Цвет моря при отсутствии в воде взвешенных частиц

Как было указано выше, цвет моря определяется соотношением и спектральным составом двух световых потоков, попадающих в глаз наблюдателя: отраженного поверхностью моря светового потока, падающего от Солнца и небесного свода, и светового потока, исходящего из глубин моря. Последний представляет поток диффузного (рассеянного) света, обусловленного рассеянием вверх и изменяющегося под влиянием избирательного поглощения и рассеяния высших порядков при его распространении к поверхности моря.

Для простоты решения задачи положим вначале, что имеет место только молекулярное рассеяние света (обратно пропорционально 4-й степени длины световой волны), а наблюдатель смотрит на поверхность моря вертикально вниз. Предположим, что свет падает на поверхность моря потоком параллельных лучей, направленных отвесно. Тогда энергия, дошедшая до некоторой глубины z, будет равна.

где W_l/W — отношение энергии, рассеянной вверх, ко всей энергии, рассеиваемой вниз и вверх.

Элементарный горизонтальный слой dz, вырезанный на этой глубине, рассеет вверх количество энергии которое, на основании формулы (9.3.1), оказывается равным.

Здесь a =—--.

W

Свет, исходящий из моря, испускается именно этими элементарными слоями dz, но ясно, что от каждого слоя до поверхности моря лежит пласт морской воды толщиной z, в котором поглощение и рассеяние определяются формулами, аналогичными формулам (9.3.1) и (9.3.2).

Обозначим через d/j количество энергии, дошедшей снизу до поверхности моря от слоя dz. Тогда окажется, что:

Поскольку на окраске поверхности моря практически не могут сказаться лучи, проникшие до глубин ниже нескольких сот метров, интеграцию уравнения (9.3.3) можно производить, не принимая во внимание морское дно, то есть в пределах от 0 до °о. Проинтегрировав уравнение (9.3.3) в этих пределах, найдем, что:

1_г составляет только часть всей энергии, выходящей из моря. Рассматривая ослабление элементов энергии di_z на пути от слоя dz до поверхности моря, заметим, что некоторая доля этой энергии отбрасывается вниз, откуда частично снова возвращается вверх. Можно предположить, что вторая порция световой энергии выражается так:

Просуммируем бесконечный ряд подобных порций световой энергии. Оказывается, что:

Если обозначить освещенность моря прямыми солнечными лучами через S₀, а освещенность диффузным светом неба — через JV₀, то освещенность той же поверхности внутренним диффузным светом М₀ выразится формулой.

На основании формул (9.3.6) и (9.3.7), можно получить:

Это выражение представляет собой спектр диффузного внутреннего света, исходящего из моря.

Все предыдущие выкладки относились к случаю, когда луч зрения был направлен нормально к поверхности моря. Только в этом случае и при условии солнечного сияния можно совершенно пренебречь тем светом, который исходит от небесного свода и затем отражается от поверхности моря. Обычно же наблюдателю, смотрящему на поверхность моря под острым углом к ней, окраска моря представляется весьма непостоянной, зависящей от целого ряда внешних условий, и главную роль при этом играет состояние поверхности воды: форма и размеры волн, бегущих по ней.

Пусть луч зрения, исходящий от некоторого элемента поверхности моря, составляет некоторый угол ф, изображенный на рис. 9.3.1. Очевидно, что этот луч можно разложить на два составляющих луча. Первый из них принадлежит внутреннему диффузному свету; он достиг элемента поверхности воды, составляя с нормалью угол ф, и, преломившись, вышел под углом ф к нормали. Второй луч — луч отраженного света, испускаемого небесным сводом, т. е. луч, упавший на элемент поверхности воды под углом ф к нормали. Интенсивность обоих лучей зависит от угла с нормалью, под которым они идут.

Рис. 9.3.1. Схема лучей близ поверхности волны.

Обозначим через М освещенность внутренним диффузным светом, а через N освещенность небесным сводом, видимые наблюдателем. Тогда на основании формул Френеля можно записать:

где M₀ — освещенность внутренним светом, но только наблюдаемая по направлению нормали к поверхности воды.

Создаваемый волнением наклон поверхности моря благоприятствует восприятию светового потока внутреннего света, а следовательно, и увеличению насыщенности цвета; поскольку при этом угол зрения относительно волны мало меняется при переводе глаза к горизонту, то и окраска моря остается насыщенной до самого горизонта.

В океанах отмечаются огромные пространства воды темно-голубого цвета, свидетельствующие об отсутствии в воде посторонних примесей и об ее исключительной прозрачности. С приближением к берегам и уменьшением глубин океана наблюдается постепенный переход к зеленовато-голубым и голубовато-зеленым тонам, а в непосредственной близости от берегов — к желто-зеленым.