a, Sự hấp thụ ánh sáng của nước biển
Khi các tia sáng chiếu xuống mặt biển trong thành phần các tia tán xạ và trực xạ của bức xạ mặt trời tại mỗi điểm trên mặt biển sẽ có tia phản xạ trở lại khí quyển, một phần bị khúc xạđi vào các lớp nước và bị nước biển hấp thụ. Do nước biển là một môi trường trong suốt nên ánh sáng sẽ bị phản xạ, khuyếch tán và hấp thụở lớp nước trên cùng. Độ hấp thụ ánh sáng (dI) trên đoạn
đường (độ sâu) dz tỉ lệ thuận với thông lượng ánh sáng I và độ dài đoạn đường dz. dI = - m (λ) . I . dz (4.21)
Nước biển hấp thụ ánh sáng có tính chọn lọc theo bước sóng của các tia màu trong thành phần phổ của bức xạ mặt trời. Các tia có bước sóng dài trên 0,6μm: tia đỏ, vàng, da cam bị hấp thụ hầu hết ở 100 mét trên cùng, các tia có bước sóng nhỏ hơn sẽ tiếp tục bị hấp thụở độ sâu lớn hơn và tới độ sâu 500 mét, ánh sáng hầu như bị hấp thụ hoàn toàn. Tuy nhiên các tia bước sóng ngắn hầu như không bị hấp thụ.
b,Độ trong suốt của nước biển
Theo định nghĩa về vật lý thì độ trong suốt của nước biển là tỉ số giữa thông lượng bức xạ đoạn đường bằng đơn vị không đổi hướng trong nước và thông lượng bức xạ đi vào nước dưới dạng chùm tia song song.
Trong thực tế hiện nay, trong Hải dương học người ta sử dụng khái niệm về độ trong suốt tương đối: “Độ trong suốt của nước biển được hiểu là độ sâu, nơi mà không còn nhìn thấy chiếc đĩa trắng đường kính 30 cm” (đĩa tiêu chuẩn).
Bản chất vật lý của việc chiếc đĩa trắng bị biến mất ở độ sâu nhất định là
ở chỗ, khi dòng ánh sáng đi vào nước, nó sẽ suy yếu do tán xạ và bị hấp thụ. Càng xuống sâu, dòng tán xạ càng tăng về mọi phía bằng năng lượng ánh sáng
hơn dòng chính từ trên xuống và làm che khuất chiếc đĩa, chiếc đĩa không còn nhìn thấy được từ trên xuống.
Độ sâu trong suốt của nước biển trung bình trên đại dương vào khoảng 30 mét. Độ trong suốt cực đại quan sát được ở vùng biển Xácgatx bằng 66,5 mét (Đại Tây Dương).
c, Màu biển
Khi xem xét vấn đề màu biển, cần phân biệt hai khái niệm: màu biển tức là màu nhìn thấy của mặt biển và màu của nước biển.
Màu bản thân của nước biển là hậu quả của sự hấp thụ và tán xạ có chọn lọc, tức là phụ thuộc vào những tính chất quang học của nước, độ dày lớp nước chứ không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài.
Khi đề cập đến màu nước biển, cần phải qui ước là màu nước ở độ sâu nào đó. Nếu xem xét tới độ suy yếu có chọn lọc của ánh sáng ở biển thì có thể
tính được rằng, ngay cả với nước đại dương tinh khiết ở độ sâu 25 mét ánh sáng mặt trời bị mất đi phổ màu đỏ, sâu hơn nữa thì mất đi màu vàng và như vậy nước có màu xanh lục (xanh nước biển), đến độ sâu 100 mét chỉ còn phổ màu chàm, nước có màu chàm (màu xanh sẫm).
Màu biển là màu của mặt biển khi chúng ta đứng trên boong tàu quan sát thấy. Màu biển phụ thuộc vào nhiều yếu tố không những vào tính chất bản thân của nước mà cả vào yếu tố bên ngoài như sự phản xạ và tán xạ ánh sáng, các chất lơ lửng, sóng biển .v.v.
Màu biển khi không có các hạt lơ lửng được quyết định bởi tỉ lệ và thành phần của hai thông lượng ánh sáng chính đi đến mắt người quan sát : Thông lượng ánh sáng mặt trời và bầu trời bị phản xạ từ mặt biển, thông lượng ánh sáng (tán xạ) đi từ lòng biển lên phía trên. Nếu phần tán xạ chiếm ưu thế thì màu biển sẽ kém thuần khiết (kém rõ nét) chuyển từ màu lam thuần khiết sang màu lục lam kém thuần khiết hơn. Khi nhìn thẳng từ trên xuống, dòng phản xạ nhỏ, màu nước tinh khiết hơn, khi chuyển tầm nhìn về phía đường chân trời, tia phản xạ tăng lên, màu biển kém thuần khiết, đường chân trời kém rõ nét.
Trong trạng thái mặt biển có sóng, góc nghiêng tạo điều kiện cho việc tiếp thu dòng ánh sáng nội làm tăng độ thuần khiết của màu, đồng thời khi có sóng, góc nhìn sẽ ít biến đổi hơn khi nhìn về phía đường chân trời nên màu biển vẫn thuần khiết đến tận chân trời. Đường chân trời trông rất rõ nét.
Ngoài khơi, trên những vùng nước rộng lớn, biển có màu xanh thẫm chứng tỏ
rằng ởđó không có tạp chất và nước hoàn toàn trong suốt. Càng vào gần bờ, độ sâu giảm, biển chuyển sang màu lục nhạt và vùng sát bờ màu vàng lục.
dòng phụ được xác định bởi màu phổ của các hạt lơ lửng. Kích thước các hạt thường là bùn sét màu nâu làm cho nước biển trở nên kém thuần khiết, thậm chí màu biển còn bị ảnh hưởng vì màu sắc một số loài rong biển như màu của loại rong đỏ trong biển Hồng Hải.
d, Sự phát sáng trong nước biển và sự biến màu biển
Sự phát quang (thường có màu lục) do nhiều nguyên nhân:
- Sự khuấy đục chất đáy chứa các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng phát sáng; - Sự vận chuyển các chất phát quang từ dòng bờ;
- Sự phát sáng của biển liên quan đến sự phát sáng của các sinh vật nhỏ li ti (phù du) thuộc nhóm bị kích thích. Chúng làm biển bừng sáng lên từng vệt, từng vùng, có lúc mạnh đến nỗi độ phản chiếu của nó lên mây gây ấn tượng như
một vùng sáng của thành phố hay các tia của ngọn đèn pha.
Do các vi sinh vật phát sáng khi bị kích thích cơ học nên sự phát sáng này làm lộ mục tiêu di động dưới nước như tàu thuyền, người nhái. Đồng thời sự
phát sáng cũng giúp cho phát hiện các chướng ngại đang trôi, các đá ngầm gần mặt nước hoặc cho người đi biển tiến vào bờ vì dải sóng vỗ bờ kích thích sự
phát sáng của sinh vật.