Книга посвящена одному из сложных и интересных разделов науки — гидрооптике которая изучает проникновение и распространение света в море.
В настоящее время знать физические законы, определяющие эти процессы, особенно необходимо в связи с решением такой важной и актуальной проблемы, как освоение ресурсов Мирового океана.
Человек начал наступление на водную целину. Но для успешного его завершения следует разобраться в массе трудных вопросов гидрооптики.
Чем объясняется цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет? От чего зависит прозрачность морской воды и несколько глубоко проникает свет в океанские глубины? Почему море светится? Ответы на все эти вопросы и дает настоящая книга.
Она написана легко, физическая сущность процессов объяснена весьма доступно. Издание рассчитано на широкие круги читателей.
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.
1
Бугер. Оптический трактат о градации света, т. III, М., Изд-во АН СССР, 1950.
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.