VẬT LÝ BIỂN ( Đinh Văn Ưu - Nguyễn Minh Huấn - NXB Đại học Quốc gia Hà Nội ) - Chương 5 docx

Chương QUANG HỌC BIỂN 5.1 CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG HỌC CỦA NƯỚC BIỂN 5.1.1 Tổng quan phương pháp đo đạc Đo đạc tính chất quang học nước biển nhiệm vụ khó khăn nước biển hệ thống sinh hoá lý phức tạp, chứa đựng chất hồ tan, chất lơ lửng vô số sinh vật nhỏ Do không đồng tính chất quang học thành phần nên nước biển tán xạ mạnh ánh sáng Theo quan điểm quang vật lý, nước biển môi trường không suốt Các thành phần nhạy cảm chứa nước biển vi sinh vật sống hay chất “vẩn” tồn khoảng nhiệt độ nồng độ định, sinh thực việc đo đạc chúng Do tính chất quang học nước biển thường nghiên cứu trực tiếp thực địa Hiện tượng phát quang số tượng quang học khác xuất biển, biến đổi thời gian đo đạc khó khăn để khẳng định xác tượng điều kiện tự nhiên khơng có tác động dụng cụ đo Ngoài ra, biết nước biển môi trường hoạt hố cao cần phải có phương pháp đặc biệt để dụng cụ hoạt động lâu dài chịu áp lực độ sâu lớn 5.1.2 Các đặc trưng Các tính chất quang học nước biển thể đầy đủ ma trận tán xạ, thể biến đổi tất tính chất phân cực chùm ánh sáng bị tán xạ Cho đến quang học biển xem xét hệ thống đánh giá đơn giản hơn, thể thay đổi độ chói chùm tia ánh sáng bị tán xạ hấp thụ số hấp thụ χ tán xạ σ hàm số thị tán xạ x(γ) Hệ thống đặc trưng gọi đặc trưng quang học loại I nước biển Dưới hạn chế việc phân tích đặc trưng này, ý nghĩa vật lý 75 đại lượng thể rõ ràng bảng 5.1 : Bảng 5.1 - Các đặc trưng quang học nước biển Tên Ký Công thức χ χ=− dΦ χ Φ dl σ σ=− dΦ σ Φ dl x(γ) x( γ ) = πσ( γ ) σ Hệ số suy giảm xạ ε ε=− Xác suất tồn hạt Photon Λ Λ= Hệ số tán xạ đẳng hướng σ(γ) σ( γ ) = Độ dày lớp quang học nước τ τ = ∫ ε(x) dx hiệu Các đặc trưng Hệ số hấp thụ xạ môi trường nước Hệ số tán xạ Hàm thị tán xạ Các đặc trưng thứ cấp dΦ ε Φ dl σ σ = ε χ+σ dI( γ ) E n dv l Hệ số truyền qua lớp nước T T= Φ( l) = e −τ Φ(0) Các ký hiệu sử dụng bảng : - dòng xạ đơn sắc song song đơn vị thể tích dv phát ra, độ dài hướng lan truyền dl; dΦχ, dΦσ, dΦε - dòng xạ đơn vị bị hấp thụ, tán xạ suy giảm qua thể tích dv; 76 - góc tán xạ (góc hướng xạ tới xạ tán xạ); En - độ chiếu sáng gây dòng xạ Φ bề mặt thể tích dv; dI(γ) – cường độ ánh sáng tán xạ thể tích dv hướng γ; (l) – dịng xạ qua mơi trường có độ dày giới hạn l; (0) – dịngbức xạ trước vào mơi trường nước Công thức hệ số χ, bảng 5.1 có ý nghĩa sau: giả sử có chùm tia xạ song song vào nước có độ dài đơn vị dl Rõ ràng lượng chùm dΦχ hấp thụ lớp nước tỉ lệ với cường độ chùm Φ độ dài quãng đường dl: dΦχ = - χ Φ dl (5.1) Đại lượng χ - hệ số tỉ lệ công thức 5.1 ý nghĩa tương tực hệ số r ε Sự suy giảm tổng cộng chùm tia dΦ - dΦε tổng dΦχ dΦε dΦ - dΦε = dΦx + dΦσ = - (x + σ) dl = - εΦdl ε=χ+σ Do : (5.2) (5.3) Trong tác dụng tương hỗ dòng photon phần χ photon biến thành nhiệt (hay bị triệt tiêu), phần σ bị tán xạ (vẫn ánh sáng) Do tỉ số Λ = σ/ε gọi xác suất tồn photon, môi trường hấp thụ Λ = 0, môi trường tán xạ Λ = Vùng sóng hồng ngoại khoảng hấp thụ cực tiểu vùng bước sóng λ = 500nm coi tương ứng với mơ hình lý thuyết Trong điều kiện đồng từ cơng thức (5.2) dịng xạ Φ (l) qua lớp có độ dày l ta có : Φ(l) = Φ(0) e-el = Φ(0) T = Φ(0) e-τ (5.4) Trong công thức (5.4) sử dụng dòng xạ coi song song chưa thật xác, cần phải áp dụng cơng thức (5.4) cho dịng xạ dạng nón nghĩa có độ chói B(l) = B(0) e-el = B(0) T = B(0) e-τ Với: (5.5) B(0) - độ chói chùm tia tới; B(l) - độ chói chùm tia sau qua quãng đường l Công thức (5.3) (5.4) quy luật Buger – Lambert, công thức 77 quan trọng quang học môi trường không suốt Nước biển tán xạ ánh sáng theo hướng khác không đồng Phần lớn ánh sáng tán xạ tập trung góc nhỏ Hàm số x thể phân bố độ chói ánh sáng tán xạ theo góc tán xạ gọi hàm thị tán xạ Để hiểu ý nghĩa ta xem hình vẽ 5.1 γ Hình 5.1 Vùng gạch chéo - thể tích tán xạ; 101 - Hướng truyền tia tới 02 - dòng tán xạ; γ - góc tán xạ Cường độ ánh sáng dI, tán xạ nguyên tố dv hướng γ : dI = σ(γ) En dv (5.6) En - độ chiếu sáng Hàm số tỉ lệ σ(γ) – hệ số tán xạ hướng định Ta thấy tổng lượng ánh sáng tán xạ F tích phân dI theo hướng dF = ∫ dI dω ( π) Ngoài dF = σ Φ dl Φ = EnS ; dv = S dl Với: So sánh biểu thức ta có : σ= ∫ ( π) 2π π π 0 σ( γ ) dω = ∫ dϕ ∫ σ( γ ) sin( γ )dγ = π∫ σ( γ ) sin( γ )dγ (5.7) Công thức (5.7) thiết lập mối quan hệ hệ số σ σ (γ), biểu diễn mối quan hệ dạng sau: 78 ∫ 4π ( π) σ( γ ) dω πσ( γ ) dω = , x( γ ) = = ∫ x( γ ) σ 4π σ 4π (5.8) Hàm thị tán xạ x(γ) mật độ xác suất tán xạ góc γ, thoả mãn biểu thức sau : π ∫ x( γ ) π sin γ dγ π = ∫ x( γ ) sin γ dγ = 4π 20 (5.9) Công thức gọi điều kiện chuẩn hàm thị môi trường tán xạ đẳng hướng với x(γ) = const = c dễ dàng tìm : c 1π sin γ dγ = c = 2∫ (5.10) Nghĩa môi trường đẳng hướng, mật độ xác suất tán xạ góc x(γ)= Trên hình 5.2 số dạng hàm thị tán xạ, hệ toạ độ cực thể phân bố không gian ánh sáng tán xạ lan truyền Hình 5.2 Các hàm thị tán xạ mơi trường sóng cầu; sóng Reler; khơng khí; 4- nước biển Hình 5.3 Mối liên hệ phổ hệ số suy giảm ε 79 Đường I – hệ số suy giảm ánh sáng nước tinh khiết, giá trị cực tiểu nằm vùng bước sóng xanh (do vật thể thả vào nước biển có màu xanh dễ dàng nhìn thấy xun qua lớp nước) Đường II – Hệ số hấp thụ ánh sáng chất hữu hoà tan, hấp thụ tăng mạnh vùng ánh sáng xanh cực tím Đường III – Hệ số suy giảm ánh sáng hạt khoáng chất, tăng vùng ánh sáng xanh Đường IV – Hệ số suy giảm ánh sáng hạt có nguồn gốc sinh vật Trước xem xét mối liên hệ phổ ε ta cần biết nước biển chứa đựng thành phần có tính chất quang học : nước tinh khiết, chất hồ tan (vơ hữu cơ) chất lơ lửng (khoáng vật hữu cơ) ảnh hưởng thành phần lên đặc trưng quang học nước biển không giống nhau, phụ thuộc vào nồng độ thành phần tương ứng phụ thuộc vào độ dài bước sóng Mối liên hệ đặc trưng hệ số suy giảm ε độ dài bước sóng λ với thành phần khác nước biển thể hình vẽ 5.3 Ta có hai thí dụ đặc trưng : nước đại dương suốt nước đục biển Bantic Đối với loại nước với bước sóng λ = 550nm, phép đo đạc kỹ cho ta εI = 0.036m-1 (sự suy giảm nước tinh khiết hai trường hợp nhau) εII = 0,010; 0,030m-1 (trong nước biển Bantic thành phần hữu hoà tan – chất “vẩn” lớn nên εII lớn tương ứng lần) εIII = 0.01 0.11m-1; εIV = 0.050 0.2m-1 (các hạt gây tán xạ có nồng độ lớn hơn) Tổng hệ số suy giảm ε = ∑ ε i 0.11 0.38m-1 tương ứng, nghĩa hệ số suy i =1 giảm ε nước biển khơi nhỏ gần lần so với nước biển Bantic 5.2 CÁC TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA NƯỚC TINH KHIẾT Nước hợp chất phổ biến nghiên cứu kỹ trái đất Tuy nhiên tính chất quang học nước tinh khiết lại chưa biết đến cách đầy đủ Trong điều kiện vật lý nước tồn đại dương (áp suất 1-1100 at, nhiệt độ đến 36oC), tính chất quang học nước khơng thay đổi Loại trừ đặc trưng nước biển nước tinh khiết sinh nghiên cứu vai trị thành phần hồ tan lơ lửng, nhiệm vụ quan trọng quang học biển 5.2.1 Những nghiên cứu lý thuyết Bản chất vật lý tượng hấp thụ tán xạ ánh sáng khác Hấp thụ sinh 80 vật chất đồng quang học liên hệ tới phần ảo hệ số khúc xạ phức k vật chất m (m = n - ik): χ= 4π k λ (5.10) Tán xạ ánh sáng vật chất đồng quang học không xảy Dưới ảnh hưởng trường sóng điện từ nguyên tố vật thể phân cực trở thành nguồn sóng thứ cấp Có thể chứng minh cách chắn vật thể đồng phát sinh sóng khúc xạ Trong tất hướng khác (ngoài hướng khúc xạ) chúng tự tắt dần Tán xạ quan sát vật thể không đồng phân bổ tính khơng đồng ngẫu nhiên Hấp thụ : Nước hệ thống xếp bền chặt, lực tương hỗ phân tử khác lớn Do hàng loạt tác giả cho chất lỏng nước coi tinh thể tổng hợp từ nguyên tử ôxy hyđrô Trong phân tử nước có dải hấp thụ mạnh, nằm vùng quang phổ λ ≤ 18.6 nm (dải điện tử), dải hấp thụ yếu vùng khả kiến khoảng 543 – 847nm dải hấp thụ mạnh vùng hồng ngoại 944nm lớn (tần số dao động quay phân tử H2O nằm dải 2.66; 2.71; 3.17; 6.25μm) Phần lớn dải hấp thụ nước liên quan tới dải nước (nghĩa quang phổ phân tử riêng biệt) Nói chung dải hấp thụ nước dịch chuyển hướng bước sóng λ lớn tự dải che khuất (triệt tiêu) lẫn tượng hấp thụ trở nên hồn tồn Các tính tốn lý thuyết tất biến đổi cần phải xác định vị trí bậc lượng hệ thống tích tụ, điều đến chưa làm Tán xạ : Nguyên nhân tán xạ ánh sáng tính khơng đồng quang học vật thể, L.I.Mandelstam xác định vào năm 1907 Trong nước tinh khiết tính khơng đồng quang học xuất biến đổi nồng độ biến đổi định hướng phân tử nước tác động chuyển động nhiệt Công thức tính tán xạ biến đổi mật độ định hướng : ⎡ ⎤ − ΔU cos γ ⎥ σ( γ ) = σ(90 o ) ⎢ + + ΔU ⎣ ⎦ 2π σ(90 ) = ρ n λ o (5.11) ⎛ + 6Δ U ⎛ ∂n ⎞ ⎜ ⎟ k P k Β TK ⎜ ⎜ ∂ρ ⎟ ⎜ − 7Δ ⎝ ⎠T U ⎝ 81 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (5.12) Với: ΔU - hệ số phân cực Caban; ρ - mật độ; n – hệ số khúc xạ; kP – hệ số nén đẳng nhiệt nước; Do tán xạ gây biến đổi nhiệt, cường độ tỉ lệ với nhiệt độ hệ số nén Đối với nước 20oC λ = 436nm ΔU =8,8 10-2 hàm thị tán xạ có dạng: σ( γ ) = σ(90 o ) (1 + 0,838 cos γ ) (5.13) Tổng hệ số tán xạ σ : π σ = π ∫ σ( γ ) sin γ dγ = + 0,5Δ U 16 π γ (90 o ) + ΔU = (5.14) = 16,1 σ(90 o ) Trong vùng khả kiến tất đại lượng xác định mối quan hệ phổ σ(λ) theo công thức (5.11) (5.12) hệ số n2/ λ4 ta có : ⎡ n(λ) ⎤ ⎛ 436 ⎞ σ(λ) = σ(436) ⎢ ⎟ ⎥ ⎜ ⎣ n(436) ⎦ ⎝ λ ⎠ (5.15) Như khác với hấp thụ, tán xạ ánh sáng nước tinh khiết tính tốn cách đầy đủ 5.2.2 Các số liệu thực nghiệm Các thực nghiệm nghiên cứu tính chất quang học nước tinh khiết thực từ cuối kỷ trước Do độ suốt nước vùng khả kiến cao nên việc đo đạc hệ số suy giảm nước khó khăn Khó khăn liên quan tới việc loại trừ chất thể ngoại lai (bụi, hợp chất hữu việc giữ độ tinh khiết trình đo đạc) Giá trị hệ số suy giảm nước ổn định vùng cực tím Bảng 5.2 thể đặc trưng quang học nước tinh khiết vùng quang phổ 250 – 800nm 5.3 HIỆN TƯỢNG HẤP THỤ ÁNH SÁNG TRONG NƯỚC BIỂN 5.3.1 Thành phần nước biển Trong nước biển có muối vơ hồ tan, khí hợp chất hữu Các chất khí hồ tan có mặt nước biển với nồng độ nhỏ không ảnh hưởng tới tính chất 82 quang học nước biển Các muối vơ hồ tan hợp chất hữu ảnh hưởng tới tính chất quang học nước biển, ảnh hưởng nằm vùng ánh sáng tím cực tím Các muối vơ cơ: muối NaCl, KCl, MgCl, MgSO4, CaSO4 thành phần muối hồ tan nước biển Trong nước phân tử muối phân chia thành ion Giới hạn biến đổi độ muối biển khơi 33 - 37 o/oo, giá trị trung bình gần 35 o/oo Bảng 5.2 Các tính chất quang học nước biển (t = 20oC) Các hợp chất hữu cơ: nửa hợp chất hữu chứa nước biển có nguồn gốc từ cacbon hữu Nồng độ trung bình cácbon hữu vùng biển khơi khoảng 1mg/l Các chất hữu nước biển nằm thành phần hạt (Plankton) phân tử hoà tan, phần lớn chất hữu nằm trạng thái hoà tan Trong nước giàu Phytoplankton nồng độ chất hữu hoà tan cao 7-8 lần so với lượng cácbon dạng hạt Theo quan điểm quang học phần chất hữu gọi chất "vẩn" có nhiều ý nghĩa đặc biệt, hợp chất tổ hợp chất dạng mùn, chúng tạo thành theo phản ứng Meier cácbon amoni axít, tượng xảy toàn đại dương chất hữu tạo nên Plankton sản phẩm vòng đời bị phân hủy 83 Nguồn gốc khác chất “vẩn” hợp chất mùn nước sông, sản phẩm thứ cấp tạo chất “vẩn” thành phần phát quang Các thí nghiệm phân tách chất “vẩn” từ nước biển nghiên cứu tính chất chúng phịng thí nghiệm đến chưa đạt kết quả, liên kết hoá học yếu tạo nên hợp chất không tồn trình phân tách Chất lơ lửng: Chất lơ lửng nước biển đa dạng hạt bụi từ lục địa sóng gió mang tới, tế bào phytoplancton, vi trùng, hạt có nguồn gốc núi lửa hay vũ trụ Detrit – Các thành phần lại tế bào Phitoplankton Zooplankton phản ứng Theo quan điểm quang học, ta quan tâm tới hỗn hợp kích thước từ phần trăm micromét đến hàng chục micromét, hạt nhỏ hay lớn thường để ảnh hưởng tới tính chất quang học nước biển Do thiếu phương pháp đo tin cậy, đo số nồng độ chất lơ lửng Trong lớp nước bề mặt nồng độ chất lơ lửng vào khoảng 0,05 – 0,5mg/l, vùng gần bờ giá trị tăng hàng chục chí hàng trăm lần, nước sâu nồng độ giảm xuống từ 0,001 – 0,250mg/l Số lượng hạt N đơn vị thể tích đến cịn có nhiều kết khác Theo phương pháp đếm kính hiển vi : N = 104 ÷ 106 hạt/l; Theo phương pháp đếm đếm COUNTER : N = 106 ÷ 108 hạt/l; Các phương pháp quang học cho : N = 108 ÷ 1010 hạt/l; Các khác biệt liên quan tới đặc điểm tăng đột ngột lượng hạt kích thước chúng giảm Thực nghiệm hàm phân bố n(r) hạt theo bán kính z tuân thủ theo hàm mũ n(r) = Ar -ν Với: ν = - 5; Chất lơ lửng biển tập hợp hạt với hệ số khúc xạ m khác Đối với hạt khoáng m = 1,13 ÷ 1,25; Đối với hạt hữu m < 1,05 Sự phân biệt hạt chất lơ lửng theo kích thước vài mức độ phân biệt hệ số khúc xạ Các hạt phù sa rơi vào biển suy giảm phần lớn khối lượng vùng gần bờ Trong nước biển khơng có hạt phù sa, kích thước lớn 1μm Các hạt hữu ngược lại có kích thước lớn 1μm: detrit thành phần lơ lửng hữu hạt từ : 20μm, kích thước tế bào phytoplankton > : 3μm, vi trùng 1,5 : 2μm, tự nhiên Plankton chứa tới 30% loại hạt có kích thước : 8μm 84 Hình 5.5 thể số hàm thị số mẫu nước biển đo thực địa Mối quan hệ phổ tán xạ : đặc trưng phổ đo đạc, số liệu thực tiễn hệ số tán xạ tổng hợp phụ thuộc vào độ dài sóng, tăng chậm độ dài sóng giảm Hàm thị tán xạ nước tinh khiết biến đổi rõ ràng độ dài bước sóng biến đổi – λ giảm kéo dài hàm thị giảm, điều sinh đóng góp tăng lên tán xạ phân tử 5.5 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA TRƯỜNG ÁNH SÁNG TRONG BIỂN Ánh sáng mặt trời chiếu tới độ sâu lớn đại dương, sử dụng cảm biến quang điện mạnh quan trắc thấy ánh sáng mặt trời độ sâu 1200m Để mô tả trường ánh sáng biển ta thường sử dụng hệ thống đại lượng đặc trưng bảng 5.3 Bảng 5.3 Các đại lượng đặc trưng mô tả trường ánh sáng biển Tên gọi Ký hiệu Độ chói B Mức phân cực p Độ rọi mặt phẳng ngang từ E↓ (E↑) xuống Công thức B= p= B max + B dΦ ↑↓ E↓↑ = dS Hệ số phản xạ R(z) ánh sáng tán xạ R(z) = W/m2 L-2I B max − B α↑↓ = − Đơn vị đo MT-3 dE n dω Hệ số suy giảm α↑↓ (z) độ rọi Độ suốt Thứ nguyên dE ↑↓ Không thứ nguyên MT-3 W/m2 L-2I L-1 m-1 E ↑↓ dz E ↑ (z) E ↓ (z) Zb Không thứ nguyên L m Độ chói : đặc trưng quang học chất lỏng Để mô tả đầy đủ trường ánh sáng điểm cho trước biển thời điểm ta cần phải biết hàm phân bố độ 89 chói (là đại lượng vơ hướng B (l) = B (θ, ϕ) góc phát xạ 4π, hàm số vài hướng cho trước Véctơ dịch chuyển xạ : H véctơ với hình chiếu hệ toạ độ l biểu qua giá trị thành phần Hx, Hy, Hz Hl = (H, l) = Hxlx + Hyly + Hzlz Các đặc trưng thứ sinh bảng 5.3 rộng rãi, việc đo trực tiếp trường độ chói khó khăn, thường thông tin chi tiết đầy đủ không thật cần thiết, cần đặc trưng đơn giản trung bình Các đại lượng bảng 5.3 nghiên cứu cách hệ thống quang học biển Giữa đặc trưng tồn mối quan hệ thực nghiệm, biết đại lượng xác định đại lượng khác Các mối quan hệ thực nghiệm có ích chúng giúp ta biết đặc trưng trường ánh sáng biển từ số số liệu quan trắc 5.6 HIỆN TƯỢNG TRUYỀN ÁNH SÁNG QUA MẶT BIỂN 5.6.1 Phản xạ xạ từ mặt biển Bức xạ tới mặt biển phản xạ phản xạ Hệ số phản xạ rp,s truyền qua dp,s chùm tia hướng song song rp vng góc rs mặt phẳng tới thể qua công thức Frenell rs = sin (i − j) ; sin (i + j) tg (i − j) rp = ; tg (i + j) d s = − rs ; n = sin i sin j (5.17) d p = − rp Nếu bề mặt chiếu chùm tia mà thành phần phân cực hệ số phản xạ r r= ( rs + rp ) (5.18) Kết tính tốn hệ số phản xạ n = 1.333 theo công thức thể bảng 5.4 (các giá trị rp, rs, r theo giá trị tỷ lệ phần trăm) Ta ý tới hai đặc điểm tượng: Đối với tia tới vng góc với bề mặt (i = 0), hệ số phản xạ r nhỏ (≈2%) Khi góc tới tăng dần i = 60o, r ≈ 5,9%, hệ số tăng nhanh xảy hướng gần tiếp tuyến, i = 90 90o phản xạ toàn phần r = 100% Bảng 5.4 hệ số phản xạ Frenell mặt nước tĩnh i rp rs r i 10 20 30 40 50 2,0 1,9 1,7 1,2 0,6 0,1 2,0 2,1 2,5 3,1 4,3 6,7 2,0 2,0 2,1 2,1 2,4 3,4 60 70 75 80 85 90 rp rs 0,4 4,7 11, 24, 49, 10 0,00 r 11, 5,9 13, 21, 31, 45, 67, 10 0,00 21, 34, 58, 10 0,00 Đối với tia song song góc tới i i + j = π/2, đại lượng rp không Trong trường hợp ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn (chỉ cịn lại tia vng góc) phía nói tới chùm tia song song áp dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời tới bề mặt biển Như vậy, chùm tia sáng mặt trời I, phản xạ từ mặt biển nhận đầu đo đặt nằm ngang là: E'r = I r(i) cosi Phần xạ tới bị phản xạ từ mặt biển gọi hệ số phản xạ Ar mặt biển, phần xạ truyền qua bề mặt gọi hệ số truyền qua T Ta có Ar + T = Hệ số phản xạ tổng hợp biển A = Ar + Ad Với: biển Ad – Hệ số phản xạ thành phần sinh phần xạ tán xạ lớp nước Giả sử E’ – dòng xạ trực tiếp Các đại lượng Ar T là: A 'r = E 'r Ir(i ) cos i = = r (i ) ' I cos i E (5.19) 91 T' = - r(i) Để tính dòng ánh sáng bầu trời Er”, phản xạ từ biển ta giả thiết biết độ chói bầu trời B(θ, ϕ)là hàm góc θ ϕ Dòng xạ đơn vị từ bầu trời tới đầu đo nằm ngang hướng (θ,ϕ) : dE" = B(θ, ϕ) cosθ d   B(θ, ϕ) cosθ sinθ dθ d Và tổng xạ phản xạ E" = r ∫ r(θ) B(θ, ϕ) sin 2θ dθ dϕ ( π) Albedo phần xạ tán xạ E A = E " r " r " = ∫ r(θ) B(θ, ϕ) sin 2θ dθ dϕ (2 π) ∫ (5.20) B(θ, ϕ) sin θ dθ dϕ (2 π) Nếu bầu trời có độ chói đồng (B (θ,ϕ) = Bo = const) Trong trường hợp ta có π A " = ∫ r(θ) sin 2θ dθ r (5.21) Sử dụng giá trị r(θ) theo bảng 5.4 ta xác định : Ar” = 6,6% Đối với hệ số phản xạ dòng xạ tổng hợp ta có : Ar = E 'r + E " r ' " E +E (5.22) Giả sử η phần khúc xạ tán xạ dòng xạ tổng hợp, η = E"/(E' + E") Ta có: Ar = Ar' (1 - η) + Ar" η (5.23) Như albedo dòng xạ tổng phụ thuộc vào đại lượng η, bầu trời khơng có mây giá trị đại lượng η [%] thể bảng 5.5 92 Bảng 5.5 Thành phần xạ tán xạ η[%] Khoảng cách thiên đỉnh mặt trời i - 20 30 40 50 60 Khoảng cách thiên đỉnh mặt trời i 10,5 12,3 13,3 16,1 19,1 70 75 80 85 90 η[%] 25,6 32,3 42,1 54,0 100,00 Sử dụng công thức (5.23) số liệu Ar’, Ar”, η ta tính hệ số phản xạ, hệ số truyền qua dòng xạ tổng cộng Các số liệu mặt biển n tĩnh mặt biển có sóng, tính giá trị Ar phức tạp Sử dụng số liệu quan trắc giá trị A điều kiện ngày mây có sóng cấp 3, tính tốn ta có kết thể bảng 5.6 Khi giá trị i lớn, hệ số phản xạ biển ban đầu tăng đạt cực đại =70% i = o 85 , sau bắt đầu giảm đột ngột ảnh hưởng mạnh η phần xạ tán xạ tổng xạ Bảng 5.6 Các hệ số phản xạ thành phần biển có sóng Khoảng cách thiên đỉnh mặt trời [độ] - 30 60 80 2,6 1,4 Ar Ad A 40 3,2 1,8 7,9 2,1 10 25 34 5.6.2.Sự truyền ánh sáng qua bề mặt biển: Chùm tia sáng vào nước biển nén lại Góc nén tuyến tính hệ số khúc xạ n góc phát xạ n2, độ chói chùm tia sáng nước lớn n2 lần tương ứng phần lượng lan truyền chùm tia hẹp Nếu tính đến phần phản xạ liên hệ với qua công thức : BM = n2(1 - r) Ba (5.24) Đối với đại lượng độ rọi đơn vị dEa, dEM chùm tia tạo khơng khí nước : dEa = Ba cosi d = Ba cosi sini di d  93 dEM = BM cosj d = BM cosj sinj dj d  Theo định luật khúc xạ chứng minh rằng: dEM = (1 - r) dEa (5.25) Điều nghĩa độ rọi mặt phẳng song song với bề mặt phân cách biến đổi phản xạ Hệ số truyền qua mặt phẳng d = - r xác định biểu thức (5.17) Từ bảng 28 ta thấy chùm tia tới theo phương vng góc với bề mặt phân cách biển phẳng lặng (i = 0o) qua tới 98%, chùm tia tới theo phương tiếp tuyến (i = 90o), mặt biển không cho ánh sáng qua 5.7 ĐỘ RỌI NGẦM 5.7.1 Các chuẩn N Erlov : Bức xạ qua bề mặt biển bị suy giảm tượng hấp thụ (chùm quang phổ hồng ngoại đỏ) tượng tán xạ Khi độ sâu tăng lên phổ độ rọi thu hẹp lại cực tiểu đường cong phân bố phổ nước biển nằm vùng λ = 450 – 460nm hình vẽ 5.7 thể biến đổi đặc trưng theo độ sâu phổ độ rọi (giá trị 100% Emax bề mặt) Nhiều thực nghiệm độ rọi giảm theo quy luật số mũ theo độ sâu E(z) = E(0) e-az Với : (5.26) E(0) - độ rọi mặt phẳng nằm ngang nằm bề mặt biển; E (z) - độ rọi mặt phẳng ngang nằm độ sâu z; α - hệ số suy giảm theo chiều thẳng đứng nhỏ ε ~ 0.25 ε Hình 5.7 Phổ ánh sáng khả kiến biển độ sâu khác (độ sâu thể đường cong) 94 Hệ số α không phụ thuộc vào tính chất quang học nước mà phụ thuộc vào cấu trúc trường ánh sáng biển, phụ thuộc vào độ cao mặt trời α = αo secj Với: αo - hệ số suy giảm thẳng đứng mặt trời thiên đỉnh; j - góc khúc xạ ánh sáng mặt trời Thực nghiệm điều kiện trời nắng giá trị hệ số α nước đồng nhất, giảm theo độ sâu chế độ nước sâu đạt giá trị tới hạn Erlov áp dụng phân loại nước bề mặt theo tính chất quang học giá trị truyền qua 1m nước (khi độ cao mặt trời lớn) có ba loại I, II III với loại trung gian IA, IB, phổ phân bố giá trị truyền qua T với 1m nước bề mặt loại nước thể bảng 5.7(T = e-α) Bảng 5.7 Bảng hệ số Erlov D ạngph ân loại Độ dài bước sóng λ [nm] 10 I I A 50 B II 9 9 8,5 95 8 7,5 5 8,5 6,5 9 9,5 0,0 00 3,0 3,5 9 50 3,6 6,0 9 00 4,2 6,6 6,7 9 50 7,2 7,4 5,5 9 00 8,1 5,1 0,5 I 9 50 7,2 2,5 I I 00 I 6 5 Hình 5.8 Sự suy giảm độ rọi theo độ sâu dạng nước phân loại theo Erlov Sự biến đổi độ rọi theo độ sâu loại nước phân loại so sánh với độ rọi từ bề mặt λ = 465 nm thể hình 5.8, độ sâu lớn 100m, thực tế ánh sáng xanh tím Rõ ràng giá trị tuyệt đối độ rọi độ sau khác đại dương phụ thuộc vào độ rọi bề mặt tính biết hệ số suy giảm α Năng lượng mặt trời, biển loại thực vật hấp thụ sử dụng Trong vùng phổ λ = 350 ÷ 700nm gọi xạ quang hợp tích cực Nghiên cứu dạng xạ nhà sinh vật quan tâm trình quang hợp tạo sản phẩm sinh học sơ cấp 5.7.2 Sự biến động độ rọi ngầm Độ rọi ngầm đặc biệt lớp bề mặt chịu nhiều dao động, nghiên cứu biến động quan trọng liên quan đến loạt vấn đề, tượng quang hợp Các thực nghiệm biến động không ảnh hưởng tới tốc độ trình quang hợp mà ảnh hưởng tới chế trình, biến động phát từ lâu, nghiên cứu tượng năm gần Thực nghiệm cho thấy có độ rọi hướng xuống E↓ biến động (độ rọi hướng lên E↑ không thay đổi) biến động E↓ mặt trời rõ lớn 15-20 lần thời tiết xấu, tất điều dẫn tới kết luận dao động tần số cao E↓ khoảng tần số từ phần mười Hz đến hàng chục Hz sóng bề mặt gây Thực nghiệm cho thấy rằng: hệ số biến đổi độ rọi δ giảm theo độ sâu gần theo tỷ lệ z-1,2, giá trị tuyệt đối hệ số biến đổi thể hình 5.8 Hình 5.8 Mối hệ hệ số biến đổi độ rọi δ độ sâu trạm khác Thái 96 Bình Dương Trong số thực nghiệm, đường cong δ(z) có vài cực đại trung gian, cực đại độ sâu nhỏ liên quan tới biến đổi theo độ sâu tương quan xạ trực tiếp ánh sáng tán xạ, cực đại khác liên quan tới tác dụng sóng dài ngẫu nhiên Để mô tả biến động trường ánh sáng ngầm từ đầu cần đến hàm ngẫu nhiên, toàn mặt biển coi tập hợp vi mặt phẳng, định hướng ngẫu nhiên Do định hướng vi mặt phẳng thay đổi theo thời gian trường ánh sáng tạo chùm tia qua vi mặt phẳng biến đổi theo thời gian – số lượng N vi mặt phẳng số ngẫu nhiên tạo nên độ rọi tăng theo tỷ lệ z2 coi số phẳng độc lập hệ số biến động δ ~ = z −1 , điều dùng để giải N thích mối liên hệ z-1,2 quan sát thực nghiệm 5.8 ĐỘ CHÓI CỦA TRƯỜNG ÁNH SÁNG TRONG BIỂN 5.8.1 Phân vùng trường độ chói biển Độ chói trường ánh sáng biển phụ thuộc vào yếu tố sau : + Điều kiện chiếu sáng biển + Sự lan truyền ánh sáng qua bề mặt sóng + Sự lan truyền ánh sáng môi trường tán xạ hấp thụ – môi trường biển Các yếu tố thứ xác định độ bị che phủ mặt trời, mặt trời khơng bị che phủ xác định độ cao mặt trời h⊕ Các yếu tố thứ hai – khúc xạ chùm tia tới bề mặt sóng Các yếu tố thứ ba – tượng tán xạ hấp thụ có chọn lọc nhiều lần Cấu trúc trường ánh sáng biến độ liên tục theo độ sâu Bỏ qua xung động coi độ chói phụ thuộc vào độ sâu hướng (θ, ϕ) (θ,ϕ - góc thiên đỉnh góc hướng phương vị) Ta xem xét việc xây dựng hàm B (z,θ, ϕ) Các quan trắc cho thấy đặc điểm cấu trúc hàm số (trong điều kiện đặc trưng) chia làm vùng : Vùng bề mặt Vùng trung gian 97 Vùng sâu Vùng thứ I nằm gần độ sâu nhỏ Zb (Zb – độ sâu nhìn thấy đĩa trắng) Vùng thứ ba III độ sâu lớn 4.Zb Vùng thứ hai II trung gian vùng I III Trên hình vẽ 5.9 thể tranh đặc trưng xạ mặt trời nước biển đồng vùng góc 15 – 150o, độ sâu 5m Trong vùng bề mặt (đến độ sâu khoảng 40m trạm khảo sát trên) xuất xạ mặt trời trực tiếp Trong vùng trung gian xạ mặt trời bị tán xạ phổ độ chói cịn bị kéo dài phía mặt trời giá trị độ chói phụ thuộc góc thiên đỉnh góc phương vị Khi độ sâu tăng lên, hướng cực đại độ chói dịch chuyển hướng thiên đỉnh đạt đến độ đối xứng theo chiều thẳng đứng đặc trưng vùng thứ III, độ sâu vùng thứ III trạm khảo sát vào khoảng 170m, dạng phổ độ chói khơng cịn biến đổi theo độ sâu, độ lớn theo hướng giảm theo quy luật hàm mũ exp (- αooz) với α00 hệ số suy giảm theo độ sâu 98 Hình 5.9 Phân bố độ chói B(θ) ánh sáng mặt trời độ sâu khác Trong vùng bề mặt, độ chói có nhiều biến động, hệ số suy giảm phụ thuộc vào góc tới xạ mặt trời tắt dần (độ sâu vùng đến 100 – 110m) Độ phân cực ánh sáng phụ thuộc vào tượng bề mặt phụ thuộc vào tính chất tán xạ mơi trường, vùng phổ xạ liên tục bị thu hẹp Hệ số suy giảm thẳng đứng tiến gần tới giá trị hệ số vùng sâu Trong vùng III biến động độ chói khơng, thay đổi độ chói, độ rọi liên quan đến thay đổi độ chiếu sáng bề mặt biển (ảnh hưởng mây, độ chiếu sáng ngày mặt trời ) Sự phân bố góc độ chói vùng nước sâu mang thơng tin tính chất đặc trưng mơi trường, khơng có thơng tin điều kiện chiếu sáng Sự phân tích ánh sáng vùng nước sâu phụ thuộc vào đặc trưng sơ cấp môi trường mà không phụ thuộc vào điều kiện chiếu sáng Phổ xạ hẹp có vùng ánh sáng xanh – xanh lục 5.8.2 Vùng bề mặt - vùng Snell Các đặc điểm cấu trúc trường độ chói lớn bề mặt biển xác định dễ dàng cần hạn chế quan trắc điều kiện thời tiết tốt Trên hình 5.10 thể phân bố độ chói độ sâu 1.75m, quan trắc thực bầu trời trong, biển lặng, góc khúc xạ mặt trời 22o Phân bố độ chói ánh sáng hướng lên thể phần đường cong hình 5.10 Độ chói biến đổi hướng ngang ngược với hướng mặt trời (90o) qua thiên đỉnh (180o) tới hướng xuôi mặt trời (90o) Cực tiểu độ chói nằm điểm ngược sáng mặt trời 99 Hình 5.10 Phân bố độ chói B(θ) ánh sáng mặt trời độ sâu nhỏ Nghiên cứu trường độ chói, tượng phân cực trường hợp thú vị chế độ nước sâu, đặc trưng khơng phục thuộc vào điều kiệnchiếu sáng, mang thơng tin tính chất mơi trường Hiện tượng phân cực ánh sáng biển xuất dòng xạ mặt trời bị khúc xạ bề mặt ánh sáng từ bầu trời phân cực tượng tán xạ Bức tranh đầy đủ phân bố không gian tượng phân cực ánh sáng song song p biển V.A.Timopheva đưa nghiên cứu dung dịch sữa (bên trái) nước biển Đen (bên phải), số liệu thu liên quan tới mặt phẳng đứng khác xác định góc phương vị ϕ Hình 5.10 Phân bố không gian độ phân cực ánh sáng mặt trời Trong mặt phẳng qua chùm tia tới (ϕ = 0) có điểm trung hồ tương đương với tranh phân cực bầu trời nghiên cứu kỹ (các điểm trung hoà ký hiệu : 4) Ta thấy khơng có vịng trịn đối xứng xung quanh hướng mặt trời Bức tranh khẳng định số liệu đo đạc ρ(θ) độ sâu z vùng biển khác 5.9 MÀU CỦA BIỂN Ta thấy màu biển khác hồn tồn khơng giống Hiện tượng dẫn tới ý định sử dụng màu khả kiến nước biển đặc trưng hải dương Để xác định màu biển, cuối kỷ trước có bảng đặc biệt so màu (Forel - Uha) – tập hợp ống nghiệm chứa nước màu Xác định màu biển cách quan sát chọn ống nghiệm chứa dung dịch có màu gần với màu biển Màu biển ký hiệu số liệu tương ứng ống nghiệm Màu khả biến biển thay đổi từ vùng tới vùng khác mà phụ 100 thuộc vào điều kiện chiếu sáng góc quan trắc Điều làm phức tạp thêm ý định chọn lựa số mầu cho vùng nước khác giản đơn việc quan trắc màu biển nên sử dụng rộng rãi đặc trưng hải dương học Để giảm thiểu ảnh hưởng góc quan trắc điều kiện khí tượng thuỷ văn, phương pháp quan trắc chuẩn hố Như biết tơng màu nhận cách trộn theo tỷ lệ khác màu đỏ cờ –xanh lục – xanh tím (RGB) Chùm tia sáng vào mắt gây tế bào cảm quang mắt phản ứng phụ thuộc vào thành phần phổ chùm tia sáng tới Nếu loại bỏ dạng điều kiện dị thường (TD : kích thích nhỏ vật v.v ) cảm giác màu mắt người đánh giá cách định lượng toạ độ màu xạ x, y, z Các tọa độ xác định theo công thức x= X Y Z ; ; y= ; z= X+Y+Z X+Y+Z X+Y+Z (5.27) Các đại lượng X, Y, Z tính qua mật độ phổ dịng xạ E (λ), tới mắt người quan sát theo công thức : λ2 X = ∫ E(λ ) x (λ ) dλ λ1 λ2 Y = ∫ E(λ ) y(λ ) dλ λ1 λ2 Z = ∫ E(λ) z (λ) dλ λ1 Với : x (λ), y(λ ), z (λ) – toạ độ riêng màu Giới hạn tích phân λ1 λ2 biên giới ánh sáng khả kiến 380 780nm Do x + y + z = nên để xác định vị trí màu cần biết toạ độ (TD : x y) Tính toạ độ x y xạ đơn sắc khả kiến đặt từ 380 đến 780nm mặt phẳng (x,y), chúng tạo thành đường cong gọi giản độ màu Nếu ta nối điểm cận cuối phổ tím đỏ, nhận hình khép kín chứa đựng tập hợp tất màu thực 101 Bên cạnh phương pháp xác định toạ độ x y, có phương pháp khác xác định màu, dựa quan niệm ánh sáng trắng: coi màu pha trộn màu trắng tạo nên tập hợp ba màu E (λ) = const, toạ độ (x = y = z = 1/3) Trên giản đồ màu thể điểm S (x = y = 1/3) Hình 5.11 Giản đồ màu Vị trí điểm Q mặt phẳng xác định điểm A, giao điểm màu trắng S xạ đơn sắc điểm Q trùng với điểm A Trong trường hợp P = 100% Lý thuyết màu sắc: Khi biết thành phần phổ xạ đo từ biển, sử dụng hệ thống đo màu X, Y, Z ta xác định toạ độ (x,y), màu xạ độ chuẩn màu P Độ chói tổng hợp biển : tổng độ chói ánh sáng phản xạ Br ánh sáng tán xạ nước biển Bd B = Br + Bd (5.28) Tỷ lệ độ chói Br Bd phụ thuộc vào góc quan trắc (θ,ϕ), độ cao mặt trời điều kiện khí tượng Hệ số tán xạ hấp thụ ánh sáng nước biển biến đổi phụ thuộc vào yếu tố TD: quan trắc thẳng từ cao xuống, biển có màu xanh giảm thành phần phản xạ (trắng), tăng phần ánh sáng từ biển (xanh), góc quan sát nhỏ phần ánh sáng phản xạ chiếm ưu so với phần ánh sáng từ biển, màu biển nhạt lẫn vào màu bầu trời, sóng bề mặt làm giảm thành phần ánh sáng phản xạ Sự biến đổi màu biển đại dương khác gây biến đổi thành phần phổ chùm tia từ biển Hệ số chói lớn nước biển xác định biểu thức 102 ρ(λ ) = σ (180 o ) 2χ (5.29) Như vậy, hệ số chói ρ(λ) vùng phụ thuộc vào tính chất quang học riêng nước χ σ (180o) Trong vùng bước sóng ngắn đường cong vùng khác nhau, khác ảnh hưởng hệ số hấp thụ điều dẫn tới khác màu biển Trong thời tiết nhiều mây, xạ từ biển nhỏ so với ánh sáng phản xạ tới từ đám mây biển có màu xám 103 ... thức (5 . 4) cho dịng xạ dạng nón nghĩa có độ chói B(l) = B( 0) e-el = B( 0) T = B( 0) e-τ Với: (5 . 5) B( 0) - độ chói chùm tia tới; B(l) - độ chói chùm tia sau qua quãng đường l Công thức (5 . 3) (5 . 4). .. ( ? ?) 2π π π 0 ? ?( γ ) dω = ∫ dϕ ∫ ? ?( γ ) sin( γ )dγ = π∫ ? ?( γ ) sin( γ )dγ (5 . 7) Công thức (5 . 7) thiết lập mối quan hệ hệ số σ σ (? ?), biểu diễn mối quan hệ dạng sau: 78 ∫ 4π ( ? ?) ? ?( γ ) dω π? ?(. .. = 50 0nm coi tương ứng với mơ hình lý thuyết Trong điều kiện đồng từ công thức (5 . 2) dòng xạ Φ (l) qua lớp có độ dày l ta có : Φ(l) = ? ?(0 ) e-el = ? ?(0 ) T = ? ?(0 ) e-τ (5 . 4) Trong cơng thức (5 .4)