Оптические свойства морской воды реферат

Обновлено: 05.07.2024

Введение
1.Оптические свойства природных вод.
1.1. Факторы формирования оптических свойств воды.
1.2. Характеристики оптических свойств воды.
1.3. Цвет и прозрачность морской воды.
2. Акустические свойства вод океана.
2.1. Распространение звука в морской воде.
2.2. Характеристики акустических свойств воды.
2.3. Особенности распределения скоростизвука в океанах.
Заключение
Список использованной литературы

Вода - уникальное явление на Земле и, вероятно, во всей Вселенной. На земном шаре вода содержится в жидком, твердом, газообразном состояниях и имеет вид непрерывной оболочки, получившей названиегидросфера. Трудно переоценить значение воды в жизни Земли. Вода - это сама жизнь и важнейший фактор, формирующий облик нашей планеты. Вода весьма широко используется в хозяйственных целях и является, таким образом, важнейшим экономическим фактором. Все это предопределило пристальное внимание человека к этому уникальному химическому соединению.1.Оптические свойства природных вод.

1.1. Факторы формирования оптических свойств воды.

Оптические свойства воды имеют важное значение для многих физических, химических и биологических процессов. В общем случае формирование и изменчивость оптических свойств воды зависят от ряда внешних и внутренних факторов. К внешним относятся факторы, влияющие наинтенсивность светового потока, попадающего на поверхность водоема, а к внутренним - физико - химические свойства и состав природной воды. Изменчивость светового потока зависит от высоты Солнца, наличия облачности и ветрового волнения.
Световой поток может быть выражен как в энергетической, так и в оптической системе единиц. В последнем случае обычно используют освещенность - световой поток, падающий на единичнуюплощадку. Единицей освещенности является люкс (лк), то есть освещенность, создаваемая световым потоком в 1 люмен (лм) на площади 1 м2. Освещенность поверхности океана при положении Солнца в зените составляет 140 тыс.лк, а ночью в полнолуние - около 0,25 лк. Поверхности воды достигает в основном солнечный поток с длинами волн от 0,4 до 0,7 мкм (видимая часть спектра).

0 20 40 60 80о
Высота Солнца
Рис. 1. Относительнаяосвещенность поверхности океана прямым солнечным светом (М) и светом, рассеянным небесным сводом при отсутствии облачности (N) в зависимости от высоты Солнца.

Световой поток, падающий на водную поверхность, состоит из прямой и рассеянной радиации. Первая представляет собой прямое солнечное излучение, а вторая - рассеиваемое небесным сводом и облаками. Поэтому освещенность определяется двумя этимипотоками. Освещенность зависит от высоты Солнца. Если принять освещенность поверхности моря прямыми солнечными лучами при положении Солнца в зените за единицу, то относительная освещенность (в долях единицы) в зависимости от высоты Солнца может быть представлена кривой М на рис.1. Для получения абсолютных величин освещенности достаточно умножить относительные значения на 140.

Изображение Michelle Maria с сайта Pixabay

§ 44. Прозрачность

Солнечные лучи, падая на поверхность моря, частью отражаются от нее, частью же, преломляясь, проникают вглубь. Количество отраженной энергии зависит от высоты солнца, т.е. угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность моря. Когда солнце находится в зените (угол. Падения лучей 0°) и солнечные лучи падают отвесно на водную поверхность, в воду проникает около 98%, а отражается около 2% всей радиации. Если солнце находится на горизонте и лучи образуют почти прямой угол с нормалью к водной поверхности, они почти полностью отражаются от нее. При высоте солнца до 70° доля отраженной радиации не превышает 2,1%.

Морская вода — полупрозрачная среда, поэтому световой поток, проникая в воду, подвергается ослаблению за счет избирательного поглощения и рассеяния. Ослабление света происходит различно в коротковолновой и длинноволновой областях солнечного спектра. Длинноволновая радиация — инфракрасные, красные и оранжевые лучи — интенсивно поглощается тонким поверхностным слоем, а синие, фиолетовые и ультрафиолетовые лучи, эффективно рассеиваясь, проникают на значительную глубину. Так, интенсивность инфракрасных лучей, проходящих через метровый слой воды, ослабевает в 2,7 раза, в то время как синие лучи при прохождении той же толщи воды теряют всего лишь 1/5 своей энергии.

Поглощение света определяется известным отношением световой энергии I_z, дошедшей до глубины z, к энергии I₀, падающей на поверхность моря:

где m(λ) — коэффициент поглощения, зависящий от длины световой волны λ. Экспериментально получены его значения, которые приводятся в [3].

Рассеивание светового потока

Максимальная величина m = 0,402 соответствует красной области спектра (длина волны 0,67—0,68 мкм). Слабее поглощаются зеленые лучи длиной 0,52—0,56 мкм и синие (0,440 мкм), коэффициент поглощения у которых имеет минимальное значение т = = 0,021. Процесс поглощения сочетается с процессом избирательного рассеяния, которое. происходит в форме молекулярного рассеяния (рассеяние молекулами и частицами, размеры которых меньше . длины световой волны) и рассеяния крупными частицами, находящимися во взвешенном состоянии в морской воде. Ослабление светового потока за счет рассеяния имеет аналогичное выражение:

где k =0.000156/λ 4 коэффициент молекулярного рассеяния, обратно пропорциональный длине световой волны в четвертой степени. Коэффициент k для сине-фиолетовых лучей оказывается в 3 раза больше, чем для красных. Молекулярное рассеяние в пределах всего Мирового океана протекает одинаково, так же как и поглощение. Рассеяние же взвешенными частицами увеличивается с размерами частиц и может превосходить молекулярное рассеяние в 100—200 раз.

Ослабления света

Прозрачность и цвет моря зависят от условий освещения на поверхности моря, изменения спектрального состава и ослабления светового потока.

Ослабление света за счет поглощения и рассеяния определяется выражением

где (k + m) = а_c — суммарный коэффициент ослабления света.

Зависимость ослабления света от длины волны, наличия примесей, их вида и размеров оказывает существенное влияние на прозрачность и цвет моря. Поэтому прозрачность морской воды неодинакова в различных частях Мирового океана и меняется со временем. Вблизи берегов и на мелководье, в особенности после штормов и бурь, под влиянием волнового перемешивания в воде увеличивается количество взвешенных частиц и она становится менее прозрачной. Точно так же снижается прозрачность морской воды во время бурного развития планктона. Прозрачность морской воды определяется отношением потока излучения, прошедшего через слой воды Z, к потоку, вошедшему в воду в виде параллельного пучка. Это отношение учитывается коэффициентом пропускания, который имеет выражение

где a_с — суммарный коэффициент ослабления светового потока.

Относительная прозрачность

При массовых наблюдениях используется понятие относительной прозрачности. Под относительной прозрачностью понимают глубину, на которой становится невидимым стандартный белый диск диаметром 30 см. В. В. Шулейкиным была установлена связь между глубиной исчезновения белого диска Н и коэффициентом рассеяния k. Аналогичное соотношение было получено и для общего коэффициента ослабления света a_c = (k + m). Для разных морей эта связь получена различной. Например, для Белого моря H=3/a_c, для Ла-Манша H=1.7/a_c для Каспийского, Черного и других внутренних морей Н=8/a_c

Наиболее прозрачное море, прозрачность морей

Наибольшая прозрачность наблюдалась в Саргассовом море — 66,5 м, в Тихом океане прозрачность достигает 59 м, в Индийском 40—50 м. В общем, в открытой части Мирового океана прозрачность уменьшается от экватора к полюсам, но и в полярных районах она может быть значительной. Так, например, у Мурманского побережья ранней весной наблюдалась прозрачность, равная 40— 45 м. В Средиземном море прозрачность достигает 60. м, в Черном 25 м, в Балтийском (в южной части) 13 м и в Белом море всего лишь 8 м.

По мере приближения к берегам прозрачность уменьшается в связи с увеличением количества взвесей, вносимых реками, и взмучиванием грунта волнением.

Рис. ЗАЛ. Спектральные кривые пропускания в поверхностном слое 1 м для различных оптических типов вод: Относительная прозрачность (глубина исчезновения белого диска) в различных районах Мирового океана. Средиземное море, у африканского побережья. Атлантический океан, экваториальная зона. Атлантический океан, Саргассово море. 2] Ерлов Н. Г. Оптическая океанография. 1] Ерлов Н. Г. Оптическая… Читать ещё >

Оптические свойства вод Мирового океана ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Изучение оптических характеристик морской воды имеет большое теоретическое и практическое значение. Распределение основных оптических характеристик позволяет судить о динамике вод Мирового океана. Н. Ерлов, используя в качестве основной оптической характеристики коэффициент подводной освещенности (коэффициент пропускания), выделяет три основных типа воды: I, II, III для открытой части океанов и пять типов прибрежных вод — 1—5 [1] . На рис. 3.4.1. представлены спектральные кривые подводной освещенности (пропускания) в процентах для различных оптических типов вод.

Рис. ЗАЛ. Спектральные кривые пропускания в поверхностном слое 1 м для различных оптических типов вод:

I, И, III — типы океанских вод; 1—5 — типы прибрежных вод Оптические характеристики вод Мирового океана в некоторой степени отражают и объективные физические оптические характеристики: показатели поглощения, рассеяния и ослабления, материалы наблюдений над которыми весьма ограничены.

Наибольшее количество оптических наблюдений относится к измерениям относительной прозрачности по белому диску. Обобщенные результаты таких наблюдений представлены в табл. 3.4.1 [1] .

Таблица 3.4.7.

Относительная прозрачность (глубина исчезновения белого диска) в различных районах Мирового океана.

Район

Относительная прозрачность, м

Атлантический океан, Саргассово море.

Атлантический океан, экваториальная зона.

Индийский океан, полоса пассата.

Тихий океан, полоса пассата.

Баренцево море, юго-западная часть.

Средиземное море, у африканского побережья.

Черное море около.

Каспийское море, южная часть.

Северное море, Ла-Манш.

С приближением к берегу прозрачность воды обычно уменьшается. Меняется она также и в зависимости от сезона, уменьшаясь обычно в летний период. При изучении оптических характеристик отдельных районов океанов и морей исследователи встречаются с большой их изменчивостью во времени и пространстве, обусловленной динамикой вод. Поэтому изучение оптических характеристик оказывает большую помощь и в изучении динамики вод.

Оптические явления, наблюдаемые в океанах и морях, определяются физическими свойствами самой воды и характеристиками источников света. Основной источник света - Солнце. С солнечным излучением связано не только поступление энергии, потребляемой океаном, но и создание необходимых жизненных условий для морских животных и растительных организмов. Физическое свойство воды, которое значительно определяет организацию жизни в море, заключается в способности воды пропускать световые лучи. Раздел океанографии, исследующий перенос и трансформацию световых лучей в море, называется оптикой моря.

Световое излучение представляет собой поток электромагнитных колебаний с широким диапазоном длин волн. Солнечный свет называют белым, потому что в целом он содержит все цвета радуги, смешанные в таких пропорциях, что человеческий глаз воспринимает его как белый цвет. В действительности солнечный свет состоит из многих оттенков и если их расположить по порядку, то это будет солнечный спектр (рис. 11).

Под термином свет понимается не только видимая часть солнечного спектра, лежащая в пределах 0.380-0.770 мк (микрон) или 380-770 нм (нанометров), но и ультрафиолетовая (0.010-0.380 мк) и инфракрасная (0.770-3.000 мк). Инфракрасная часть спектра с длиной волны более 3 мк в оптике моря не рассматривается, так как она поглощается тончайшим поверхностным слоем воды и имеет существенное значение при изучении тепловых процессов в море. Для океана практическое значение имеет видимая часть солнечного излучения и та общая часть спектра, которая дает основной энергетический вклад.Единицей измерения длины волны света является нанометр (нм); 1 нанометр равен одной миллиардной части метра (1×10 -9 м) или 0.001 микрона.

Рис. 11. Солнечный спектр и уменьшение энергии света с глубиной.

Поскольку световые волны угасают с разной скоростью, из этого следует, что общее световое поле в толще океана изменяется в зависимости от глубины моря (рис. 11).

На глубине 1 см (на рис. 11 не показано) поглощается 15% всей солнечной энергии. В основном это энергия самых длинных волн инфракрасной части спектра, которая теряется из-за поглощения в поверхностной пленке океана.

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

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

Поверхностный слой воды в океане, в котором имеется достаточно света для процесса фотосинтеза, называется фотическим слоем. Нижняя граница фотического слоя определяется глубиной, которую достигает 1% света, проникающего через поверхность океана, т.е. глубиной 100 м.

Поскольку количество световой энергии быстро уменьшается с глубиной, можно ожидать, что растения лучше всего развиваются на поверхности моря, где свет наиболее интенсивен. Тем не менее это не так. Наблюдениями установлено, что больше всего фитопланктона сосредоточено на глубинах примерно от 7 до 17 м. Объяснение этого противоречия между потребностями растений и обеспечением их светом включает фактор вертикальных движений в приповерхностном слое. Конвекция, обусловленная охлаждением и испарением на поверхности океана, вызывает вертикальное перемешивание, к которому дополняется ветровое перемешивание. Они создают турбулентное движение в приповерхностных водах. Все движущиеся воды несут с собой мельчайший фитопланктон, так что какое-то вертикальное распределение растительных клеток неизбежно.

С другой стороны, питательные вещества поступают снизу, из-под перемешанного поверхностного слоя. На большинстве океанских акваторий, где не происходит апвеллинг, единственный механизм пополнения запасов пищи - это медленная диффузия богатых питательными веществами вод вверх, в поверхностный слой. Турбулентному движению в поверхностном слое способствует вода, активно поступающая снизу. Следовательно, условия, необходимые для возникновения оптимальной продукции растений, должны существовать на каком-то уровне между поверхностью моря, где выше всего интенсивность света, и низом перемешанного слоя, куда поступают питательные вещества. Интервал от 7 до 17 м, в котором обнаруживается самая высокая концентрация растений, является компромиссным уровнем, выбранным самими растениями. Вообще многие растения являются фотоингибиторными, т. е. их продукция снижается, когда они подвергаются воздействию сильного света. Однако замедление развития под действием света свойственно не всем растениям; между видами существует значительный разброс по той интенсивности освещения, при которой каждый вид достигает оптимальной продукции.

Читайте также: