Распространение света в морской воде

Свет и цвет в море

Связь между энергией солнечных лучей, поддерживающих жизнь, и продукцией морских растений очень сложна; также сложны и адаптации животных к условиям освещенности в море.

Нам остается рассмотреть одно физическое свойство воды, которое так сильно влияет на организацию жизни в море, что ему посвящена отдельная глава. Это свойство состоит в способности воды пропускать световые лучи и называется прозрачностью. Вот что мы обнаруживаем и что я называю величайшим совпадением: жидкость Н2O представляет собой самое чистое «окно», лучше всего пропускающее электромагнитное излучение почти в том же цвете, в котором интенсивность солнечного света выше всего! Для этого нет абсолютно никаких причин: прозрачность воды для разных оттенков солнечного спектра зависит только от строения ее молекулы, а не от температуры Солнца. А температура Солнца никоим образом не связана с тем, как построена молекула воды. Однако температура на поверхности Солнца, которая вызывает пик излучения, дающий именно тот сине-зеленый цвет, для которого вода наиболее прозрачна, равна 6000°К! Приходится думать, что некий Великий Мастер, сконструировав первоначально всю систему, увидел, что она работала бы лучше, если немножко «подогнать» то или иное свойство вещества, и потому привел в соответствие температуру излучения Солнца и прозрачность морской воды.

Солнечный свет.Начнем с описания света, достигающего поверхности моря. Его по традиции называют белым, потому что в целом он содержит все цвета радуги, смешанные в таких пропорциях, что мы воспринимаем его как белый цвет.

В действительности солнечный свет на поверхности океана состоит из многих оттенков: если их расположить по порядку, мы получим так называемый солнечный спектр (рис. 14.1).

Центральная полоса, в которой свет наиболее интенсивен, представляет собой полосу видимых цветов. Есть множество других оттенков, не видимых для человеческого глаза: часть энергии существует в той области спектра, которая расположена дальше красного цвета и называется инфракрасной, другая часть энергии приходится на область за фиолетовым цветом — в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Инфракрасный участок спектра в свою очередь разделяют на ближнюю и дальнюю инфракрасные области. Прослеживание цветов может быстро наскучить, поэтому мы используем эквивалентную шкалу, размеченную по длине световых волн; эта шкала также показана на рис. 14.1. Единицей измерения длины волны является нанометр (нм); 1 нанометр равен одной триллионной части метра.

Грубый анализ солнечного спектра показал, что наиболее интенсивное излучение размешается в полосе видимого света с длинами волн от 400 до 700 нм. Максимальная интенсивность соответствует примерно 500 нм. Интенсивность быстро падает по направлению к коротковолновому концу спектра, где энергия в ультрафиолетовом диапазоне ниже 300 нм очень мала. Если бы мы могли взглянуть на солнечный спектр у верхнего края земной атмосферы, то обнаружили бы, что энергия в ультрафиолетовом диапазоне гораздо выше. Большая ее часть поглощается озоновым слоем до того, как солнечный свет достигнет поверхности моря. Как ясно видно на рис. 14.1, по направлению к длинноволновому концу инфракрасной области спектра интенсивность излучения ослабевает гораздо более плавно.

Следует сделать одно дополнительное замечание: приведенный здесь спектр сглажен. В действительности в солнечном спектре имеется несколько довольно специфических и глубоких «дыр», особенно в инфракрасной его части. Такие дыры обусловлены селективным поглощением энергии определенных воли некоторыми газами, присутствующими в земной атмосфере. Например, фактически весь солнечный свет с длинами воли больше 6000 нм поглощается углекислым газом СO2 и парами воды Н2O. Дальнейшее разделение поступающей на Землю солнечной энергии подробно рассматривается в следующем разделе.

Радиационный баланс Земли.Вейль [9] приводит краткую сводку бюджета энергии излучения для Земли (рис. 14.2, а).

Принимая, что вся солнечная энергия у верхнего края земной атмосферы равна 100%, он продолжает:

«...посмотрим, как распределяется эта энергия в среднем по Земле. Ультрафиолет, составляющий 3% из 100% приходящего солнечного света, большей частью поглощается озоном в верхней части атмосферы. Около 40 из оставшихся 97% взаимодействует с облаками. Из них 24% отражается обратно в космос, 2% поглощается облаками и 14% рассеивается, достигая земной поверхности как рассеянная радиация.

32% приходящей радиации взаимодействует с водяным паром, пылью и дымкой в атмосфере. 13% из них поглощается, 7% отражается обратно в космос и 12% достигает земной поверхности как рассеянный солнечный свет. Следовательно, из первоначальных 100% излучения поверхности Земли достигает 25% прямого солнечного света и 26% рассеянного света. Из этого общего количества 4% отражается от земной поверхности обратно в космос. Итого отражается в космос 35% падающего солнечного света. Из 65% света, поглощаемого Землей, 3% приходится на верхние слои атмосферы, 15% — на нижние слои атмосферы и 47% — на поверхность Земли — как океан, так и сушу».

Отметим, что для того, чтобы Земля сохраняла тепловое равновесие, 47% всей солнечной энергии, которые проходят сквозь атмосферу и поглощаются сушей и морем, должны также выделяться сушей и морем. Этот бюджет различен для суши и моря. Вспомните, что в табл. 6.2 мы рассматривали тепловой баланс океанов. В этой таблице падающее коротковолновое излучение принимается за 100% — точно то же самое количество энергии, что и вычисленные Вейлем 47% всей энергии, которые действительно достигают поверхности Земли.

Определение терминов.Мы употребили несколько терминов, значение которых может быть не вполне ясным. Дадим некоторые определения.

Цвет. Этому термину нелегко дать определение. Строго говоря, он характеризует эмоциональное восприятие, которое возникает у нас, когда на наши органы чувств воздействует электромагнитное излучение определенной длины волны.

Длина волны. Мы считаем электромагнитное излучение волновым; следовательно, длина волны — это расстояние между ее последовательными гребнями.

Фотон. Мы можем теперь трактовать световые лучи как поток частиц, движущихся со скоростью света. Элементарная частица света называется фотоном. Это световой эквивалент энергии. Фотоны с различными длинами волн соответствуют разным цветам и обладают разной энергией. (С точки зрения квантовой механики каждый фотон несет строго определенную «порцию» энергии; поглощается ли фотон, например, молекулой хлорофилла, будет зависеть от того, «подходит» ли эта порция энергии поглощающей молекуле.)

Интенсивность. Интенсивность света удобно количественно оценивать числом фотонов, которые проходят через единицу площади за секунду.

Поглощение света. В применении к электромагнитному излучению поглощение (абсорбция) означает, что один или более падающих фотонов захватываются и их энергия поглощается. В морской биологии это связано со способностью растительного пигмента, например хлорофилла, поглощать энергию фотона и тем самым обеспечивать энергией процесс фотосинтеза. И наоборот, фотосинтетическая способность растительных клеток измеряется минимальным числом фотонов в секунду, необходимых для начала химических процессов их синтеза.

Рассеяние. Вместо того чтобы поглощаться, фотоны могут рассеиваться. Рассеиваться они могут вперед, назад и в любом другом направлении.

Ослабление.Ослабление света объединяет эффекты как поглощения, так и рассеяния. Оно служит мерой того, как быстро ослабевает свет, проходя сквозь морскую воду.

Коэффициент пропускания. Способность пропускать свет противоположна ослаблению света. Коэффициент пропускания является мерой того, сколько света проходит путь определенной длины в морской воде.

Распространение света в морской воде

Способность световых волн проходить через чистую воду зависит исключительно от строения и расположения молекул воды. Кроме того, в морской воде свет поглощается или рассеивается взвешенными и растворенными частицами. При абсорбции фотоны захватываются молекулами и их энергия поглощается; при рассеянии фотоны отклоняются от первоначального пути их распространения и переходят к новому направлению не поглощаясь. Это представление иллюстрируется рис. 14.2. Свет, отражающийся от некоей среды, например от поверхности моря, рассеивается в направлении наблюдателя. Ниже поверхности моря точки, от которых рассеянный свет достигает глаз наблюдателя, распределены по трем направлениям. В результате общее световое поле в морской воде оказывается сильно рассеянным, в чем мог удостовериться каждый, кто нырял в морской воде с открытыми глазами; аналогичный пример — рассеянный дневной свет под облачным небом.

Сочетанием поглощения и рассеяния, или ослаблением, света объясняется его угасание (экстинкция); противоположным угасанию свойством среды является пропускание света. На практике легче измерить скорость угасания света, чем скорость его пропускания. Океанологи измеряют прозрачность воды, опуская белый диск в море до глубины, на которой диск больше не виден. Измеренная величина, называемая «глубиной диска Секки», представляет собой глубину, на которой солнечный свет полностью угасает.

Однако мы знаем, что разные цвета угасают с разной скоростью. Сине-зеленый цвет распространяется на самые большие расстояния, а ультрафиолетовые и инфракрасные волны ослабевают быстрее всего. На рис. 14.1 для иллюстрации этого явления морская вода изображена как «окно» с переменной прозрачностью. Самая «чистая» часть окна расположена на длинах волн, которые выглядят как сине-зеленый цвет. К счастью, как мы уже говорили, этот самый прозрачный участок окна почти точно совпадает с той частью солнечного спектра, в которой солнечная энергия наиболее интенсивна. Стоит повторить, что это совпадение — не результат эволюции. Как мы знаем, молекула воды всегда существовала в той же форме, что и сейчас.

Распределение света в море.Поскольку световые волны угасают с разной скоростью, из этого следует, что общее световое поле изменяется в зависимости от глубины моря. Читатель может проверить это утверждение, обратив внимание на то, как на рис. 14.1 меняются интенсивность и цвет солнечного света на все более глубоких уровнях в чистейшей воде открытого океана.

На уровне 1 см (на рис. 14.1 не показан) поглощается 15% всей солнечной энергии. Главным образом это энергия дальней инфракрасной области спектра, которая теряется из-за поглощения в этой самой верхней «коже» океана.

На уровне 1 м поглощается 55% всей энергии, в том числе все инфракрасные волны и значительная часть ультрафиолетовых.

На уровне 10 м поглощается 84% всей энергии. Только фотоны синего и зеленого света проникают на еще большие глубины. Если бы вы встретились с «желтой подводной лодкой» ниже этого уровня, вы и не догадались бы о том, что она желтая, просто потому, что здесь остается слишком мало желтых фотонов, чтобы возбудить соответствующие цветовые рецепторы в ваших глазах.

На уровне 100 м остается только 1% солнечной энергии, поступающей на поверхность моря. По цвету это остаточный сине-зеленый свет с длинами волн около 470 нм.

Чистейшая океанская вода, к которой применимо это описание, обнаружена, например, в центре Северной Атлантики, вдали от суши. В прибрежных водах как концентрация взвешенных частиц, так и количество растворенного органического вещества намного выше. Основными источниками частиц являются микроскопические растительные клетки, многочисленные благодаря хорошему обеспечению питательными веществами, и тяжелые взвеси органических частиц, в том числе фекальные комочки. Следовательно, скорость ослабления света здесь больше. На рис. 14.3 сравнивается ослабление света в районе апвеллинга у берегов Африки и в Саргассовом море.

В прибрежных водах Африки световая энергия уменьшается до 1 % от падающего на поверхность воды света на глубине всего лишь 10 м, а не 100 м, как в приведенном выше примере чистейшей океанской воды. Кроме того, в прибрежных водах растворено гораздо больше органических веществ, и под их влиянием самая чистая часть окна прозрачности сдвигается к зелено-желтой области спектра. На рис. 14.3 резкий минимум кривой ослабления света для прибрежных вод Африки находится вблизи 570 нм, а для Саргассова моря — около 450 нм.