность, созданная лунным светом, равна 0,011 лк, а на горизонте Зм -0,002 лк. Во время цикла измерений освещенность поверхности моря Луной колебалась в пределах 0,1–0,3 лк.

(обратно)

35

Ч. Дарвин. Собр. соч., т. 1, СПб., 1898.

(обратно)

36

К. С. Бадигин. Во льдах Арктики. М.-Л., Изд-во Главсевморпути, 1951.

(обратно)

37

А. А. Чернов. «Гомо акватикус». «Молодая гвардия». 1968.

(обратно)

38

О. Пиккар. На глубину морей в батискафе. М., Судпромгиз. 1961.

(обратно)

Оглавление

От редактора

Предисловие

Рождение гидрооптики

Поглощение и рассеяние света в морской воде

  Свет превращается в тепло

  Почему свет рассеивается в морской воде?

Прозрачность моря

  От Северного полюса до берегов Антарктиды

  Океан в ледовом панцире

  Южнее многолетних льдов

  Широты, богатые жизнью

  Синий пояс океана

  Прозрачные «реки» в океане

  «Облака» в океане

  От белого диска к современным прозрачномерам

  Устройство современных прозрачномеров

  Оптика моря помогает океанологии

Солнечный свет в море

  Свет на поверхности моря

  Распространение солнечного света в толще моря

  Ослабление солнечного света с глубиной

  Спектральный состав солнечного света на различных глубинах

  Существует ли предельная глубина проникновения солнечного света?

  Поляризация света в море

  Как измеряется естественный свет в море

Почему разные моря имеют разный цвет

  Чем определяется цвет моря

  Свет, «возвращенный» морем

  Измерение цвета моря

Почему в воде видно хуже, чем в воздухе

  Способность глаза видеть в воде

  Мог ли капитан Немо видеть в море на полмили?

Оптика моря и подводная съемка

  Фотокамера опускается на дно

  Телерепортаж со дна океана

Свет и жизнь в море

  СО2 + Н2О + свет = жизнь

  Влияние света на жизнедеятельность морских организмов

  Окраска морских организмов

  Море живет — море светится

Заключение Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg