Рассеяние света в морской воде: оптические характеристики водных масс

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

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

Одним важным побочным результатом этих исследований явилась возможность сопоставлять свет, рассеянный обратно в космическое пространство, с природой составных частей поверхностных и приповерхностных морских вод. В настоящее время картирование океанов обычно производится со спутников по рассеянному назад солнечному свету. Анализируя содержание зеленого цвета в рассеянном в космос излучении, мы получаем карту концентрации хлорофилла (рис. 14.8).

В других частях спектра, например в желтой, установленные на спутниках приборы картируют концентрацию взвешенных илов, вынесенных из устьев рек. Такие исследования, возможно, позволят установить, как распределяются вдоль берегов загрязняющие вещества, производимые человеком.

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

На рис. 14,9 показаны два профиля, полученные в районе апвеллинга у берегов шт. Орегон.

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

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