О́ПТИКА ОКЕА́НА

О́ПТИКА ОКЕА́НА, раз­дел фи­зи­ки океа­на, изу­чаю­щий оп­тич. свой­ст­ва мор­ской во­ды и за­ко­но­мер­но­сти рас­про­стра­не­ния све­то­во­го из­лу­че­ния в мор­ской сре­де, вклю­чая его про­хо­ж­де­ние че­рез взвол­но­ван­ную по­верх­ность мо­ря. К объ­ек­там ис­сле­до­ва­ния О. о. при­ня­то от­но­сить так­же пре­сно­вод­ные во­до­ёмы. Кро­ме то­го, О. о. изу­ча­ет рас­про­стра­не­ние све­то­во­го из­лу­че­ния в сис­те­ме ат­мо­сфе­ра – оке­ан.

Оптические свойства морской воды

С оп­тич. точ­ки зре­ния мор. во­да – это све­то­рас­сеи­ваю­щая сре­да, по­это­му О. о. от­но­сят к оп­ти­ке мут­ных сред. Спе­ци­фи­ка рас­про­стра­не­ния све­то­во­го из­лу­че­ния в океа­не обу­слов­ли­ва­ет­ся осо­бен­но­стя­ми по­гло­щаю­щих и рас­сеи­ваю­щих свойств мор. во­ды. По­след­ние за­ви­сят от ко­ли­че­ст­вен­но­го и ка­че­ст­вен­но­го со­ста­ва рас­тво­рён­но­го и взве­шен­но­го в мор. во­де ве­ще­ст­ва. Со­став мор. во­ды чрез­вы­чай­но раз­но­об­ра­зен и из­мен­чив: ок­ра­шен­ные ор­га­нич. со­еди­не­ния, фи­то­планк­тон, бак­те­рии, дет­рит, взве­шен­ные час­ти­цы (вы­но­си­мые в мо­ре ре­ка­ми и вет­ром, а так­же по­па­даю­щие в мо­ре в ре­зуль­та­те аб­ра­зии бе­ре­гов, тая­ния льдов, вул­ка­нич. из­вер­же­ний). Оп­тич. свой­ст­ва во­ды оп­ре­де­ля­ют­ся в осн. час­ти­ца­ми с раз­ме­ра­ми 10^–7–10^–5 м. Со взве­шен­ны­ми час­ти­ца­ми свя­за­на од­на из ха­рак­тер­ных осо­бен­но­стей мор. во­ды – рез­кая асим­мет­рия уг­ло­во­го рас­пре­де­ле­ния рас­се­ян­но­го све­та (свет рас­сеи­ва­ет­ся пре­им. в на­прав­ле­нии па­даю­ще­го пуч­ка). В чис­той во­де рас­сея­ние впе­рёд и на­зад (в пе­ред­нюю и зад­нюю по­лу­сфе­ры от­но­си­тель­но на­прав­ле­ния па­даю­ще­го пуч­ка) оди­на­ко­во, в мор. во­де коэф. асим­мет­рии, как пра­ви­ло, боль­ше 10, а в не­ко­то­рых рай­онах да­же боль­ше 100. По­ло­ви­на все­го рас­се­ян­но­го из­лу­че­ния обыч­но со­сре­до­то­че­на в диа­па­зо­не уг­лов рас­сея­ния 2–10°.

Осн. за­да­чей ис­сле­до­ва­ний оп­тич. свойств мор. во­ды яв­ля­ет­ся изу­че­ние их про­стран­ст­вен­ной и вре­мен­нóй из­мен­чи­во­сти в за­ви­си­мо­сти от со­ста­ва со­дер­жа­ще­го­ся в мор. во­де ве­ще­ст­ва, ис­точ­ни­ков его по­сту­п­ле­ния, про­цес­сов рас­про­стра­не­ния и транс­фор­ма­ции. Оп­тич. свой­ст­ва опи­сы­ва­ют­ся на­бо­ром ха­рак­те­ри­стик, ко­то­рый вклю­ча­ет по­ка­за­те­ли по­гло­ще­ния, рас­сея­ния и ос­лаб­ле­ния све­та, ин­ди­кат­ри­су рас­сея­ния (уг­ло­вое рас­пре­де­ле­ние рас­се­ян­но­го све­та). О. о. ус­та­нав­ли­ва­ет ко­ли­че­ст­вен­ные со­от­но­ше­ния ме­ж­ду оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми мор. во­ды и кон­цен­тра­ци­ей со­дер­жа­щих­ся в ней рас­сеи­ваю­щих час­тиц.

Све­то­вое по­ле соз­да­ёт­ся в мор. во­де как ес­те­ст­вен­ны­ми (пре­ж­де все­го Солн­цем), так и ис­кусств. ис­точ­ни­ка­ми. Ха­рак­те­ри­сти­ки све­то­во­го по­ля за­ви­сят от оп­тич. свойств во­ды и па­ра­мет­ров ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния. Ис­сле­до­ва­ние этой за­ви­си­мо­сти про­во­дит­ся как тео­ре­ти­че­ски, так и экс­пе­ри­мен­таль­но. В ос­но­ве тео­ре­тич. ме­то­дов ле­жит ин­тег­ро-диф­фе­рен­ци­аль­ное урав­не­ние пе­ре­но­са из­лу­че­ния, спе­ци­фи­ка ре­ше­ния ко­то­ро­го для мор. сре­ды свя­за­на с силь­ной вы­тя­ну­то­стью ин­ди­кат­ри­сы рас­сея­ния. Экс­пе­рим. на­прав­ле­ние вклю­ча­ет ла­бо­ра­тор­ные ис­сле­до­ва­ния на ис­кусств. мо­дель­ных сре­дах и из­ме­ре­ния, про­во­ди­мые не­по­сред­ст­вен­но в мо­ре (с бор­та суд­на, ста­цио­нар­ных плат­форм, зая­ко­рен­ных бу­ёв, под­вод­ных ап­па­ра­тов).

История развития

Пер­вые ла­бо­ра­тор­ные и тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ния, свя­зан­ные с О. о., на­чи­ная с 1725 про­во­дил П. Бу­гер. Пер­вые из­ме­ре­ния не­по­сред­ст­вен­но в мо­ре про­вёл в 1815–18 ка­пи­тан О. Е. Ко­це­бу. Ин­тен­сив­ное раз­ви­тие О. о. на­ча­лось по­сле 1-й ми­ро­вой вой­ны и бы­ло вы­зва­но по­яв­ле­ни­ем под­вод­ных ло­док, а так­же воз­рос­шим ин­те­ре­сом к мор. био­ло­гии. В 1922 Ч. В. Ра­ман и В. В. Шу­лей­кин од­но­вре­мен­но и не­за­ви­си­мо при­шли к вы­во­ду о том, что цвет мо­ря обу­слов­лен рас­сея­ни­ем и по­гло­ще­ни­ем све­та. В 1924 Г. А. Гам­бур­цев вы­вел фор­му­лу, по­зво­ляю­щую най­ти спек­траль­ное рас­пре­де­ле­ние све­то­вых по­то­ков на лю­бой глу­би­не (в т. ч. на по­верх­но­сти). В 1936 рос. оп­тик А. А. Гер­шун опуб­ли­ко­вал об­щую тео­рию све­то­во­го по­ля в рас­сеи­ваю­щей сре­де и ус­пеш­но при­ме­нил её для ис­сле­до­ва­ния рас­про­стра­не­ния сол­неч­но­го све­та и ис­кусств. из­лу­че­ния в вод­ной тол­ще. Пер­вый ком­плекс оп­тич. ап­па­ра­ту­ры для из­ме­ре­ний, про­во­ди­мых в мор. экс­пе­ди­ци­ях, был соз­дан в Океа­но­ло­гии ин­сти­ту­те во 2-й пол. 1960-х гг. С ис­поль­зо­ва­ни­ем это­го ком­плек­са бы­ли про­ве­де­ны сис­те­ма­тич. гид­ро­оп­тич. из­ме­ре­ния в экс­пе­диц. рей­сах в разл. мо­рях и океа­нах. Эти из­ме­ре­ния по­ка­за­ли ши­ро­кое раз­но­об­ра­зие оп­тич. свойств мор. во­ды и ха­рак­те­ри­стик све­то­вых по­лей в оке­ан­ских во­дах. Напр., про­пус­ка­ние мет­ро­вым сло­ем во­ды на­прав­лен­но­го све­то­во­го пуч­ка на дли­не вол­ны 5,5·10^–7 м из­ме­ня­ет­ся от ме­нее 5% в мут­ных при­бреж­ных во­дах до поч­ти 98% в чис­тых глу­бин­ных во­дах; глу­би­на ви­ди­мо­сти бе­ло­го дис­ка – от ме­нее 1 м в при­бреж­ных во­дах до макс. зна­че­ния 67 м, за­ре­ги­ст­ри­ро­ван­но­го в Ти­хом ок. к се­ве­ро-за­па­ду от о. Ра­ро­тон­га. Тол­щи­на т. н. слоя фо­то­син­те­за (оп­ре­де­ляе­мая глу­би­ной, на ко­то­рой уро­вень фо­то­син­те­ти­че­ски ак­тив­ной ра­диа­ции па­да­ет в 100 раз по срав­не­нию с по­верх­но­ст­ным сло­ем) из­ме­ня­ет­ся от ме­нее 10 м в во­дах вы­со­кой про­дук­тив­но­сти до бо­лее 100 м в ма­ло­про­дук­тив­ных во­дах.

Соз­да­ние в 1960-х гг. им­пульс­ных ла­зе­ров, из­лу­чаю­щих ко­рот­кие мощ­ные све­то­вые им­пуль­сы, при­ве­ло к воз­ник­но­ве­нию но­во­го на­прав­ле­ния О. о., за­ни­маю­ще­го­ся изу­че­ни­ем за­ко­но­мер­но­стей фор­ми­ро­ва­ния не­ста­цио­нар­но­го под­вод­но­го све­то­во­го по­ля и воз­мож­но­стей ла­зер­но­го зон­ди­ро­ва­ния вод­ной сре­ды. Вы­яс­ни­лось, что ла­зер­ные пуч­ки мо­гут дос­та­точ­но глу­бо­ко про­ни­кать в вод­ную тол­щу: ла­зер­ный сиг­нал от из­лу­ча­те­ля, рас­по­ло­жен­но­го на бор­ту суд­на, уда­ва­лось ре­ги­ст­ри­ро­вать на глу­би­не бо­лее 250 м. Из­ме­ре­ния об­рат­но рас­се­ян­но­го из­лу­че­ния по­сред­ст­вом ли­да­ров да­ют воз­мож­ность по­лу­чать ин­фор­ма­цию о струк­ту­ре под­по­верх­но­ст­но­го слоя океа­на.

Практическое значение

О. о. оп­ре­де­ля­ет­ся по­треб­но­стя­ми мор. био­ло­гии в дан­ных об уров­нях све­то­во­го из­лу­че­ния на разл. глу­би­нах, не­об­хо­ди­мо­стью зна­ния оп­тич. ха­рак­те­ри­стик и уме­ния рас­счи­ты­вать па­ра­мет­ры, тре­буе­мые для оцен­ки под­вод­ной ви­ди­мо­сти (в ча­ст­но­сти, для ви­део­съём­ки), уни­каль­ны­ми воз­мож­но­стя­ми оп­тич. ме­то­дов для ис­сле­до­ва­ния и мо­ни­то­рин­га мо­рей и океа­нов. Оп­тич. ме­то­ды по­зво­ля­ют про­во­дить ис­сле­до­ва­ния сре­ды без её из­ме­не­ния, они прак­ти­че­ски бе­зы­нер­ци­он­ны, обес­пе­чи­ва­ют вы­со­кое про­стран­ст­вен­ное раз­ре­ше­ние, по­тен­ци­аль­но боль­шой объ­ём и раз­но­об­ра­зие по­лу­чае­мой ин­фор­ма­ции. Оп­тич. зон­ды (про­зрач­но­ме­ры, не­фе­ло­мет­ры, флуо­ри­мет­ры) ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся для ис­сле­до­ва­ния про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния взве­си, фи­то­планк­то­на, ок­ра­шен­но­го ор­га­нич. ве­ще­ст­ва, изу­че­ния гид­ро­ди­на­мич. про­цес­сов. 

Све­то­вое из­лу­че­ние (в от­ли­чие от мик­ро­вол­но­во­го и зву­ко­во­го) про­хо­дит че­рез мор. по­верх­ность с ма­лы­ми по­те­рями, что да­ёт воз­мож­ность про­во­дить ис­сле­до­ва­ния под­по­верх­но­ст­но­го слоя океа­на дис­тан­ци­он­но (с бор­та суд­на, са­мо­лё­та, ИСЗ). В 1978 за­пу­щен пер­вый спут­ни­ко­вый ска­нер цве­та океа­на, ко­то­рый за поч­ти 8 лет сво­ей ра­бо­ты на ор­би­те дал ог­ром­ный объ­ём ин­фор­ма­ции о ко­ли­че­ст­вен­ных ха­рак­те­ри­сти­ках цве­та разл. океа­нов и за­ви­си­мо­сти цве­та мор. во­ды от био­про­дук­тив­но­сти вод и др. фак­то­ров. Спут­ни­ко­вые ска­не­ры цве­та об­ла­да­ют вы­со­кой эко­но­мич. эф­фек­тив­но­стью и по­зво­ля­ют по­лу­чать ин­фор­ма­цию о ди­на­мич. про­цес­сах в по­верх­но­ст­ном слое (в ча­ст­но­сти, о рас­про­стра­не­нии реч­ных сто­ков), оце­ни­вать кон­цен­тра­цию хло­ро­фил­ла и све­то­вой ре­жим в вод­ной тол­ще, со­дер­жа­ние взве­си и ок­ра­шен­ной ор­га­ни­ки, ка­че­ст­во во­ды в при­бреж­ной зо­не и др.