Vật lý đại dương ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 7 pot

6 Попов Н И., Федоров К Н., Орлов В М Морская вода М., Наука, 1979 327 с Сочельников В В Основы теории естественного электромагнитного поля в море Л., Гидрометеоиздат, 1979 215 с Шулейкин В В Физика моря Глава 10 М., Наука, 1968 Ch−¬ng Lewis E D The practical Salinity Scale 1978 and its Antecedents UNESCO technical papers in marine science, 37, UNESCO, 1981 р 13-18 Quang học đại dơng 7.1 Các định nghĩa Câu hỏi tự kiểm tra Bạn biết đặc trng điện từ vĩ mô no nớc biển v ảnh hởng tới chúng? Các tính chất điện từ vĩ mô nớc v băng khác nh no? Do đâu có từ trờng Trái Đất v đợc đặc trng gì? Sự biến ®éng kh«ng gian vμ thêi gian cđa tõ tr−êng ®ã nh no? HÃy phân loại trờng điện từ đại dơng theo nguồn gốc Bản chất trờng địa điện từ đại dơng l gì? Thùc chÊt cđa lý thut vỊ tr−êng nμy lμ g×? HÃy trình by lý thuyết điện từ trờng phát sinh sóng biển hai chiều Các đặc trng tr−êng nμy liªn quan víi sãng biĨn nh− thÕ nμo? Thực chất lý thuyết điện từ trờng phát sinh dòng chảy l gì? Các đặc trng trờng ny biến đổi không gian nh no? Các trờng điện từ nguồn gốc động lực học v nguồn gốc địa khác nh no? T liệu trờng điện từ đại dơng đợc sử dụng hải dơng học nh no? 319 Quang học đại dơng l phận vật lý đại dơng v mô tả lan truyền v biến tính ánh sáng đại dơng mức độ no l nối tiếp phần tợng điện từ đại dơng, từ quan điểm sóng ánh sáng l trờng điện từ đặc biệt Các dòng tia sáng với bớc sóng dới 380 nm gọi l dòng cực tím Mắt ngời phân biệt đợc dòng tia khu vực 380760 nm v chúng đợc gọi l ánh sáng nhìn thấy, dòng tia ngoi 760 nm đợc gọi l dòng hồng ngoại Trong quang học đại dơng xem xét dải ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím v hồng ngoại bị hấp thụ rÊt nhanh vμ thùc tÕ kh«ng lan trun n−íc ¸nh s¸ng ë c¸c vïng b−íc sãng kh¸c biĨu dới dạng mu định: từ 370 đến 435 nm ánh sáng có mu tím, đến 480 nm − chμm, ®Õn 560 nm − lơc, ®Õn 610 − vμng, ®Õn 730 − da cam vμ cuèi cùng, đến 760 nm đỏ Các ranh giới mu l tơng đối, từ mu ny chuyển sang mu khác l từ từ Sự hòa trộn sãng ¸nh s¸ng kh¸c nhau, 320 tøc c¸c mμu víi nhau, phạm vi dải phổ nhìn thấy dẫn tới tạo thnh mu trắng thông thờng Các tính chất quang học nớc biển biến đổi chậm v l thông tin bổ sung xác định khối nớc Về phơng diện lợng dải sóng nhìn thấy tập trung phần lớn xạ Mặt Trời Nó xâm nhập vo đại dơng, tạo nên tính đặc thù phân tầng nhiệt lớp bên đại dơng Những đặc điểm hấp thụ v tán xạ ánh sáng nớc dẫn tới lm thay đổi phổ ánh sáng với độ sâu cần tính đến truyền hình v chụp ảnh dới nớc Nhiều phơng pháp viễn thám thu nhận thông tin trạng thái đại dơng dựa quan trắc ánh sáng phản xạ từ bề mặt đại dơng v ánh sáng tán xạ từ nớc lên Dựa theo suy yếu dòng ánh sáng qua thể tích nớc no ngời ta có khái niệm diện tạp chất nớc, điều ny đợc dùng địa chất v sinh học đại dơng C¸c øng dơng nμy vμ nhiỊu øng dơng kh¸c cđa quang học đại dơng đà dẫn tới phải nghiên cứu mạnh tính chất quang học nớc biển v lan truyền ánh sáng từ nguồn tự nhiên v nhân tạo đại dơng Trong nghiên cứu quang học đại dơng ngời ta phân chia tối thiểu thnh hai phần: tính chất quang học nớc biển v trờng ánh sáng đại dơng Phần thứ gồm tính chất nớc biển không phụ thuộc trực tiếp vo ánh sáng tự nhiên Đó l hấp thụ v tán xạ ánh sáng, phát quang chất hòa tan v lơ lửng Trờng ánh sáng đại dơng không phụ thuộc vo tính chất quang học nớc, m vo độ chiếu sáng bên ngoi Những định nghĩa đặc trng ánh sáng phần ny thờng dựa luận điểm quang học sóng Trong 321 cờng độ ánh sáng I đợc hiểu l mô đun giá trị mật độ dòng lợng lấy trung b×nh theo thêi gian Nã tû lƯ thn víi bình phơng mô đun vectơ cờng độ điện v tồn ton dải sóng điện từ Nếu tách dải quang học ngời ta chấp nhận canđen (cd) l đơn vị đo I Ngời ta xem ánh sáng từ cm2 bạch kim kết tinh nhiệt độ 2042 K 60 cd (nến) Đờng m dọc theo lợng ánh sáng lan truyền đợc gọi l tia Trong môi trờng đồng v đẳng hớng ánh sáng từ nguồn điểm lan truyền tỏa tia hình cầu Khi thông lợng ánh sáng đợc hiểu l giá trị dòng ánh sáng góc lập thể , tức Φ =  Idω (7.1) Ω NÕu I = cd, góc = sr, thông lợng ánh sáng lumen (1 lm = cd.1 sr) Thông lợng ánh sáng lm v tới bề mặt diện tích m tạo ®é räi E b»ng lux (1 lx = lm/1 m2), tøc E= dΦ IdΩ = d d (7.2) Mức độ đợc chiếu sáng bề mặt đợc đặc trng độ sáng B Nó ®−ỵc ®o b»ng sè can®en (nÕn) ®i tíi m2 Nếu từ m2 bề mặt hớng pháp tuyến với mặt m cờng độ ánh sáng cd, độ sáng nit (1 nt = cd/m2) B= dI d (7.3) Các đặc trng quang học khác đợc dẫn mục tơng ứng chơng ny 322 biệt nhanh bớc sóng khoảng 560 nm v tới đoạn cuối phổ nhìn thấy tăng lên đến m1 7.2 Sự hÊp thơ ¸nh s¸ng n−íc biĨn Sù hÊp thơ ¸nh s¸ng bëi c¸c ph©n tư n−íc, c¸c ion mi, khí hòa tan v tạp chất nớc khu vực phổ khác diễn với cờng độ khác Điều ny vừa phụ thuộc vo tÝnh chÊt cđa chÊt hÊp thơ, võa phơ thc vμo tính chất photon Trong nớc gồm tập hợp phân tử liên hệ qua lại với nhau, phổ hấp thụ l phổ liên tục Trong quang học đại dơng ngời ta thờng không sử dụng cách mô tả điện từ ánh sáng, m cách mô tả trắc mu, theo ánh sáng đợc quan niệm nh dòng chất thể liên tục no đó, có khả hấp thụ v tán xạ khác c¸c vïng phỉ kh¸c PhÐp xÊp xØ nh− vËy lμm cho viƯc xem xÐt nh÷ng tÝnh chÊt quan träng hải dơng học ánh sáng đợc dễ dng, l lm rõ đợc chất vật lý tính chất ®ã Khi xÐt sù hÊp thơ ¸nh s¸ng cho r»ng dòng ánh sáng thẳng khu vực phổ nhỏ qua khoảng cách dl nớc bị hấp thụ nên suy yếu lợng d λ , tøc dΦ λ = − χ λ dl Φλ Trong n−íc biĨn tinh khiÕt kh¸c víi n−íc tinh khiết hóa học có mặt muối vô hòa tan, hấp thụ ánh sáng ion mi diƠn chđ u ë phÇn phỉ cùc tím Theo liệu công trình [3] λ = 250 nm χ λ ≈ 0,64 m−1 vμ ®èi víi λ = 300 nm χ λ ≈ 0,14 m1, tức hấp thụ diễn mạnh phía giảm bớc sóng Tuy nhiên liệu quan trắc phần phổ ny ít, thông tin ny có tính chất định hớng Trong nớc biển tự nhiên chất hữu hòa tan v hạt lơ lửng ảnh hởng mạnh tới hấp thụ Chất hữu hòa tan gồm axit amin, axit béo, hợp chất clo nhuốm mu, đờng amin, hydro cacbonat, phenol v nhiều hợp phần khác Thnh phần hóa học xác chất hữu hòa tan đợc biết Có thể thnh phần chất hữu hòa tan khác nên số liệu ớc lợng khác Nhờ kết tổng kết liệu quan trắc đà xác lập đợc số hấp thụ chất hữu hòa tan biÕn ®ỉi theo quy lt χ p (λ ) ≈ χ i e − μ ( λ −λ0 ) , (7.4) Hệ số đợc gọi l số hấp thụ Giá trị thay đổi đáng kể khu vực phổ khác Trong nớc tinh khiÕt, tøc chÊt n−íc tinh khiÕt hãa häc, th× chØ số hấp thụ có giá trị bé vùng phỉ tõ 400 ®Õn 500 nm, cùc tiĨu b»ng ⋅ 10 −3 m−1 ë gÇn 460 nm VỊ phÝa phần phổ cực tím tăng lên v tăng nhanh bớc sóng giảm Kể từ khu vùc cùc tiĨu chØ sè hÊp thơ ¸nh s¸ng tăng phía sóng di Nó tăng đặc 323 (7.5) số phụ thuộc vo nồng độ chất hữu hòa tan Cho vùng nớc nghèo chất dinh dỡng hμm l−ỵng tỉng céng chlorophyll ë líp 100 mÐt phÝa không vợt 0,02 g/m2 = 0,015 nm1 vùng nớc chất dinh dỡng vừa phải víi hμm l−ỵng chlorophyll 0,02−0,04 g/m2 chÊp nhËn μ = 0,012 nm−1 ë c¸c vïng n−íc phó d−ìng cã h¬n 0,04 g/m2 chlorophyll tham sè μ = 0,015 nm1 Tại = 390 324 nm giá trị số hấp thụ ánh sáng loại nớc biến đổi từ giá trị cì 10 −3 m−1 ë n−íc nghÌo d−ìng ®Õn lín 10 m1 nớc phú dỡng đới ven bờ với suất sinh học cao tăng lên đến 0,60,8 m1 chlorophyll chi phối [3] Vì số hấp thụ phụ thuộc vo nồng độ chất, với t cách số hấp thụ ngời ta dùng giá trị hấp thụ riêng có thứ nguyên m2/mg Theo liƯu ′ thùc nghiƯm χ λ cđa thùc vËt phï du vùng cực đại Các liệu ®· dÉn chøng tá r»ng χ phô thuéc vμo nång độ phần phổ nhìn thấy khoảng 0,1 m2/mg Vì vùng nớc đại dơng nghèo v vừa dỡng chất nồng độ chlorophyll 0,090,35 mg/m3, nên giá trị tuyệt đối số hấp thụ ánh sáng thực vật phù du không vợt 0,03 m1 chất hữu hòa tan v vo bớc sóng Khi nồng độ chất hữu hòa tan tăng số hấp thụ tăng v bớc sóng tăng số hấp thụ giảm Hiện cha xác lập đợc mối phụ thuộc xác vo đặc trng ny v công thức (7.5) cho giá trị xấp xỉ số hấp thụ chất hữu hòa tan Chất hữu tách từ nớc có mu vng nhạt, m ngời ta thờng gọi l chất mu vng, không đồng chất mu vng với chất hữu Cho tất chất hữu hòa tan có mu vng Chất lơ lửng nớc biển đa dạng thnh phần v nguồn gốc Đó l thực vật phù du, vi khuẩn, sản phẩm phân hủy mô, hạt lục nguyên Tất chúng khác kích thớc, hình dạng v chúng hấp thụ ánh sáng khác Nồng độ chất lơ lửng trung bình lớp mặt vùng khơi đại dơng nằm phạm vi 0,050,5 mg/l, nhng vùng ven bờ đại dơng v biển tăng lên 10100 lần Sự khác biệt tính chất quang học chất lơ lửng cha cho phép xác định xác quy lt hÊp thơ ¸nh s¸ng bëi c¸c chÊt nμy Theo d÷ liƯu thùc nghiƯm suy r»ng chÊt thĨ hấp thụ l thực vật phù du Trong phỉ hÊp thơ cđa nã cã mét sè ®iĨm cùc đại vùng phổ cực tím v nhìn thấy: vùng 265, 290 v 340 nm chất đạm v mỡ chi phối, bớc sóng 485 nm − c¸c chÊt nhuèm mμu vμng cam chi phối, cực đại 430, 585, 620 v 680 nm − 325 Theo d÷ liƯu thùc nghiƯm ®èi víi vïng n−íc nghÌo, võa vμ giμu d−ìng chÊt hấp thụ tổng cộng dải 390 nm chất chứa nớc biển đợc ớc lợng b»ng c¸c chØ sè hÊp thơ χ λ nh− sau: 0,032, 0,047 v 0,19 m1 Các trị số xấp xỉ dải phổ khác tính theo công thức (7.5) Hình 7.1 Chỉ số hÊp thơ cđa c¸c chÊt n−íc biĨn [3]: nớc biển, chất hữu hòa tan, − chÊt nhuèm mμu cña thùc vËt phï du, nớc tinh khiết Nồng độ chất lơ lửng 0,3 mg/m3 Đặc điểm biến thiên số hấp thụ ánh sáng tùy thuộc vo bớc sóng đợc hình 7.1 326 Giá trị số hấp thụ ánh sáng phụ thuộc mạnh vo lợng tạp chất chứa nớc biển Vì đại dơng v biển khác nhau, độ sâu khác v khoảng cách từ bờ khác giá trị biến đổi đáng Sự phụ thuộc mạnh số suy yếu ánh sáng vo nồng độ chất hữu hòa tan vμ chÊt l¬ lưng dÉn tíi sù suy u ánh sáng biến đổi đại dơng theo không gian vμ thêi gian Trong thêi kú ph¸t triĨn c¸c trình sinh học tăng kể Tuy nhiên, dù có khác biệt nh no nhận nét chung l biến đổi phơ thc vμo b−íc sãng ë vïng phỉ sãng dμi, loại nớc khác thực tế lên Nó phụ thuộc vo phân bố tạp chất phơng thẳng đứng (hình 7.2), theo giá trị xác định nồng l nh hấp thụ ánh sáng nớc tinh khiết áp đảo so với hÊp thơ bëi c¸c chÊt kh¸c ë vïng phỉ sãng ngắn hấp thụ ánh sáng chất hữu hòa tan v chất lơ lửng áp đảo so với hấp thụ nớc Vì nồng độ chất hữu hòa tan v chất lơ lửng loại nớc khác nên giá trị chúng biến đổi mạnh Trong nớc tinh khiết cực trị hÊp thơ ¸nh s¸ng n»m ë vïng λ ∼470 nm Tuy nhiên, chỗ giảm giá trị lý tạp chất nớc biển chi phối từ vùng sóng ngắn đến vùng sóng di diễn gần nh với cờng độ nồng độ tạp chất tăng vùng cực tiểu dịch phía sóng di, giá trị cực tiểu tăng lên Hình 7.2 Biến thiên theo độ sâu số hấp thô (1 − 390 nm vμ − 430 nm) v tán xạ ánh sáng (3) vùng nớc sờn lục địa gần Pêru [3] 327 độ chất hữu hòa tan v chất lơ lửng 7.3 Sự tán xạ ánh sáng nớc biển Nh đà nhận xÐt ë mơc 7.2, n−íc biĨn lμ vËt thĨ vËt lý phức tạp, phận cấu thnh khác v bất đồng mặt quang học Thậm chí nớc biển tinh khiết không chứa tạp chất hòa tan v lơ lửng, ion mi kh¸c biƯt vỊ kÝch th−íc vμ c¸c tÝnh chÊt quang học so với phân tử nớc gây nên tán xạ ánh sáng Các tạp chất lm rối loạn đáng kể tính đồng quang học nớc biển cng dẫn tới tán xạ ánh sáng mạnh Hơn chất lơ lửng thờng có hình dạng phức tạp v tán xạ ánh sáng theo kiểu khác hớng khác Tất ®iỊu nμy lμm cho rÊt khã x©y dùng mét lý thuyết đầy đủ tán xạ ánh sáng nớc biển tự nhiên Tuy nhiên, quy luật tán xạ đà đợc luận chứng v tổng quan lý thuyết đà đợc trình by sách [3] Khi lý giải tán xạ theo quan điểm sóng ngời ta cho sóng ánh sáng điện từ gây nên phần tử chất phát xạ điện từ Sự phát xạ đợc biểu tất hớng v mức độ phát xạ suy yếu dần với khoảng cách kể từ phần tử 328 tán xạ đợc mô tả số tán xạ Trên hớng khác so với tia ánh sáng tới tán xạ l khác Vì số tán xạ tổng cộng đợc xác định theo công thức = ( )d , (7.6) γ − gãc tÝnh tõ ®−êng kÐo dμi cđa tia tới Sự bất đồng tán xạ ánh sáng chủ yếu diễn mặt phẳng qua đờng thẳng đứng v tia tới, hớng vuông góc với mặt phẳng tán xạ gần nh Điều ny cho phép biến đổi công thức (7.6) tíi d¹ng 2π π  π 0  π β λ = 2π  σ λ (γ ) sin d Những khái niệm ny quan trọng ứng dụng thực tế quang học để xác định chất lơ lửng nớc v phơng pháp đo đạc từ xa Chỉ số tán xạ v indicatrice phụ thuộc vo bất đồng cấu trúc nớc, dạng v kích thớc chất tán xạ, bớc sóng ánh sáng tới Relay (năm 1871) đà tán xạ ánh sáng phân tử chất đơn lẻ, tác động nh máy phát dao động điện từ nguyên tố, tỷ lệ nghịch với lịy thõa bËc cđa b−íc sãng ¸nh s¸ng tíi Khi indicatrice có dạng =   σ λ (γ ) sin λdγ dϕ = 2π  σ λ (γ ) sin λdγ   (7.7) X (γ ) = + cos Thông thờng thay giá trị tuyệt đối ( ) ngời ta sử dụng đại lợng tơng đối X ( ) = ( ) , (7.8) gọi l indicatrice tán xạ Trong trờng hợp ny công thức (7.7) viết lại dới d¹ng σλ = 1π X λ (γ ) sin γdγ (7.9) Trong tán xạ chung ngời ta phân chia tán xạ phía trớc π /2 δ λ = 2π  σ λ (γ ) sin d (7.10) v tán xạ phía sau 329 (7.11) /2 Sự tán xạ ánh sáng tÝnh bÊt ®ång nhÊt quang häc cđa chÊt có thăng giáng mật độ chất đợc trình bμy lý thut thèng kª cđa Smolukhovsky vμ Einstein Theo thut nμy t¹i mét khu vùc cơc bé nhá mật độ bất bất đồng v môi trờng sÏ cã sù biÕn ®ỉi ®é ®iƯn thÈm Δε so với giá trị trung bình Nếu cho tán xạ ánh sáng khu vực v diễn nh máy phát dao động điện từ lý thut cđa Relay, th× σ λ (γ ) ≈ π v Δε (1 + cos γ ) 2λ ε (7.12) Sù phô thuộc số tán xạ vo bớc sóng v indicatrice tán xạ công thức ny giống nh theo Relay, nhng có tính thêm ảnh hởng độ điện thẩm Đợc biết độ điện thẩm phụ thuộc vo nhiệt độ, độ muối v áp suất Biến thiên nhiệt độ 330 n−íc tõ tíi 40oC t¹i S = 35 %o v P = gPa lm tăng lên khoảng 10 % Tăng độ muối từ tới 40 %o t¹i T = C vμ P = gPa lm tăng lên khoảng 35 %, tăng áp suất từ tới 103 gPa t¹i T = oC vμ S = 35 %o lμm gi¶m σ λ tíi 15 % o Nh−ng nãi chung tán xạ ánh sáng thăng giáng mật độ l bé so với tán xạ chất lơ lửng Do phần tử chất lơ lửng nớc có hình dạng khác v số khúc xạ khác nên cha có lý thuyết xác tán xạ ánh sáng phần tử Để cho đơn giản, vật lơ lửng đợc quan niệm nh l phần tử đồng hình cầu (các hình cầu tơng đơng) Nếu sóng điện từ ánh sáng chiếu tới phần tử nh xuất khúc xạ phụ thuộc vo tham sè khóc x¹ d = 2π a / λ v số khúc xạ tơng đối chất tạo nên phần tử m = mi / m a bán kính phần tử, mi v m0 l số khúc xạ phøc cđa phÇn tư vμ cđa n−íc m = n − iκ , ®ã n − chØ sè khóc xạ ánh sáng, số hấp thụ ánh sáng liên quan với số hấp thụ qua quan hÖ χ λ = 4πκ / λ Các biểu thức sóng điện v từ m hình cầu phát tác động điện từ bên ngoi đợc tìm nhờ giải phơng trình cầu Maxwell, dạng đơn giản đà dẫn chơng Kết giải đợc biểu diễn dới dạng chuỗi hội tụ chậm v tính toán theo chúng phải thực số [6] Khi xem phần tử chất lơ lửng phân bố vô trật tù n−íc biĨn vμ tõng phÇn tư cã thĨ xem nh vật tán xạ ánh sáng 331 độc lập Vì cờng độ ánh sáng thể tích nớc nguyên tố đợc chấp nhận tổng cờng độ tán xạ từ tất phần tử thể tích Do tính chất phân bố sóng tán xạ ngẫu nhiên thời gian v không gian nên tổng cộng chúng triệt tiêu hiệu ứng giao thoa Nếu xét tán xạ phần tử riêng lẻ d 0,006 20 LH MH Hình 7.3 Các indicatrice tán xạ tÝch ph©n chuÈn hãa theo σ λ (90o) [3] 1, 2, − biÓn Tiren; 1′ , 2′ , 3′ Bắc Hải; 1, = 456 nm; 2, 2′ − λ = 436 nm; 3, 3′ − = 366 nm HH Tán xạ phía trớc liên quan với giá trị (1 ) , tán xạ bên liên quan với giá trị (45 ) Sự phân loại tơng ứng với điều kiện hải dơng học định Kiểu MM đặc 333 Đặc điểm indicatrice tán xạ l độ dÃn di chúng giảm bớc sóng ánh sáng giảm (xem hình 7.3) Đó l tán xạ tăng lên giảm nh ®· nhËn xÐt vμ ®ã ®ång thêi sù t¸n xạ dới góc lớn tăng lên Nh số tán xạ thay đổi phạm vi rộng Giá trị nhỏ (546 nm ) = 0,022 m1 đo đợc 334 vùng nớc suốt Thái Bình Dơng Con số nμy mét bËc lín h¬n so víi ë n−íc biĨn tinh khiÕt ( σ λ = 0,002 m−1), bëi v× chí nớc đại dơng suốt phần đóng góp tán xạ phân tử vo độ lớn chung không vợt 10 % Các giá trị lớn 2,7 3,3 m1 đo đợc vùng nớc ven bờ gần bờ Pêru Tại vùng nớc nông có trầm tích đáy bị vẩn đục lớn Ta có đợc khái niệm no số tán xạ chung sử dụng công thức gần biểu diễn indicatrice tán xạ: m lg σ =  bi lg σ (γ i ) + a , (7.13) nêm mật độ vùng hình thnh nên lớp giá trị thiên cao (đờng cong 2) Với hm lợng lơ lửng thiên cao lớp biển bên nêm mật độ giá trị cao quan trắc đợc ton lớp từ mặt nêm mật độ v phía dới lớp giảm ®ét ngét (®−êng cong 3) Víi cÊu tróc mËt ®é nớc theo chiều thẳng đứng có nhiều lớp v phân bố lơ lửng tơng ứng gặp thấy kiểu trắc diện với số điểm cực trị (đờng cong 4) Nh vậy, theo đặc điểm phân tầng mật độ nớc suy xét trắc diện thẳng đứng số tán xạ ánh sáng i =1 c«ng thøc nμy sư dơng hai gãc (1o vμ 45o) víi c¸c hƯ sè b1 = 0,658, b2 = 0,449 vμ a = −0,47 cho phÐp x¸c định với sai số tơng đối 15 % Nếu biết nồng độ tơng đối chất lơ lửng kÝch th−íc bÐ v1 vμ kÝch th−íc lín v công thức để xác định xác Trong trờng hợp ny ( ) = σ (γ ) + σ (γ )v1 + σ (γ )v , (7.14) ®ã σ , σ vμ σ − tuÇn tù số tán xạ nớc biển tinh khiết, chÊt l¬ lưng bÐ vμ chÊt l¬ lưng lín Bëi ảnh hởng chủ yếu tới tán xạ ánh sáng đại dơng l chất lơ lửng, nên trung bình giảm theo độ sâu Các quan trắc cho thấy phân chia số trắc diện thẳng đứng điển hình (hình 7.4) Giảm đơn điệu theo độ sâu đặc trng cho nớc có hm lợng lơ lửng Hình 7.4 Các kiểu trắc diện thẳng đứng biểu thị đơn vị quy ớc [6] Các ký hiệu quy ớc xem văn nguồn gốc sinh học thấp v nêm mật độ dới sâu (đờng cong 1) Nếu có nồng độ lơ lửng sinh học v lơ lửng khác độ sâu 335 336 yếu chung công thức thực nghiệm 7.4 Sự suy yếu ánh sáng bëi n−íc biĨn Sù suy u ¸nh s¸ng n−íc biển đợc đặc trng số suy yếu ánh s¸ng ε λ lμ tỉng c¸c chØ sè hÊp thơ v tán xạ = + (7.15) ChØ sè nμy phơ thc vμo b−íc sãng, vo kích thớc v chất tạp chất Do hấp thụ ánh sáng chất hữu hòa tan v vật lơ lửng có giá trị cao vùng phổ mu lam Tại dải 400500 nm có cực tiểu giảm sè hÊp thơ Ngoμi ra, cμng nhiỊu t¹p chÊt chøa n−íc th× cùc tiĨu ε λ cμng di ε λ = ε n−íc (λ ) + cχ vμng (λ ) + 550 nm λ σ ll , (7.17) ë nớc số suy yếu ánh sáng bëi n−íc biĨn tinh khiÕt, c , χ vμng − nồng độ v số hấp thụ ánh sáng chất hữu hòa tan (chất mu vng), ll số tán xạ chất lơ lửng = 550 nm chuyển mạnh sang dải 500600 nm Tiếp theo vùng phổ mu đỏ giảm mạnh nên số suy yếu ánh sáng tăng (hình 7.5) Tuy nhiên, tán xạ ánh sáng m trùng hợp số suy yếu ánh sáng loại nớc vo đờng thẳng nh ta thấy phổ số hấp thụ Từ suy kết luận phần đóng góp hấp thụ v tán xạ vo suy yếu chung ánh sáng khác vùng phổ khác Sự hấp thụ ảnh hởng chủ yếu bớc sóng nhỏ 510530 nm Phần đóng góp tán xạ đợc biểu diễn tham số , có tên l xác suất sống photon, l tán xạ riêng = / (7.16) Trong nớc đại dơng giá trị vùng phổ lam lục khoảng 0,8 v giảm đến 0,25 vùng phổ đỏ Trong nớc tinh khiết giảm chút ít, vùng nớc ven bờ tăng có chất lơ lửng Liên quan tới đà trình by đây, ngời ta đề xuất mô tả ảnh hởng hấp thụ v tán xạ tới số suy 337 Hình 7.5 Phân bố phổ đặc trng số hấp thụ (1), tán xạ (2) v suy yếu ánh sáng (3) nớc đại dơng ven bờ Với t cách lm ví dụ, hình 7.5 dẫn giá trị đặc trng quang học nớc đại dơng ven bờ [5] Tuy 338 vectơ cờng độ điện so với mặt phẳng tia tới vẽ qua tia tới, tia phản xạ v đờng pháp tuyến tới mặt phân cách môi trờng điểm tới tia sáng Nếu vectơ nằm mặt phẳng tới, r' = tg ( − γ ) tg (γ + γ ) (7.24) sin (γ − γ ) sin (γ + γ ) Hệ số phản xạ ánh sáng tán xạ rr đợc xác định nh l trung bình có tỷ trọng từ rd tất góc tới Thu đợc rr 6,6 % Hệ số phản xạ chung dòng ánh sáng tổng cộng đợc đặc trng công thức (4.23) Sự phản xạ lm suy yếu độ chiếu sáng dới bề mặt E so với ánh sáng tới mặt đại dơng Còn vectơ vuông góc với mặt phẳng tia tới, r' ' = lm giảm v lm giảm rd (7.25) Đây l công thức đà biết Frenel Vì đợc tính theo công thức Snell (7.23), nªn dƠ dμng E λ = E a (1 r ) Để mô tả suy yếu độ chiếu sáng theo độ sâu hấp thụ v tán xạ ánh sáng ngời ta sử dụng t−¬ng quan dE λ / E λ = −α λ dz , E λ ( z ) = E λ e z Bảng 7.3 Các hệ số phản xạ ánh sáng (%) r' r' ' 1,2 0,1 4,7 24,0 3,1 6,7 21,9 45,9 (7.28) số suy yếu thẳng đứng độ chiếu sáng Bởi rd 30 50 70 80 (7.27) từ xác định đợc giá trị r ' v r ' ' tùy theo gãc tíi (b¶ng 7.3) γ1 (7.26) 2,2 3,4 13,3 35,0 hấp thụ v tán xạ ánh sáng thay đổi theo bớc sóng, nên đại lợng phụ thuộc vo bớc sóng (hình 7.12) Đặc điểm chiếu sáng có ảnh hởng tới giá trị , không trùng với Để ớc lợng gần ngời ta cho (1 / 4) , nhng trờng hợp ny đà không ý tới biến thiên độ chiếu sáng Nếu ánh sáng tới không phân cực định hớng vectơ cờng độ điện l ngẫu nhiên v hệ số phản xạ ánh sáng trực xạ r đợc chấp nhận giá trị trung bình r ' vμ r ' ' Trong sãng biÓn rd cã thể khác nhiều so với nh đà dẫn bảng 7.3 Khi góc thiên đỉnh bé sóng biển lm tăng v hệ số phản xạ tăng lên Nếu góc thiên đỉnh lớn, sóng biển 351 Sù phơ thc vμo c¸c tÝnh chÊt quang häc cđa n−íc cịng gièng nh− tr−êng hỵp ε N−íc cμng tinh khiết cng nhỏ Với loại nớc đại dơng tinh khiết quang học (kiểu I) dải bớc sóng 350550 nm giá trị bé , sau 600 nm giá trị vợt trội (xem hình 7.5 v 7.12) Nếu tăng tạp chất nớc biển tăng lên đáng kể tán xạ ánh sáng phần phỉ mμu lam (kiĨu III) vμ bÐ h¬n chót Ýt 352 phần phổ vng đỏ Tuy số phụ thuộc không vo tính chất quang học nớc, m vo độ chiếu sáng, nhng xác định đơn giản v nhanh nên ngời ta sử dụng để phân loại quang học khối nớc đại dơng Để giảm thiểu biến thiên độ chiếu sáng, đo đạc đợc tiến hnh trời quang v góc thiên đỉnh Mặt Trời nhỏ Theo độ lớn v đặc điểm biến thiên với bớc sóng Erlov đà phân chia ba loại nớc đại dơng (xem hình 7.12) v năm loại nớc ven bờ có lớn so với nớc đại dơng Loại I gồm nớc vùng trung tâm ấn Độ Dơng v Thái Bình Dơng, vùng nhiệt đới Đại Tây Dơng; loại II nớc hải lu Guan; loại III nớc vùng nớc trồi California v Pêru Hình 7.12 Đặc ®iĨm phơ thc chØ sè suy u th¼ng ®øng cđa độ chiếu sáng vo bớc sóng v loại nớc quang học [1] Vì có tơng quan cao bớc sóng khác với ( = 500 nm), nên đặc trng mặt quang häc 353 mét khèi n−íc ng−êi ta th−êng sư dơng đại lợng sau cùng, l suy yếu độ chiếu sáng tăng mét độ sâu theo ( λ = 500 nm), tøc T = exp (−α =500 nm m ) (7.29) Đại lợng ny biểu diễn phần trăm đợc gọi l độ suốt Dựa liệu độ suốt cộng tác viên Viện Hải dơng học mang tên Sirshov đà xác lập đợc đặc trng quang học xác khối nớc Đại dơng Thế giới Đơng nhiên độ suốt biến động mạnh khối nớc mặt, nhng khối nớc trung gian thay đổi từ 90 đến 60 % Trong khối nớc sâu ®é suèt thay ®æi tõ 85 ®Õn 60 % Các khối nớc đáy nói chung l đồng mặt quang học, nhng gặp thấy khu vùc víi chØ sè suy u ¸nh s¸ng rÊt cao Sự gia tăng phía cuối dải phổ nhìn thấy dẫn tới chỗ cng xuống sâu phần phổ vng đỏ v lam bị hấp thụ nhanh Trên hình 7.13 cho thấy thay đổi độ chiếu sáng theo độ sâu so sánh với độ chiếu sáng mặt theo liệu quan trắc Thấy từ độ sâu m phần mu đỏ phổ nhìn thấy bị suy yếu không 10 lần, tới độ sâu 25 m phổ chủ yếu lại phần mu chm v lục, đà bị suy yếu gần hai lần Độ chiếu sáng lên E l đặc trng quang học quan trọng trờng ánh sáng đại dơng, nh đà nhận xét, mang thông tin tán xạ ngợc lại, phụ thuộc vo tạp chất đại dơng Trên hình 7.13 cho thấy phổ v giá trị độ chiếu sáng lên Phổ hẹp phổ E 354 dòng ánh sáng bị nớc hấp thụ Ngoi phổ E thay đổi yếu theo độ sâu Độ chiếu sáng lên phần khỏi đại dơng vo khí Tơng tự nh công thức (7.26) có thÓ viÕt ↑ ↑ E a = E (1 rw ) , (7.31) rw hệ số phản xạ ánh sáng lên từ bề mặt đại dơng Nó không r , tia sáng tới bề mặt dới góc lớn góc phản xạ nội ton phần không lên khí Góc ny theo định luật Snell đợc xác định công thức = arcsin Hình 7.13 Sự suy yếu độ chiếu sáng theo độ sâu so với mặt, Gơntrim, mùa hè [1] Các hình tròn tô đặc độ chiếu sáng xuống dới, hình tròn để trắng độ chiếu sáng lên Ngời ta quy ớc biểu thị tơng quan độ chiếu sáng lên v độ chiếu sáng xuống dới hệ số phản xạ khuếch tán R (z ) R( z ) = E ↑ ( z) E ↓ ( z) (7.30) HÖ sè nμy thay đổi phạm vi dải phổ nhìn thấy, có giá trị gần 10 % phần phổ chm lam, nơi tán xạ mạnh, v giảm đến % phần phổ vng đỏ Thực tế ny đợc sử dụng để ớc lợng sơ hm lợng chất hữu hòa tan v chất lơ lửng nớc biển 355 2n1, (7.32) Dòng ánh sáng khỏi đại dơng lm tăng ánh sáng phản xạ, có nghĩa l lm tăng biểu kiến hệ số phản xạ r Để điều không xảy ngời ta dùng khái niệm albeđô sử dụng khí tợng häc A = r + R(1 − r ) (1 − rw ) (7.33) Xt ph¸t tõ sù phơ thc cđa R vμo b−íc sãng suy r»ng A cịng phơ thc vμo b−íc sãng, mỈc dï nãi chung số hạng cuối vế phải công thức (7.33) không lớn Khi ớc lợng albeđô tổng cộng tất bớc sóng phần hiệu chỉnh ny có vai trò không lớn, nhng xác định albeđô phổ việc tính đến ánh sáng khỏi nớc lm tăng đáng kể A phần phổ chm lam 7.7 Độ rọi trờng ánh sáng Khái niệm độ rọi trờng ánh sáng l đặc trng trắc quang Theo định nghĩa, khái niệm độ rọi 356 cờng độ ánh sáng ứng với bề mặt vuông góc với tia sáng Đây l chỗ khác biệt với độ chiếu sáng bề mặt định hớng tùy ý Nếu sử dụng mối liên hệ biến thiên độ chiếu sáng v cờng độ ánh sáng từ công thức (7.2) dới dạng dE = Id / d , (7.35) Công thức ny đặc trng cho ®é chiÕu s¸ng cđa diƯn tÝch tõ h−íng ϑ tíi đờng thẳng đứng phạm vi góc lập thể nguyên tố Nó giải nghĩa nh l độ chiếu sáng diện tích nghiêng với tia dới góc Trờng độ rọi ánh sáng tự nhiên đại dơng đợc tạo thnh từ ánh sáng vo từ khí Khi trời không mây phân bố độ rọi phụ thuộc vo độ cao Mặt Trời v cờng độ tán xạ có tính đến indicatrice tán xạ Trên hớng Mặt Trời độ rọi l cực đại v giảm đến cực tiểu phía 180o theo phơng vị Tới đờng chân trời lại tăng lên tăng độ dy quang học khí v tán xạ Khi mây phủ dầy đặc trờng độ rọi thực tế không phụ thuộc vo phơng vị, m phụ thuộc vo độ cao Mặt Trời, tăng theo độ cao Mặt Trời Khi mây phần phần đóng góp ánh sáng tán xạ vo thông lợng chung thay đổi từ 2040 % độ cao Mặt Trời lớn đến 5090 % độ cao Mặt Trời nhỏ (7.36) Nếu phạm vi nửa hình cầu B không thay đổi, công thức (7.36) đợc biến ®æi nh− sau: 2π  π /  E a = B    cos ϑ sin ϑ dϑ  dϕ = πB    (7.37) Khi ánh sáng qua phía dới mặt nớc độ rọi thay đổi theo kiểu khác với độ chiếu sáng Thật vậy, khúc xạ ánh sáng mặt đại dơng m ánh sáng tới gãc lËp thÓ Ω1 tËp trung mét gãc lËp thể bé (hình 7.14) Để chứng minh điều ny sử dụng công thức (7.35), độ chiếu sáng phải biểu diễn qua độ rọi nửa hình cầu, m đối víi gãc lËp thĨ Ω , ®ã (1 − r ) Ba Ω1 = B0 Ω (7.38) C¸c diện tích phần đáy góc lập thể tuÇn tù b»ng Ω1 = π x12 vμ Ω = x , x1 v x bán kính đáy góc Trong trờng hợp nh từ tơng quan (7.38) suy x B0 = Ba (1 − r ) x Trong hải dơng học thờng yêu cầu biết độ chiếu sáng mặt đại dơng từ nửa hình cầu Trong trờng hợp ny từ công thøc (7.35) suy 357  B cos ϑdΩ (7.34) sau công thức (7.3) vo v tính đến hình chiếu bề mặt đợc chiếu sáng lên pháp tuyến với tia dẫn tíi biĨu thøc dE = B cos ϑdΩ Ea =   (7.39)   NÕu xÐt thiết diện 358 Hình 7.14 Sơ đồ khúc xạ tia sáng v thay đổi góc lập thể ranh giới khí đại dơng lan rộng xuống sâu 4Z b , có góc lập thể, th× x1 sin θ = = n1, x sin θ B0 = Ba (1 − r ) n12, đặc điểm l cực đại ®é räi n»m ë thiªn ®Ønh víi mäi ®é chiÕu sáng đại dơng v phân bố độ rọi trở nên đối xứng so với đờng thẳng đứng (7.40) (7.41) Do đó, Công thức ny cho thấy tập trung độ rọi bên dới mặt đại dơng Nó thờng biểu lộ rõ với hệ số phản xạ bé, sóng biển xảy nơi tập trung cục độ rọi lớp dới bề mặt, kết l độ rọi v độ chiếu sáng có thăng giáng lớn lớp dới mặt độ rọi cực đại hớng tới nguồn sáng, tức tới Mặt Trời ánh sáng tự nhiên Trong phạm vi góc lập thể bị giới hạn góc khúc xạ tới hạn (48,6o) độ rọi dới nớc đợc tạo ánh sáng trực xạ v ánh sáng khí tán xạ, ngoi phạm vi gãc lËp thĨ ®ã ®é räi chØ lμ ánh sáng tán xạ nớc chi phối (hình 7.15) Khi độ sâu tăng lên ánh sáng Mặt Trời trực xạ liên tục bị tán xạ v hấp thụ, kết l cực đại độ rọi chuyển dịch phía thiên đỉnh, thăng giáng độ rọi biến Dựa theo phân bố độ rọi đại dơng m ngời ta phân chia ba lớp: lớp dới mặt, lớp trung gian v lớp sâu Lớp thứ lan tới độ sâu nhìn thấy đĩa trắng ( Z b ) Trong líp nμy cã thĨ thÊy xạ Mặt Trời trực xạ, cực đại độ rọi hớng lên phía Mặt Trời, thấy thăng giáng độ rọi Trong lớp trung gian thấy ánh sáng tán xạ, nhng cực đại hớng lên phía Mặt Trời, thăng giáng độ rọi tắt dần phÝa biªn d−íi cđa líp Líp trung gian lan réng từ độ sâu Z b đến 4Z b Lớp sâu 359 Hình 7.15 Phân bố độ rọi mặt phẳng hớng tới Mặt Trời [5] Các số bên cạnh đờng cong độ sâu tính mét 7.8 Phơng trình vận chuyển ánh sáng đại dơng Phân bố dòng ánh sáng nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo đại dơng dới góc với đờng chân trời không đợc mô tả công thức độ chiếu sáng Phải sử dụng tới khái niệm độ rọi B , đại lợng ny không phụ thuộc vo định hớng diện tích đợc chiếu sáng Do tán xạ ánh sáng nhiều lần v tính chất phân bố ngẫu nhiên đối tợng tán xạ n−íc biĨn mμ rÊt khã theo dâi sù biÕn dạng tia sáng riêng rẽ Lý thuyết vận chuyển ánh sáng đợc phát biểu thuật ngữ quang học tia v dựa quan niệm trắc quang l quan niệm điện từ ánh sáng Xét độ rọi vùng phổ nμo ®ã, tøc 360 dB / dz = −αB Víi tia nghiªng γ λ2 B =  B ( λ ) dλ ∂B = −αB cos γ ∂l λ1 §é räi B (l ) thĨ tÝch nớc nguyên tố no phụ thuộc vo B0 ban đầu v biến thiên đoạn tia dl B (l ) = B0 + ∂B dl ∂l ∂B = −εB + Q , ∂l ThÕ c«ng thøc ny vo phơng trình (7.43), ta đợc Q = ( − α cos γ ) B (7.42) Sè h¹ng sau công thức (7.42) phụ thuộc vo trình suy yếu ánh sáng hấp thụ v tán xạ nh vo lợng ánh sáng tán xạ vo thể tích nguyên tố B Mô hình đơn giản biến đổi độ rọi theo độ sâu Mô hình ny thực chất cho giá trị gần thô B (l ) Từ phơng trình (7.43) suy B biểu diễn suy yếu ánh sáng hấp thụ v tán xạ, Q = Bd dòng tới ánh sáng tán xạ tỷ lệ với số tán xạ l B (l ) = B0 e −εl + e −εl  Q(ξ )e εl dξ Gi¶ sư r»ng sù tû lƯ giịa Q vμ B cã thĨ theo c«ng thøc (7.44) biĨu diƠn Phơng trình (7.43) viết không cho hớng l mμ c¶ cho mét gãc lËp thĨ Ω nμo Trong bi toán hải dơng học đạo hm B theo thời gian thờng không cần tính đến tốc độ truyền ánh sáng lớn nhiều so víi tèc ®é biÕn ®ỉi ®é räi Q (l ) = Q (0)e −αl cos γ (7.47) Do ®ã l B (l ) = B0 e −εl + e −εl  Q(0)e (ε −α cos γ )ξ dξ (7.48) hay B (l ) = B0 e −εl + A Xác định độ rọi lớp sâu đại dơng Chọn nh l cực đại độ rọi lớp hớng thiên đỉnh, dÉn tíi biĨu thøc E = πB V× dE = −αEdz hay dE / dz = −αE , nªn 361 (7.46) Rất khó thu đợc nghiệm phơng trình (7.43) thực xác định đợc thông lợng ánh sáng tán xạ Có nhiều phơng pháp gần khác (7.45) Thực l nghiệm, m l mối liên hệ độ rọi v ánh sáng tán xạ Đôi đợc sử dụng để ớc lợng Q theo B đà biết (7.43) v độ rọi ánh sáng tán xạ ny tới từ tất phía, đợc mô tả góc lập thể ton hình cÇu (4π ) (7.44) Q(0)e −εl e (ε −α cos γ )l − ε − α cos [ ] Nếu nhìn thẳng đứng từ xuống ( γ = 180  ) 362 (7.49) B ( z ) = B0 e −εz + Q(0)e −αz − e −(ε +α )z ε +α [ ] (7.50) Công thức ny cho ta khái niệm gần độ rọi ánh sáng độ sâu z Trong trờng hợp ny Q(0) đợc xác định góc nghiêng ( ) từ đến v từ đến 1, tức l hai bán cầu, có tính đến tơng quan (7.37) Khi tích phân phơng trình (7.53) đợc tách thnh hai: cho bán cầu v bán cầu dới Kết thu đợc hai phơng trình theo độ rọi ánh sáng lớp dới mặt (7.45) biết giá trị sè suy yÕu ¸nh s¸ng ε vμ chØ sè suy yếu độ chiếu sáng khoảng đà chọn C Phép xấp xỉ hai thông lợng Trong trờng hợp ny từ độ rọi ngời ta chuyển sang độ chiếu sáng mặt phẳng ngang từ phía E ↓ vμ tõ phÝa d−íi E ↑ kho¶ng phỉ yêu cầu ánh sáng tán xạ đợc biểu diÔn qua indicatrice X (γ ) Trong dE ↓ χ + σϕ1 ↓ σϕ ↑ + E = E , μ1 μ2 dz σϕ dE ↑ χ + σϕ ↑ − E = − E↓ , μ2 μ1 dz Q= μ1 = π  XB sin d (7.55) điều kiện độ rọi không phụ thuộc vo thiên đỉnh (7.54) (7.52) = Để cho từ tia nghiêng dới góc tới chuyển sang tọa độ thẳng ®øng ng−êi ta sư dơng t−¬ng quan dz = cos γ d TiÕp theo ®−a biÕn míi μ = cos Khi phơng trình (7.52) = sÏ cã d¹ng dB σ μ + εB = dz  XBdμ ' , μ2 = −  Bμdμ −1  Bdμ −1 lμ nh÷ng giá trị cosin trung bình góc nghiêng chùm sáng ánh sáng xuống v lên; v phơng trình (7.43) có đợc dạng σπ ∂B + εB =  XB sin γ dγ ∂l 20  Bdμ (7.51) 0 Bd (7.53) Để tiếp tục chuyển đổi sang độ chiếu sáng theo nửa bán cầu tất thnh phần phơng trình (7.53) đợc nhân với dd v tích phân từ đến theo góc thiên ®Ønh ϕ vμ theo 363  11 0  B   X ( μ , μ ' ) dμ '  dμ   −1    1  B   X ( μ , μ ' ) dμ '  dμ   −1    Bdμ , 0 Bd l tỷ phần thông lợng xuống v lên bị tán xạ lên v xuống dới lớp nớc độ dy đơn vị Chỉ số hấp thụ phơng trình (7.54) v (7.55) đà xuất tách thnh v Các phơng trình phép gần hai thông lợng đợc sử dụng xác định xác độ chiếu sáng, xác định định 364 lợng mu đại dơng, ớc lợng hấp thụ ánh sáng đại dơng v c¸c tÝnh to¸n chØ sè hÊp thơ ¸nh s¸ng χ Ví dụ, từ Nếu đối tợng l đen tuyệt ®èi ( B = ) th× K = −1 , nÕu nỊn ®en tut ®èi ( Bφ = ) th× K = ∞ , tøc − < K < ∞ Ng−êi ta ph©n (7.54) vμ (7.55) suy biệt giá trị tơng phản khác Nếu ngời quan sát nhìn đối tợng nớc m cách xa khỏi đối tợng tơng phản m đối tợng không nhìn thấy đợc gọi l tơng phản ngỡng biến K n Trong trờng hợp đối dE dE ↓ E↓  1 + R  − =χ  μ1  μ  dz dz  (7.56) Th«ng th−êng xem r»ng μ1 ≈ μ ≈ 0,5 Vì hệ số phản xạ khuếch tán bé nh đà nhận xét, nên ớc lợng gần ®óng χ cã thĨ bá qua nã Khi ®ã thu đợc biểu thức đơn giản dùng để xác định = 0,5  dE ↑ dE ↓    − dz  E ↓  dz   (7.57) t−ỵng tiến dần tới ngời quan sát v đối tợng trở nên nhìn thấy đợc ta có tơng phản ngỡng phát K s Khi đối tợng đợc phân biệt dới dạng vết mờ nhạt, hình hi không phân biệt đợc Cuối cùng, khoảng cách tới ngời quan sát gần hình hi đối tợng đợc phân biệt v nhận Trạng thái chất lỏng nh đợc đặc trng tơng phản ngỡng nhận biết K r Giả thiết Nếu tích phân phơng trình (7.56) lớp no thu đợc biểu thức, theo ớc lợng hấp thụ ánh sáng bên lớp tất trờng hợp kích thớc góc đối tợng lớn kích thớc tới hạn Do đặc điểm mắt thích nghi với tầm nhìn vật môi trờng xung quanh Ngoi nghiệm gần đơn giản đà dẫn bi toán vận chuyển đợc biết có nghiệm xác hơn, nhng hải dơng học chúng đợc sử dụng nghiên cứu lan truyền ánh sáng nhân tạo xác định tạp chất nớc theo biến thiên độ räi ¸nh s¸ng Kn < Ks < Kr 7.9 Độ nhìn thấy đối tợng dới nớc Đối tợng nớc nhìn thấy khác độ rọi mu với xung quanh Giả sư Bφ − ®é räi cđa nỊn, B − ®é rọi đối tợng Ngời ta đa khái niệm tơng phản K = (B B ) / B (7.58) 365 Khi chiếu sáng đại dơng v đối tợng ánh sáng tự nhiên khác biệt độ rọi đại dơng v đối tợng phụ thuộc vo tính chÊt quang häc cđa n−íc vμ sù biÕn ®ỉi ®é chiếu sáng theo độ sâu Từ phơng trình chung vận chuyển ánh sáng (7.46) đợc dùng để mô tả suy giảm độ rọi đối tợng nh theo khoảng cách xác định đợc biến đổi độ rọi giả thuyết bổ sung, thông tin Q Số hạng thứ hai phơng trình (7.46) mô tả phần đóng góp ánh sáng tán xạ vo độ rọi đối tợng Nó giống nh 366 mn khói Rõ rng tăng l độ rọi ban đầu đối tợng B (0) giảm đi, mn khói tăng lên Ngời ta biểu diễn (7.59) Nh độ tơng phản giảm với khoảng cách theo quy lt hμm mị, phơ thc c¶ vμo sù hÊp thụ lẫn tán xạ ánh sáng Trong trờng hợp xét cha tính đến ảnh hởng môi trờng trung gian, ví dụ không khí, nhìn tới đối tợng nớc từ khí Xem mắt hay máy thu ánh sáng khác (máy ảnh) đợc thả vo nớc nhng điều kiện chiếu sáng từ bán cầu E = B Do Thông thờng máy thu ánh sáng tồn ngỡng độ tơng phản vật đợc phân biệt cách gần số hạng ny cách xuất phát từ lập luận dE = −αE ↓ , dz dBΦ = −αBΦ , dz (7.60) K (l ) = e (α cos γ −ε )l K ( 0) (7.61) Thờng xuyên l ngời ta sử dụng giá trị trung bình từ giá trị đà liệt kê K Trong trờng hợp ny từ công thức (7.65) suy điều kiện tia nghiêng dB = B cos dl Do ®ã BΦ (l ) = BΦ (0)e l cos (7.62) Vì độ rọi cần phải l xác định b»ng c¸c biĨu thøc (7.46) vμ (7.62), nÕu ta cho vế trái biểu thức th× sÏ cã thĨ biĨu diƠn “mμn khãi” l  Qe −ε (  −ξ ) ( ) dξ = BΦ (0) e −α l cos γ − e el (7.63) Bây ớc lợng biến đổi độ tơng phản với khoảng cách cách công thức (7.46) vo công thức (7.58) đối tợng nh nền, mn khói đợc biểu diễn công thức (7.63): K (l ) = l= B(0) − BΦ (0) (α cos γ −ε )l e = K (0)e (α cos γ −ε )l B Φ ( 0) (7.64) 367 ln[K (l ) / K (0)] , α cos γ − (7.65) (7.66) tức xác định khoảng cách nhìn thấy đối tợng Trong vật đợc chiếu sáng từ phía trên, phải thêm 180o vo , ánh sáng không tới đối tợng, m ngợc lại vo máy thu Ngời ta sử dụng công thức (7.66) phơng pháp quan trắc đĩa trắng để xác định gần tính chất quang học nớc Trong trờng hợp ny γ = 180  , cos γ = −1 vμ khoảng cách l độ sâu nhìn thấy đĩa trắng Z b Khi ®ã (α + ε ) = − ln[K (l ) / K (0)] Zb (7.67) Nếu biết độ sâu đĩa trắng biến xác định ( + ) , nh giá trị rêng rẽ v xuất phát từ 368 điều kiện (0,2 0,25) Ngời ta gọi độ sâu nhìn thấy đĩa trắng l độ suốt tơng đối Từ c«ng thøc (7.67) suy r»ng Z b phơ thc không xạ trực tiếp v tán xạ tạo nên độ chiếu sáng bề mặt đại dơng vo tính chất quang học nớc, m vo số suy yếu độ chiếu sáng Ngời ta sử dụng công thức (7.67) đĩa mu, nhng K có giá trị khác Những công thức đà dẫn việc xác định phụ thuộc tơng phản v đặc trng quang học nớc v biển vo tầm nhìn thấy đĩa trắng, nói cách xác trờng hợp ngời quan sát không bên ngoi nớc Còn quan trắc thực từ khí tới mắt ngời quan sát có thêm ánh sáng phản xạ từ mặt đại dơng Chính ánh sáng ny ảnh hởng tới độ rọi Vì công thức tơng phản (7.58) không thay đổi, nhng độ rọi đối tợng v có mặt khác Hình 7.16 Phân bố độ rọi v hệ số phản xạ sơ đồ quan trắc đĩa trắng Độ rọi đối tợng phụ thuộc vo độ rọi thân đĩa Bd v vo độ rọi biển Bm loại trừ ®i ®é räi cđa cét n−íc che phđ ®Üa Bc (hình 7.16), tức Trong trờng hợp nh độ chiếu sáng đĩa đợc biểu diễn công thức B = Bd + B m − Bc §é räi đợc xác định độ rọi biển v độ rọi vầng ho quang xung quanh đĩa Khi loại trừ độ rọi cột nớc không nhìn thấy đằng sau đĩa B = Bm + y ( Bd − Bc ) ↓ ↓ E d = E a (1 − r )e −α1Z b , (7.68) (7.69) biểu thức mũ đặc trng cho suy yếu độ chiếu sáng dới bề mặt tới đĩa Nếu khả phản xạ đĩa rd , suy yếu ánh sáng từ đĩa lên đợc biểu diễn nhân tử e Z b độ chiếu sáng lên mặt đại dơng l E = E a (1 − r ) rd e (1 + )Z b y độ rọi vầng ho quang tính độ rọi đĩa Trong thu nhận biểu thức độ rọi công thức (7.68) v (7.69) phải lu ý nguồn ánh sáng l 369 (7.70) (7.71) Khi ánh sáng vo khí phần ánh sáng bị phản xạ ngợc lại vo nớc tỷ lệ thuận với hệ số phản xạ rw Độ 370 chiếu sáng lại phải chuyển thnh độ rọi theo tơng quan đà nói tới trªn E ↓ = πB vμ B0 = Ba n12, Do ®ã ↓ Bd = E a (1 − r ) rd e − (α1 +α )Z b (1 − rw ) π −1 n1−,2 (7.72) Những lập luận tơng tự đợc sử dụng thu nhËn biÓu thøc Bc Trong biÓu thøc thay rd phải l hệ số phản xạ cđa líp n−íc s©u rm Nã phơ thc vμo indicatrice tán xạ ngợc Bc = E a (1 − r ) rm e − (α1 +α ) Z b (1 − rw ) π −1 n1−,2 ↓ Ea r (7.73) §é räi cđa biĨn phụ thuộc vo ánh sáng biển phản xạ v ánh sáng tán xạ từ biển [ ] ↓ ↓ Bm = E a r + E a (1 − r ) rm (1 − rw ) n1−,2 (7.74) Thế công thức (7.22)(7.74) vμo (7.68), (7.69) vμ sau ®ã vμo (7.58) sÏ dÉn tới biểu thức tơng phản dới dạng K= (1 y ) (rd − rm ) e − (α1 +α ) Z b ye −(α1 +α ) Z b (rd − rm ) + rm + δ , (7.75) ®ã δ= n12, r (1 − r ) (1 rw ) Giống nh trớc đây, giới hạn nhìn thấy đợc xác định từ điều kiện K v giá trị tơng phản ngỡng Lý thuyết nhìn thấy đĩa trắng đợc trình by chi tiết công trình [3] Các đặc trng quang học nớc chứa đựng số suy yếu ánh sáng v Không thể tính đợc chúng 371 hệ số phản xạ độ chiếu sáng xuống dới v lên Vì ngời ta đà lập quy tắc quan trắc đĩa cho xem hệ số l đà biết Thông th−êng nhÊt lμ ng−êi ta khun c¸o thùc hiƯn quan trắc từ phía bong tu khuất ánh sáng v từ phía đón gió Độ sâu lớn nhìn thấy đĩa trắng, tức độ suốt tơng đối, đợc ghi nhận trung phần Thái Bình Dơng 4550 m Nó nhá h¬n mét chót (40 m) ë biĨn Sagaso vμ nhiều vùng ấn Độ Dơng vùng đại dơng v biển ven bờ với suất sinh học cao độ suốt thiên thấp v nhiều trờng hợp không 10 m 7.10 Mu biển Mu đối tợng đợc tạo thnh đặc thù mắt phản ứng với phổ dòng ánh sáng tia tới mắt Bởi mắt ngời phản ứng không với thân đờng cong phổ, m với độ rọi, tức với cờng độ ánh sáng tới mắt, nên xảy trờng hợp độ rọi đóng vai trò áp đảo Tại giá trị bé B ( ) no mắt không cảm nhận đợc mu Ví dụ, đêm trăng biển có mu xám phổ ánh sáng Mặt Trăng thực tế không khác với Mặt Trời, tức tồn giá trị Bmin no m thấp mu không phân biệt Cũng tồn Bmax m cao ánh sáng không phân biệt Ví dụ, vết đờng Mặt Trời tỏ có mu trắng chói sáng Nh mắt ngời phân biệt mu dải độ rọi Bmin v Bmax Do mu đại dơng phụ thuộc vo thnh phần phổ ánh sáng ®i tíi m¾t vμ ®é räi cđa nã Ng−êi ta đa khái niệm độ mu vật, 372 nã chØ phơ thc vμo thμnh phÇn phỉ cđa bøc xạ Mu đại dơng dải độ rọi Bmin v Bmax phụ thuộc vo phổ ánh sáng phản xạ đại dơng v ánh sáng tán xạ từ đại dơng Về nguyên tắc chúng khác biệt nhau, v với giá trị lớn ánh sáng phản xạ nhìn thấy mu nguồn ánh sáng, mu biển, hệ số phản xạ dải ánh sáng nhìn thấy thay đổi theo b−íc sãng VÝ dơ, thêi tiÕt m©y mï, ánh sáng phản xạ vợt trội ánh sáng từ biển mu biển trở nên xám Với độ cao Mặt Trời bé tán xạ lớn vμ biĨn cã mμu cđa phÇn bÇu trêi mμ tõ tia sáng tới biển v bị phản xạ Vì mu biển đợc xác định tốt điều kiện cho phản xạ ánh sáng yếu, tức độ cao Mặt Trời lớn v sóng biển không lớn Năm 1921 V V Suleikin lần đa lý thuyết gần mu biĨn sau ln chøng vỊ phỉ cđa ¸nh s¸ng lên từ biển Ông đà sử dụng luận điểm biến tính độ chiếu sáng nớc ↓ E = ↓ E e −αz = ↓ E0   a   exp −  χλ +  z  , λ    (7.76) ông đà cho số suy yếu thẳng đứng độ chiếu sáng phụ thuộc vo số hấp thụ v tán xạ Trong lớp nguyên tố dz tán xạ lên l−ỵng ↓ dE ↓ = βE   a   exp −  χλ +  z  dz λ λ     a (7.77) Trên đờng ánh sáng tán xạ lên phía lại diễn hấp thụ v tán xạ, tức biểu thức ny phải nhân với hm mò 373   a   exp −  χλ +  z  λ     Tõ toμn bé bỊ dμy biĨn sÏ ®i lên mặt lợng E =  βE 0 ↓ E βa   a   exp −  χλ +  z  dz = (7.78) a  λ4 λ   4   2λ  χλ + a Nếu tính đến phản xạ từ phía r v từ phía dới rw , phổ tổng cộng có dạng E ↑ = rE a + ↓ aβE a (1 − r ) (1 − rw ) a  4 2λ  χλ +  λ   (7.79) Nếu nh hấp thụ ánh sáng biển ( χ = 0) th× ë mÉu sè cđa thμnh phần cuối bị giản ớc v phổ ↓ ¸nh s¸ng chØ phơ thc vμo phỉ E a ánh sáng tới Nếu tán xạ (a = 0) , thnh phần cuối v mu biển xác định ánh sáng phản xạ Nh không nên xem mu biển phụ thuộc vo hấp thụ hay vo tán xạ ánh sáng Nó đợc xác định tơng quan v Khái niệm xác E nhận đợc dựa công thức xấp xỉ hai thông lợng lý thuyết truyền ánh sáng đại dơng (7.54)(7.75) Trong nớc biển tinh khiết phần phổ chm lam nhỏ v mật độ ánh sáng lên từ nớc thiên cao lμm cho biÓn cã mμu chμm σ vμ χ tăng nồng độ tạp chất nớc biển tăng, ngoi cực tiểu dịch chuyển phía 374 sóng di Điều ny lm cho cực đại mật độ phổ ánh sáng từ đại dơng dịch chuyển phía sóng di v mu đại dơng trở thnh mu lục, lợng tạp chất lín th× thËm chÝ trë thμnh mμu vμng Trong thùc tế quan trắc mu đại dơng sử dụng rộng rÃi phơng pháp xác định mu cách so sánh với dung dịch chuẩn (thang Phorel-Ule) Tuy nhiên hay xảy khác biệt độ rọi nên khó xác định mu cách đơn trị Năm 1931 Uỷ ban Quốc tế Chiếu sáng đà khuyến cáo sử dụng biểu đồ độ mu, theo ớc lợng đợc mu v độ bÃo hòa mu (hình 7.17) Thực chất phơng pháp xác định mu biển ny l nhờ hòa trộn ba mu sở (chm, lục v đỏ) với tỷ lệ khác thu đợc tất mu lại, chí tới mu trắng Để từ dòng ánh sáng quan sát tách đợc mu sở ngời ta sử dụng nh÷ng bé läc phỉ: x ′(λ ), y ′(λ ) v z ( ) Chúng l đờng cong mô tả độ nhạy phổ phận tiếp nhận mu mắt Nhờ đờng cong từ phổ độ chiếu sáng quan trắc biển tách đợc giá trị mu sở tơng ứng theo công thức X = E ( ) x ' ( λ ) dλ , λ1 λ2 Y =  E ( λ ) y ' ( λ ) dλ , (7.80) λ1 λ2 Z =  E ( λ ) z ' ( λ ) dλ Các cận tích phân cần phải tùy khả bao hết ton 375 dải ánh sáng nhìn thấy Tiếp theo tính tọa độ độ mu x= X , X +Y + Z y= Y , X +Y + Z z= Z X +Y + Z (7.81) Râ rμng x + y + z = Vì số ba tọa độ hai l độc lập v dùng lm trục biểu ®å ®é mμu x = y = z = / (®iĨm B ) sÏ lμ täa ®é cđa mu trắng Vị trí mu khác mặt phẳng tọa độ đợc tính theo xạ đơn sắc, v điểm đợc nối với đờng cong gọi l biểu đồ độ mu (hình 7.17) Các tọa độ mu tính đợc theo độ chiếu sáng đơn sắc, m theo độ chiếu sáng thực đợc đánh dấu số, có điểm M Chúng thờng không trùng hợp với đờng cong độ mu Nếu nối điểm B v M đờng thẳng đến giao điểm với biểu đồ độ mu, điểm A đặc trng cho mu biĨn, cßn tû sè ξ = BM / BA gäi l độ tinh khiết mu Đại lợng ny lớn vùng trung tâm ấn Độ Dơng v Thái Bình Dơng, 55 % Mu đại dơng l mμu chμm ( λ A = 473 − 474 nm) vùng ven bờ (nhiệt đới Đại Tây Dơng) mμu trë thμnh lơc nh¹t ( λ A = 512 515 nm), độ tinh khiết mu giảm xuống tới 2631 % Dữ liệu quan trắc chứng tỏ độ suốt tăng mu dịch chuyển phía mu chm v độ tinh khiết mu tăng lên Vì độ chiếu sáng quan trắc đại dơng E ( ) phụ thuộc không vo tính chất quang học nớc, m vo lợng mây, độ cao Mặt Trời, sóng biển, nên mu đại dơng ë cïng mét vïng sÏ kh¸c tïy theo c¸c ®iỊu kiƯn khÝ t−ỵng 376 Монина М., Наука, 1983 371 с vμ thêi gian ngμy Оптика океана Т Прикладная оптика океана Под ред А С Монина М., Наука, 1983 236 с Соколов О А Видимость под водой Главы 2-5 Л., Гидрометеоиздат, 1974 Шифрин К С Введение в оптику океана Л., Гидрометеоиздат, 1983 278 с C©u hỏi tự kiểm tra Cái ảnh hởng tới chØ sè suy u ¸nh s¸ng n−íc biĨn ë khoảng phổ khác v bậc đại lợng bao nhiêu? Sự tán xạ ánh sáng đại dơng phụ thuộc nh no vo thnh phần tạp chất v khoảng phổ ánh sáng? Dạng đặc trng indicatrice tán xạ ánh sáng bëi n−íc tinh khiÕt vμ n−íc cã chøa chÊt l¬ lửng nhỏ v lớn Hình 7.17 Biểu đồ độ mu cđa ban Qc tÕ vỊ ChiÕu s¸ng (C¸c ký hiệu đà đợc giải thích văn) Cho biết có lý thuyết tán xạ ánh sáng đại dơng v thực chất lý thuyết l gì? Sự khác biệt số suy yếu ánh sáng v số suy yếu thẳng đứng độ chiếu sáng đại dơng Ti liệu tham kh¶o bỉ sung Иванов А Введение в океанографию Пер с франц Главы 15, 16 М., Мир, 1978 Карабашев Г С Флюоресценция в океане Л., Гидрометеоиздат, 1987 200 с Оптика океана Т Физическая оптика океана Под ред 377 HÃy viết phơng trình vận chuyển ánh sáng đại dơng Tại giải phơng trình ny khó v có phơng pháp giải gần no? Những đặc trng quang học no đại dơng xác định đợc theo quan trắc đĩa nhìn thấy? 378 Trạng thái mặt đại dơng v điều kiện chiếu sáng Mặt Trời ảnh hởng nh no tới xâm nhập ánh sáng vo đại dơng v mu nó? Thnh phần phổ ánh sáng tự nhiên thay đổi nh no theo độ sâu? 10 Bản chất phát quang ánh sáng đại dơng l v tợng ny đợc sử dụng hớng nghiên cứu nμo? 11 HiĨu biÕt vỊ c¸c tÝnh chÊt quang häc đại dơng đợc sử dụng vo mục đích thực tế no? Chơng Âm học đại dơng 8.1 Những định nghĩa Âm học đại dơng l phận phát triển vật lý đại dơng có ứng dụng thực tế rộng lớn Những hiểu biết tốc độ truyền âm đại dơng l yêu cầu sử dụng máy hồi âm để đo độ sâu Nó đà đợc sử dụng hng hải vo đầu kỷ 19 v từ thời gian ngời ta tiến hnh nghiên cứu quy luật biến thiên tốc độ âm đại dơng Trong năm Thế chiến thứ thủy định vị phát triển mạnh Đó l lĩnh vực âm học đại dơng có mục đích phát tầu ngầm, tầu mặt nớc từ tầu ngầm, vật dới nớc khác thông qua phát v thu tín hiệu âm phản xạ từ vật Muốn cần biết đặc điểm truyền tín hiệu âm đại dơng, phụ thuộc tốc độ âm vo trờng nhiệt độ, độ muối, áp suất, tốc độ dòng chảy, đặc điểm phản xạ âm từ mặt đại dơng v đáy v.v Đợc biết tín hiệu âm đại dơng truyền tới khoảng cách lớn Điều ny l sở để sử dụng nh phơng tiện liên lạc Bắt đầu phát triển lĩnh vực thám xa âm häc 379 380 ... biĨu diƠn b»ng c«ng thøc (7 .6 3): K (l ) = l= B( 0) − BΦ (0 ) (? ? cos γ −ε )l e = K (0 )e (? ? cos γ −ε )l B Φ ( 0) (7 .6 4) 3 67 ln[K (l ) / K (0 )] , α cos γ − ε (7 .6 5) (7 .6 6) tức xác định khoảng cách... π −1 (7 .7 4) Thế công thức (7 .22 )( 7 .7 4) vo (7 .6 8), (7 .6 9) vμ sau ®ã vμo (7 .5 8) sÏ dÉn tíi biĨu thøc tơng phản dới dạng K= (1 y ) (rd − rm ) e − (? ?1 +α ) Z b ye ? ?(? ?1 +α ) Z b (rd − rm ) + rm... ®é räi Q (l ) = Q (0 )e −αl cos γ (7 .4 7) Do ®ã l B (l ) = B0 e −εl + e −εl  Q(0)e (? ? −α cos γ )? ? dξ (7 .4 8) hay B (l ) = B0 e −εl + A X¸c định độ rọi lớp sâu đại dơng Chọn nh l cực đại độ rọi