Введение. 
Океанология. 
Оптика океана

Предмет исследования. Оптика океана является разделом физики океана и описывает распространение и трансформацию света в океане. Оптические явления, наблюдаемые в океанах и морях, определяются физическими свойствами самой воды и характеристиками оптического излучения. Световое излучение представляет собой поток электромагнитных колебаний с широким диапазоном длин волн (рис. 1).

Рис. 1. Солнечный спектр и уменьшение энергии света с глубиной моря.

При изучении оптических свойств морской воды рассматривается диапазон видимого света, так как в воде не распространяются ни инфракрасные, ни ультрафиолетовые лучи.

Исследования в оптике океана охватывают широкий круг вопросов, которые решаются в трех направлениях: физическая оптика океана, оптическая океанология, прикладная оптика океана.

В физической оптике океана рассматриваются физические основы оптических явлений в океане — чем определяются оптические свойства океанских вод, каковы закономерности распространения в них оптического излучения.

Предметом оптической океанологии является изучение пространственного распределения и временной изменчивости оптических свойств океанских вод и причинных связей полей оптических характеристик в океане с динамикой вод, гидрологическими условиями, а также биологическими, химическими и другими факторами.

Прикладная оптика океана исследует закономерности оптического излучения с целью определения важных параметров состояния океана, таких как содержание в водной среде оптически активных веществ, находящихся в ней в виде взвеси и растворов, углеводородной пленки на поверхности и т. д.

Закономерности распространения лучистой энергии в водах морей и океанов во многом определяют условия жизнедеятельности организмов, населяющих их толщу. Освоение природных ресурсов вод и дна океана и проникновение человека в его глубины практически невозможно без разработки надежных методов видения под водой. Для того чтобы сконструировать телевизионную аппаратуру, используемую в подводных исследованиях, также необходимы знания оптических характеристик морских вод.

Круг вопросов, которыми занимается оптика океана, с каждым годом расширяется. Это неизбежно ведет к образованию новых разделов и направлений. Сейчас уже есть все основания говорить об одном из таких направлений — оптике ночного моря, которое своим возникновением во многом обязано быстро растущим запросам морской биологии.

Среди множества проблем и аспектов, которыми занимается гидрооптика, можно выделить четыре основных направления (рис. 2)^[1]:

• 1) изучение первичных гидрооптических характеристик;
• 2) изучение распространения света в море и параметров подводного светового поля от естественных и искусственных источников излучения;
• 3) дистанционные методы исследования океана;
• 4) видение подводных объектов.

Рис. 2. Основные направления гидрооптики

Самыми перспективными с точки зрения практического применения в настоящее время считаются дистанционные методы исследования океана, которые включают в себя такие работы, как: определение концентрации фитопланктона, минеральных и растворенных органических веществ; обнаружение внутренних волн и углеводородных загрязнений поверхности океана; видение подводных объектов и морского дна с помощью систем наблюдения, расположенных на космических и подводных носителях.

При работе систем дистанционного зондирования и видения, установленных на спутниках, большое влияние оказывает океанская атмосфера. Поэтому необходимы также сведения об оптических характеристиках и закономерностях распространения света в океанской атмосфере.

Основоположники гидрооптики. Основная задача оптики океана — изучать оптические свойства морской воды и закономерности, определяющие проникновение и распространение света в море. Основателем гидрооптики считают Аристотеля¹, который обратил внимание на то, что вода в море голубая и прозрачная, а в реках — желтая и мутная, и объяснил это различие влиянием взвешенных частиц. Первые измерения подводного светового излучения были проведены в 1885 г. Но из-за несовершенства измерительных приборов экспериментальная гидрооптика развивалась медленно. Одни из первых исследования в оптической океанографии проводил французский физик Пьер Бугер, который создал фотометрию — науку о количественных измерениях света. В своем знаменитом «Оптическом трактате» Бугер исследовал множество вопросов, связанных с измерениями света, его отражением от гладких и шероховатых поверхностей, распространением света в различных средах. П. Бугеру принадлежит заслуга открытия одного из главных законов, определяющих распространение света в морской среде, — закона, названного впоследствии его именем^[2][3]. Бугер 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.

Однако если говорить об оптических измерениях непосредственно в море, то здесь приоритет принадлежит русскому исследователю О. Е. Коцебу, который в 1815—1818 гг. первый измерял относительную прозрачность моря с помощью погружаемых предметов. Во время плавания на «Рюрике» Коцебу наблюдал глубину исчезновения белого и красного дисков, опуская на лотлине обыкновенные столовые тарелки, одна из которых была обернута красной материей. В 1827—1833 гг. очень обстоятельные наблюдения за цветом и прозрачностью воды были выполнены М. Ф. Рейнеке при проведении гидрофизических работ на Белом море и у берегов Мурмана. В наблюдениях при штиле регистрировали не только глубину в момент пропадания белого диска, но и глубину дна в месте наблюдений, высоту глаза наблюдателя и облачность. Это была первая систематическая съемка прозрачности и цвета воды в истории океанографии. В 1865 г. исследования прозрачности воды в Средиземном море были проведены патером Секки и капитаном Чиальди, которые использовали диски диаметром до 2,37 м. После этого многими исследователями было выполнено большое число наблюдений, как с белыми, так и с цветными дисками. В большинстве экспериментов использовался белый диск диаметром 30—50 см, который и получил в 1890-х гг. название диска Секки, хотя его с большим основанием можно было назвать и диском Коцебу или Рейнеке.

Продолжение исследований гидрооптических характеристик морской воды затрудняло отсутствие качественной аппаратуры и невозможность работать с белыми дисками в темное время суток. И. Б. Шпиндлер в экспедиции 1890 г. пытался выйти из этого положения, погружая на глубину электрическую лампочку. Однако из-за трудности сопоставления данных наблюдений с помощью лампочки и диска способ Шпиндлера не получил распространения.

Цвет воды долгое время определяли на глаз «по цвету волн», без всякого эталона. В 1890-х гг. швейцарский исследователь Форель предложил шкалу для определения цвета воды альпийских озер, которая представляла собой набор стеклянных пробирок, наполненных смесью растворов синего и желтого цветов, взятых в разных пропорциях. Для наблюдений в прибрежных районах морей, где вода бывает и коричневых оттенков, шкала была дополнена пробирками с примесью коричневого цвета¹.

Русский физик О. Д. Хвольсон в конце XVIII в. сформулировал уравнение переноса оптического излучения: основное уравнение, которое описывает распространение света в светорассеивающих средах (какой является морская среда). В начале 1920;х гг. русскому физику В. В. Шулейкину и индийскому ученому Ч. Раману удалось объяснить происхождение цвета моря. Теория Рамана пригодна лишь для прозрачных вод, формула Шулейкина более общая. Вклад академика В. В. Шулейкина в развитие оптики океана не ограничивается лишь объяснением цвета моря. Он создал теорию многократного рассеяния света в море, исследовал рассеяние света взвешенными частицами и действие света на окраску различных подводных водорослей и животных. На основанной им в 1929 г. в Кацивели Черноморской гидрофизической станции в настоящее время ведутся исследования по оптике моря, широко известные как в России, так и за рубежом.

Одним из основоположников современной оптики океана является также советский ученый профессор А. А. Гершун, основатель научной школы Государственного оптического института по гидрооптике. Ранее фотометрия ограничивалась лишь рассмотрением самих излучающих и поглощающих тел, а промежуточная среда, в которой распространялся свет, исключалась из рассмотрения. А. А. Гершун ввел представление о поле лучистой энергии в среде как о физическом поле и создал его математическую теорию, а также разработал ряд оптических приборов для исследований в море. Написанная им в 1939 г. вместе с В. А. Березкиным и Ю. Д. Янишевским монография «Прозрачность и цвет моря» остается до сих пор классическим произведением, посвященным оптике моря^[4][5].

Из зарубежных исследователей-гидрооптиков, работавших в 1930;е — 1940;е гг., необходимо назвать имена И. Ле Грана и Г. Петерсона. Французский ученый И. Ле Гран опубликовал несколько интересных работ, посвященных теории распространения света в море; шведский ученый Петтеросон — создатель многих гидрооптических приборов — один из первых начал проводить оптические исследования, погружая аппаратуру непосредственно в море.

Таким образом, к 1950;м гг. в результате экспериментальных и теоретических исследований оптика океана сформировалась уже как самостоятельный раздел океанологии. Характерной чертой экспедиционных исследований стало проведение комплексных измерений различных гидрооптических характеристик. Во время шведской кругосветной экспедиции на судне «Альбатрос» русский физик Н. Г. Ерлов разработал первую оптическую классификацию океанских вод, используемую и в настоящее время. Необходимо также упомянуть о проведении гидрооптических исследований В. М. Козляниновым на судне «Экватор» в северной части Атлантического океана.

В 1960;е гг. появились фотоумножители и интерференционные светофильтры, что позволило проводить тонкие спектральные измерения и резко повысить чувствительность гидрооптических приборов. Новые возможности в гидрооптических измерениях открылись в 1960;е гг. с появлением мощных источников когерентного излучения — лазеров. Большое влияние на развитие гидрооптических исследований в этот период оказали работы Дантли, Тайлера, Прайзендорфера, Ерлова, в которых были обобщены и систематизированы основные достижения в области оптики океана¹. Из теоретических работ важна была работа К. С. Шифрина^[6][7], где систематически изложена теория рассеяния и поглощения света частицами.

После запуска специальных «океанологических» спутников в 1970;е гг. начинают активно развиваться дистанционные оптические методы исследования океана, которые сопровождаются быстрым развитием теоретических работ. Оптические методы начинают эффективно использоваться для определения содержания в океанской воде взвеси и растворенных органических соединений, обнаружения вод с нефтяными загрязнениями и т. д. Бурное развитие оптики океана отражено во многих монографиях, освещающих различные аспекты этого раздела океанологии^[8].

Терминология и обозначения. Комитетом по лучистой энергии в море при Международной ассоциации физической океанографии (МАФО) было признано, что для оптической океанологии необходимы точные определения основных понятий. Определения, рекомендованные этим комитетом, находятся в соответствии с определениями, опубликованными Международной комиссией по освещению (Париж, 1957) и Международным словарем по физике и электронике (НьюЙорк, 1956); дополнительно было введено большое количество необходимых терминов, относящихся только к оптике моря.

В основу стандартной терминологии оптики океана положены следующие основные принципы. При рассмотрении лучистой энергии Солнца и неба основными понятиями являются яркость и облученность; менее применимо понятие силы излучения, относящееся к точечным источникам.

При комбинированном процессе поглощения и рассеяния термин «ослабление» предпочтительнее термина «экстинкция». При описании измерительной оптической техники используется следующее правило: после слова «измеритель» ставится название измеряемой величины, например: измеритель яркости (яркомер), измеритель облученности, измеритель рассеяния, измеритель пропускания направленного излучения (ранее называвшийся измерителем прозрачности).

Термины «прозрачность» и «мутность» не являются строгими определениями, однако они все еще употребляются для общей характеристики оптических свойств воды.

При изучении оптики океана выделяют два разных направления: оптические свойства морской воды (рассеяние и поглощение света, флюоресценция растворенных и взвешенных веществ) и световое поле океана.

• [1] Левин И. М. Перспективные направления оптических дистанционных методовисследования океана // Сб. науч. тр. «Фундаментальная и прикладная гидрофизика». 2008. № 1. С. 15—47.
• [2] Шифрин К. С., Копелевич О. В., Козлянинов М. В. Оптика океана. М.: Наука, 1978.
• [3] Кудрявцев П. С. Курс истории физики: учеб, пособие для студентов пед. институтов по физ. спец., М.: Просвещение, 1982.
• [4] Шулейкин В. В. Краткий курс физики моря. Л.: Гидрометиздат. 1959.
• [5] Берёзкин В. А., Гершун А. А., Янишевский Ю. Д. Прозрачность и цвет моря. Л. :Изд-во ВМА им. К. Ворошилова, 1940.
• [6] Ерлов Н. Г. Оптическая океанография. М.: Мир, 1970.
• [7] Шифрин К. С., Копелевич О. В., Козлянинов М. В. Оптика океана.
• [8] Доронин Ю. П. Физика океана. Л.: Гидрометиздат, 1978; Монин А. С. Оптика океана. Т. 1. М.: Наука, 1983; Иванов А. А.

  Введение

  в океанографию. М.: Мир, 1978.