Свет в море

В последнее время для измерения индикатрис рассеяния начали использовать приборы, у которых в качестве источника излучения применяется лазер. Это позволяет упростить оптическую схему прибора и в то же время получить интенсивный, направленный и монохроматический пучок света.

Какой же вид имеют индикатрисы морских вод?

Им присуща остро вытянутая, кинжальная форма (рис. 16, 3), чем они резко отличаются от индикатрисы рэлеевского рассеяния (рис. 16, 1) и индикатрисы рассеяния света в атмосфере (рис. 16, 2). Для практических расчетов индикатрисы рассеяния морских вод удобнее представлять в виде графиков, показанных на рис. 17.

Рис. 16. Сопоставление формы индикатрис рассеяния света при рэлеевском рассеянии 1, в атмосфере 2 и в морской воде 3

Здесь приведено пять индикатрис, измеренных в разных водах как лабораторными приборами 1, 2, так и приборами, погружаемыми в море, 3, 4 и 5. Для удобства сопоставления рассеяние под углом 90° принято за единицу. Мы видим, что характер рассеяния вперед на углах менее 90° у всех вод более или менее схож. Интенсивность света, рассеянного вперед, в тысячи раз больше интенсивности света, рассеянного назад.

Рис. 17. Индикатрисы рассеяния света, измеренные исследователями в разных водах

1 — Хальбарт (1945) — Чезапикский залив; 2 — Козлянинов (1957) — Восточно-Китайское море; 3 — Ерлов (1961) — северо-восточная часть Атлантического океана; 4 — Тайлер (1961) — калифорнийские прибрежные воды; 5 — Дантли (1963) — озеро Виннипесаки

Все предыдущие рассуждения относились к рассеянию в параллельном световом пучке, направленном от какого-либо осветительного устройства.

Процесс рассеяния естественного света, идущего от поверхности моря к его глубинам, несоизмеримо более сложен. Здесь мы имеем дело с многократным рассеянием. Солнечные лучи, проникая в море, в самом поверхностном его слое еще сохраняют вид направленного света. С глубиной каждый «конкретный луч» из-за рассеяния как бы делится на многие лучи, расходящиеся в разных направлениях. Эти лучи вновь делятся, и процесс длится до тех пор, пока свет не станет полностью рассеянным.

Прозрачность моря

От Северного полюса до берегов Антарктиды

Природа морей и океанов на разных широтах различна. При перемещении с севера на юг наряду с другими природными особенностями меняются и оптические свойства морской воды. Даже на глаз можно определить, что синие воды тропиков отличаются своей прозрачностью от зеленоватых вод умеренных широт. Белый диск, погруженный в воду Тихого океана на широте Гавайских, островов, будет еще виден на 40–50 м, а в Беринговом море он исчезнет на глубинах вдвое меньших. Для того чтобы понять, какую роль в прозрачности морей и океанов на разных широтах играют природные факторы, т. е., другими словами, понять планетарную закономерность изменения прозрачности в зависимости от географической зоны, совершим путешествие по меридиану от Северного полюса до экватора.

Схема географической зональности Мирового океана разработана членом-корреспондентом АН СССР В. Г. Богоровым. Географические зоны в океане подобны намечаемым на суше. Но есть и существенное различие. На суше зональность наблюдается лишь на поверхности, захватывая при этом тонкий почвенный покров, а в океане явления, связанные с зональностью, проникают, правда в ослабленном виде, во всю океаническую толщу. Каждой географической зоне присущи свои специфические черты и свои природное особенности.

Как показали исследования, прозрачность самым тесным образом связана с присутствием в воде взвешенных минеральных частиц и планктона. В своем путешествии через географические зоны прежде всего обратим внимание на природные условия, от которых в конечном итоге зависит наличие органических и неорганических частиц в морской воде.

Океан в ледовом панцире

…Долгие месяцы провел Фритьоф Нансен в Северном Ледовитом океане. Его «Фрам», напоминающий по форме половину кокосового ореха, намеренно вмерз в дрейфующие льды, чтобы таким образом достичь полюса. Зимой над безмолвными просторами покрытого ледовой шапкой океана царит ночь. Ночная темнота нарушается полярным сиянием. Его цветные полосы дрожат, переливаются, меняя оттенки, а затем исчезают.

Под четырехметровой толщей льда скрыты черные неосвещенные и, кажется, безжизненные воды океана…

Позднее советские биологи обнаружили жизнь на всех глубинах Северного Ледовитого океана. Она не была бурной, но все же теплилась. Разумеется, не зима с длинной ночью, а лето с полярным днем, когда солнце даже не скрывается за горизонт, наиболее благоприятно для жизнедеятельности морских организмов. Но солнечному свету не так-то просто проникнуть в океанскую толщу.

А. В. Трофимов еще в 1934 г. измерил подледную освещенность. Оказалось, что подо льдом остается лишь около 2 % от падающего на поверхность света. Однако в летний сезон ледовый покров океана несплошной — появляются полыньи. Специалисты подсчитали, что они в разгар лета в арктическом бассейне занимают примерно 10 % от всей площади. Естественно, что в полыньях жизнь интенсивнее. Сначала развиваются микроскопические водоросли — фитопланктон, а затем мелкие рачки — зоопланктон. Концентрация фитопланктона обычно значительно больше, чем зоопланктона, и именно он вместе с измельченными отмершими частицами (детритом) в основном определяет прозрачность вод открытого океана.

Скопления зоопланктона, которые хорошо фиксируются на эхограммах в виде «ложного дна», как правило, не отражаются на записи изменения прозрачности с глубиной. И наоборот, слои, богатые фитопланктоном, прекрасно вычерчиваются пером самописца, но не обнаруживаются эхолотом.

Влияние великих сибирских рек, несущих на север много органической и минеральной взвеси, ограничивается шельфовыми морями, причем мутно-бурые речные струи хорошо выделяются на фоне зеленых и сине-зеленых морских вод. Опытные полярные капитаны используют их в качестве навигационных ориентиров.

Известный океанограф и полярник Н. И. Евгенов вспоминал: «Как-то раз мы на „Малыгине“ после трудного прохода с отрядом судов Карской экспедиции через льды между Новой Землей и Ямалом вышли на чистую воду. Местоположение корабля было известно недостаточно точно. Мы могли только предполагать, что находимся в районе о. Белый, но тщетно мы искали в бинокли знак на острове — горизонт был подернут дымкой, кругом расстилалась однообразной пеленой поверхность моря. Вдруг капитан корабля, перегнувшись через поручни мостика, стал напряженно всматриваться в воду. „На что смотрите, Дмитрий Тимофеевич?“ — крикнул я ему. Капитан немного помолчал, а затем тоном удовлетворенного человека ответил: „Вода побурела. Вошли в обские воды“…» [9]

В Арктический бассейн поступают также более теплые и вместе с тем более соленые чистые атлантические воды, образующие мощный глубинный поток.

Таким образом, прозрачность вод Северного Ледовитого океана находится в прямой зависимости от летней фотосинтетической деятельности и имеет сезонный ход. Однако даже в разгар биологического лета количество фитопланктона слишком мало, чтобы заметно замутнить воду. Недаром океанолог Лафон, участник похода американской подводной лодки «Скейт» подо льдами Северного Ледовитого океана, утверждал, что близ полюса «исключительно прозрачная вода, пожалуй более прозрачная, чем в каком-либо другом месте».

Южнее многолетних льдов

Поверхность морей, омывающих нашу страну с севера, летом почти свободна от льдов. Лишь кое-где в сине-зеленых водах видны отдельные льдины.