Рассеяние и поглощение света в толще воды

Процессы поглощения и рассеяния определяются оптически­ми параметрами самой воды и находящимися в ней растворённы­ми и взвешенными веществами органического и неорганического происхождения. Вода, растворы и частицы имеют собственные коэффициенты поглощения и рассеяния. Ослабление потока из­лучения выражается коэффициентом аттенуации (к):

к=а+б,

где а - поглощение, б - рассеяние.

В чистой воде рассеяние и поглощение происходят только на уровне молекул и ионов. Поглощение в чистой водой (рис. 45) минимально для волн длиной около 0,47 мкм [58]. В диапазоне волн более 0,6 мкм оно очень сильно увеличивается. Рассеяние b с увеличением длины волны сильно уменьшается. Ослабление (аттенуация) к в длинноволновом диапазоне света почти не отличается от поглощения вследствие очень малого рассеяния (рис. 45).

Рис. 45. Поглощение (а), рассеяние ( b) и ослабление (к) света чистой водой как функция длины волны [59]. (доступно только при скачивании полной версии)

Голубой цвет глубоких прозрачных вод возникает в результате сильного рассеяния в коротковолновой части светового потока молекулами воды. Так как вода содержит органические и неорганические примеси, происходят дополнительные побочные оптические процессы. Прозрачность и цвет воды изменяются.

В XIX веке швейцарский географ Ф.А.Форель изобрел прибор, измеряющий цвет воды. Он создал шкалу из химических растворов, всегда имеющих одни и те же оттенки. Шкалу эту называют ксантометром.

Необходимо было доказать очевидное. Цвет воды, как и цвет всякого тела, определяется способностью пропускать, или отражать какие-либо цвета солнечного спектра. Снег, например, отражает белый цвет, лед пропускает солнечный свет насквозь, и оттого прозрачный, а вода в океане пропускает и отражает одновременно голубой цвет спектра. При этом считалось, что сама вода абсолютно бесцветна.

В 1883 году бельгийский ученый Шпринг провел опыт с дистиллированной водой. Он доказал, что и в закрытой трубке даже очищенная вода некоторое время сохраняет голубой цвет, полученный от спектра.

Кроме того стало ясно, что цвет воды не зависит от мельчайших частичек, рассеивание которых является причиной небесной синевы. Шпринг доказал, что вода, попадая в лучи спектра поглощает красные и темные части спектра, а голубые пропускает, и сама становится голубой на некоторое время.

Кроме того на цвет воды в морях и океанах влияет ее химический состав. В океанах чаще всего темно-голубой цвет, только в некоторых местах он приобретает немного другой оттенок.

Случается, что океанская вода кажется красной или приобретает оливковый оттенок. Изучая явление, ученые пришли к выводу, что такое окрашивание происходит из-за водорослей, находящихся в воде и обладающих подобным цветом. Именно они придают океану такую тревожную окраску.

Взвешенные частички, которым небо обязано синевой, иногда все-таки попадают в океан. У берегов океанов часто можно обратить внимание на зеленые оттенки воды, что можно объяснить нахождением в ней взвешенных частичек. Но чаще всего мы можем любоваться голубой гладью океана.

Примеси в воде, которые влияют на направленный вверх от воды поток излучения, можно объединить в три группы [59]:

1. Желтое вещество (гели) – к нему относятся все растворенные в воде органические соединения, которые сильно поглощают ультрафиолетовые и голубые лучи, в связи с чем вода приобретает желто-бурый цвет.

2. Взвешенное вещество (твердый сток), под которым понимают все частицы, присутствующие в воде. Они обусловливают очень сильное рассеяние света в воде, которое слабо зависит от длины волны излучения. В эту группу входят глинистые минералы, песок, зерна и обломки кварца и других минералов, целые и разрушенные скелеты планктона и других организмов.

3. Фитопланктон образует третью, особую группу взвеси. Необходимый в его составе для фотосинтеза пигмент благодаря хлорофиллу дает очень сильные полосы поглощения в голубой и красной зонах спектра излучения, по которым и определяется фитопланктон.

Для дистанционного изучения твердого стока озер, рек и прибрежных вод океанов съемки лучше всего проводить в красной зоне спектра (0,6-0,7 мкм). В этой части спектра изменения возвращенного потока излучения от толщи воды, содержащей речную муть, сильнее, чем в более коротковолновом диапазоне.

На узкозональных снимках в красной зоне спектра воды с различным содержанием твердого стока (мутьевой взвеси) фронт и градиент различного содержания в толще воды речной мути (вид, размер и концентрация частиц) воспроизводятся особенно контрастно. Речь идет как об узкозональных фотоснимках, так и о сканерных изображениях. Так, наиболее подходящими для изучения твердого стока или речной мути вод оказываются изображения, полученные с помощью канала 5 многозонального сканера спутника «Лэндсат», т.е. в диапазоне 0,6-0,7 мкм (см. рис. 206-208).

снимки «Лэндсат» могут предоставить ценную информацию также для изучения современных геологических процессов в крупных внутриконтинентальных водоемах и в прибрежных водах. Это утверждение касается учета и контроля таких динамических процессов, как поведение потока, перенос и отложение осадков поверхностными водами. Принесенный взвешенный осадок изменяет спектральные свойства воды. На поверхности воды и до определения глубин «тучи» и «хвосты» содержащегося в воде осадка отражают падающее световое излучение. Поэтому воды, содержащие осаждаемые частицы, на черно-белых снимках «Лэндсат» всегда выделяются более светлыми серыми тонами по сравнению с темным серым тоном свободной от взвешенного осадка воды

Важным параметром при ДЗ является глубина проникновения сиг­нала. Она максимальна в чистой воде (в океане - 30-35 м, в озере Байкал - 40-45 м) и минимальна - с увеличением кон­центрации "мути", фитопланктона (рис. 3. 22). Глубина проник­новения ЭМИ зависит от длины волны. В океане при X =0,5—0,6 мкм (зелёный спектр) излучение проникает на 15-18 м, а при X =0,6—0,7 мкм всего на 3 м. Получение количе­ственной и качественной информации о примесях в воде и их концентрациях возможно по результатам многозонального ска­нирования.