Оптические свойства морской воды
Об особенностях поведения света в воде было сказано в гл. 1 (см. разд. 1.3.4). Оптические характеристики вод океана многообразны: освещенность, яркость света, коэффициенты рассеяния, поглощения, ослабления, преломления и т. п. Однако все эти подробности имеют существенное значение при специальных исследованиях. Для общей характеристики пользуются лишь оценкой цвета и прозрачности вод.
Цвет морской воды связан с избирательностью процессов поглощения и рассеяния солнечного света. Избирательность выражается в том, что короткие волны — фиолетовая и синяя части видимого спектра — рассеиваются молекулами воды сильнее, а поглощаются слабее, чем длинные волны, т. е. красная и инфракрасная части спектра. Этим определяется собственный цвет воды как вещества — голубой или синий. В морской воде много разнообразных примесей (минеральных и органических частиц), которые также в свою очередь поглощают и рассеивают свет и изменяют цвет воды, смещая его в сторону зеленого. Так как количество и качество примесей весьма разнообразно, то и цвет воды может иметь разные тона.
Чтобы оценить цвет, надо определить его спектральный состав. Это возможно, но требует сложной аппаратуры и много времени. Поэтому часто обходятся более простым способом, хотя и не таким точным, но достаточным для приближенных оценок. Способ этот состоит в использовании эталонной стандартной шкалы цветности. Цвета синие присущи открытым водам океанов и глубоких морей, зеленые оттенки имеют воды шельфа, большинства морей и большие пространства открытого океана. Зеленые воды, содержащие много примесей, обычно отличаются хорошей продуктивностью, в них расположены промысловые районы. Синие воды отличаются малым количеством примесей, жизнь в них развита значительно слабее. Есть даже такое выражение, что «синева — это цвет морских пустынь».
При оценке цвета морской воды различают цвет собственно воды и цвет поверхности моря. Цвет воды создается ее излучением, это свет, исходящий из моря. Цвет поверхности моря определяется светом, от нее отраженным. Световые лучи, падающие на поверхность моря, проникают в воду лишь частично, причем преломленными. Доля отраженного света зависит от угла падения: чем он меньше (отвеснее), тем меньшая доля радиации отражается; даже при угле падения 80° отражается только 35% поступающей энергии. Но человек смотрит на поверхность моря обычно при очень больших углах падения, т. е. луч зрения идет очень близко к горизонту, поэтому в глаз и попадает преимущественно отраженный свет (при угле падения 85°, т. е. луче зрения 5° к горизонту, отражается 60% энергии). Вот почему поверхность моря может иметь видимый цвет самый разнообразный — желтый, золотистый, багровый, черный — в зависимости от цвета неба. Поэтому при наблюдении за цветом воды необходимо исключать влияние отраженного света. Луч зрения должен быть направлен отвесно вниз.
Таким образом, цвет воды связан с ее чистотой. Для оценки степени чистоты применяется критерий, называемый прозрачностью воды. Строго оценить ее можно, определив коэффициенты рассеяния, поглощения и ослабления света. Для этого нужна, как и для оценки цвета, очень сложная аппаратура. Поэтому обычно пользуются определением лишь относительной прозрачности: это глубина (в метрах) исчезновения из поля зрения белого диска стандартного размера (диаметр 30 см) — диска Секки. Его погружают в море с затененного борта судна на тросе и наблюдают, как он по мере погружения теряет яркость, бледнеет, темнеет и, наконец, становится невидимым. Эта глубина, отмеченная по счетчику, через который шел трос с диском, либо по маркам, закрепленным на тросе, и представляет собой относительную прозрачность. Несмотря на примитивность приема, относительная прозрачность позволяет получить строгую физическую характеристику воды — коэффициент ослабления света.
Значение относительной прозрачности изменяется в широких пределах. Вблизи берега, где волнение взмучивает донные отложения, или в устьях рек, где в воде находятся речные взвеси, прозрачность воды может снижаться практически до нуля. Наибольшая прозрачность была измерена в Тихом океане к востоку в районе островов Кука (Полинезия) — 67 м, в открытых частях океанов она достигает 50—60 м, в обширных морях — 30—35 м.
Распространение света в толще вод океана имеет огромное биологическое значение, так как определяет возможность существования зеленых водорослей. Благодаря фотосинтезу создается первичная продукция — первая, начальная ступень в развитии органического мира, фундамент существования жизни на Земле.
По освещенности в океане можно выделить четыре яруса. Первый — световой, называемый также фотическим, лучше всего освещенный, занимает верхние 100—150 м. Именно в нем могут существовать зеленые водоросли. Второй ярус — полусветовой (от 150 до 500 м), в котором могут жить водоросли, но уже не зеленые. Живые организмы присутствуют во втором ярусе еще в довольно больших количествах. Третий ярус — малосветовой, или теневой, где водорослей уже нет, но живых организмов еще столько, что между глубинами 500 и 1500 м можно вести промысел. Ниже 1500 м лежит четвертый ярус — бессветовой, в котором также обитают глубоководные животные, но уже весьма разреженно.