Download
1 / 27
270 likes | 472 Views
Fizyka morza – wykład 7. Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne. Optyka morza. część fizyki morza zajmująca się problemami: opisu i analizy zachowania się światła przy jego przejściu przez powierzchnię morza i dalej w toni morza;
E N D
Fizyka morza – wykład 7 Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Optyka morza część fizyki morza zajmująca się problemami: • opisu i analizy zachowania się światła przy jego przejściu przez powierzchnię morza i dalej w toni morza; • w jaki sposób energia świetlna jest wykorzystywana przez fizyczne, chemiczne i biologiczne procesy w oceanie; • w jaki sposób światło może być wykorzystane do transmisji informacji w morzu i przez jego powierzchnię A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Światło • Pod pojęciem światło rozumiemy zazwyczaj promieniowanie elektromagnetyczne z określonego przedziału widma powodujące u człowieka reakcję zmysłową określaną jako widzenie. • Przeciętnie jest to przedział długości fal od 360 do 700 nm. W przypadku optyki morza, granice te są nieco szersze tzn. od ultrafioletu (260 nm) do bliskiej podczerwieni (ok. 1 µm). Ta dolna granica jest związana z najkrótszym teoretycznie promieniowaniem jakie może dotrzeć do powierzchni morza przez atmosferę ziemską (ze względu na pochłanianie przez ozon zawarty w atmosferze). Obie wielkości nie są jednak ściśle określone. Widmo współczynnika osłabiania promieniowania elektromagnetycznego w czystej wodzie (Dera 2003) A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Promieniowanie słoneczne na powierzchni morza • Promieniowanie słoneczne dociera do powierzchni morza w jej określonym miejscu na Ziemi w postaci i ilości uwarunkowanej aktualnym wzajemnym położeniem Słońca jako źródła i Ziemi w sensie planety. Zróżnicowanie wielkości energii słonecznej powstające z tego powodu tzn. z przyczyn, które możemy określić jako astronomiczne ma swoje odzwierciedlenie w zmienności znanej jako dobowa i sezonowa. • Gęstość spektralna stałej słonecznej • Znacznie bardziej skomplikowane jest uwzględnienie zmienności powodowanej przez konieczność przejścia promieniowania słonecznego na jego drodze do morza przez atmosferę ziemską. W jego rezultacie do powierzchni morza w danym miejscu dociera bezpośrednie promieniowanie słoneczne osłabione w atmosferze na skutek pochłaniania i rozpraszania przez jej składniki oraz skierowane w kierunku tego miejsca po rozproszeniu jedno i wielokrotnym. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Transmisja promieniowania słonecznego przez powierzchnię morza Na powierzchni morza promieniowanie słoneczne jest odbijane lub/i transmitowane w głąb zgodnie z zasadami sformułowanymi jeszcze w XVII wieku przez Snelliusa i później przez Fresnela, a wcześniej opisywanymi przez Ptolemeusza czy Arystotelesa. Proces ten jest komplikowany przez falowanie i jego pochodne (np. pokrycie morza pianą) i prowadzi do powstawania m.in. zjawiska krótkookresowych fluktuacji pola światła wywołanych ogniskowaniem promieniowania przez fale. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Oddziaływanie światła z wodą morską • W toni wodnej światło, które ostatecznie tutaj dotarło podlega całemu szeregowi transformacji, spośród których najważniejsze to: • absorpcja prowadząca do zamiany energii promienistej na cieplną, • absorpcja i rozpraszanie na substancjach rozpuszczonych i zawieszonych w wodzie, • zamiana na energię chemiczną w procesie fotosyntezy • reemisja w postaci fluorescencji przez chlorofil a i inne optycznie aktywne pigmenty • Ocenia się, że ok. 75% tlenu w atmosferze ziemskiej pochodzi z morza, a źródłem energii do jego produkcji jest właśnie energia światła. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Oddziaływanie światła z wodą morską pięć istotnych grup składników wody morskiej decydujących o jej właściwościach optycznych: • czysta woda • substancje żółte • substancje zawieszone (zawiesiny) • nieorganiczne • organiczne • fitoplankton (chlorofil i inne pigmenty) • detrytus (obumarła materia organiczna) A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Transmisja światła w głąb morza • Wspomniane procesy zachodzą przede wszystkim w warstwie morza określanej jako strefa eufotyczna. • Strefa eufotyczna - powierzchniowa warstwa wody, której dolną granicę określa głębokość, do której dociera 1% energii promieniowania słonecznego tuż pod jego powierzchnią. Odpowiada to mniej więcej głębokości, na której poziom oświetlenia jest taki, że produkcja tlenu w procesie fotosyntezy pokrywa się z zapotrzebowaniem na tlen do oddychania przez komórki. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Podstawowe wielkości fotometryczne stosowane w optyce morza • Zbiór wielkości optycznych stosowanych w optyce morza opracowany i przyjęty przez organizację międzynarodową IAPSO (ang. International Association for Physical Science of the Ocean). • Terminologia i definicje zostały zaczerpnięte w dużej mierze z publikacji Preisendorfera (1961), który generalnie wzorował się na fundamentalnej pracy dotyczącej teorii przenoszenia energii promienistej w atmosferach planet S. Chandrasekhara Radiative transfer opublikowanej w 1950 r. • Ich opis możemy znaleźć zarówno w wymienionych pracach jak również w monografii Jerlova Marine Optics z 1976 r., będącej poprawioną wersją pierwszej monografii z tej dziedziny wydanej w 1968 r. p.t. Optical oceanography. • W języku polskim terminy, definicje i objaśnienia zawarte są w podręczniku Dery Fizyka morza (2003). Większość zdefiniowanych wielkości istnieje także w klasycznej fizyce, jednak w przypadku języka polskiego pod innymi nazwami. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Ilość energii promienistejQ [J] Ilość energii przenoszonej przez promieniowanie elektromagnetyczne gdzie: h– stała Plancka (6.625·10-34 J·s-1), ν = c/λ – częstotliwość (c -prędkość światła (3·108 m·s-1), λ– długość fali promieniowania), N– liczba fotonów, którym przypisujemy częstotliwość ν A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Strumień promieniowaniaΦ[J/s]/[W](moc promieniowania) Ilość energii promienistej Q przechodzącej przez pewną powierzchnię A w jednostce czasu t. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Natężenie promieniowaniaI(ξ)[W/sr] gęstość kątowa strumienia promieniowania Wielkość strumienia promieniowania przypadająca na jednostkę kąta bryłowego ω wokół kierunku ξ. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Radiacja (luminancja energetyczna) L(ξ) [Wm-2sr-1] Strumień energii promieniowania przypadający na jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku jego rozchodzenia się ξ, zawarty w jednostkowym kącie bryłowym dω wokół kierunku ξ. θ – kąt padania. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Oświetlenie (gęstość strumienia radiacji) E [Wm-2] Moc promieniowania przypadająca na jednostkę powierzchni. Jeśli określamy moc promieniowania powierzchni emitującej promieniowanie wtedy najczęściej używamy symbolu M i określenia emitancja energetyczna. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Oświetlenie skalarneE0 [Wm-2] Oświetlenie nieskończenie małej powierzchni sferycznej otaczającej punkt p przez radiację światła dochodzącego do tego punktu ze wszystkich kierunków ξ. r, θ, φ - współrzędne określające położenie punktu w przestrzeni A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Oświetlenie (wektorowe) E [Wm-2] Oświetlenie normalne płaszczyzny (np. płaszczyzny poziomej na danej głębokości w morzu). A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Oświetlenie odgórne i oddolne Biorąc pod uwagę założenie o dwukierunkowej analizie pola światła w morzu definiuje się oświetlenia skalarne odgórne, E0↓ i oddolne, E0↑ oraz wektorowe odgórne E↓ i oddolne, E↑:
F, J, Podstawowe wielkości fotometryczne stosowane w optyce morza A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Właściwości optyczne morza • rzeczywiste (inherent) – zależą wyłącznie od właściwości fizycznych ośrodka, a więc wody morskiej i składników w niej rozpuszczonych i zawieszonych • pozorne (apparent) – mogą przyjmować różne wartości w zależności od czynników zewnętrznych takich jak np. wiatr, ilość pro-mieniowania dochodzącego do morza od Słońca i atmosfery etc. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Pochłanianie światła • Przekazywanie energii fotonów atomom i cząsteczkom tego ośrodka w procesie przenoszenia ich elementów na inne dozwolone poziomy energetyczne. • Na podstawie badań empirycznych ustalono jakie składniki wody morskiej mają największy wpływ na modyfikację jej widma pochłaniania światła. Można podzielić je na trzy grupy: • czysta woda jako związek chemiczny, • substancje żółte, • cząsteczki zawieszone w wodzie, czyli tzw. zawiesina (przede wszystkim organiczna). A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Czysta woda problem otrzymania idealnie czystej wody A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Substancje żółte (CDOM) • Substancje żółte, nazwane tak przez Kalle’go (1966), to nie do końca ściśle zdefiniowane produkty metabolizmu roślin i zwierząt morskich i ich szczątki rozpuszczone w wodzie morskiej. • Przeciętne stężenia substancji żółtych w wodach naturalnych wynoszą: - w wodzie morskiej (oceany i morza otwarte) 0.05-0.5 mg/dm3, - w wodach przybrzeżnych do 5 mg/dm3, - w rzekach są to wielkości rzędu 10 mg/dm3 • Pomimo niezbyt wielkich stężeń powodują bardzo silną absorpcję światła w jego ultrafioletowym paśmie. Fizyczną przyczyną tego zjawiska jest fakt, że tego rodzaju substancje chemiczne posiadają m.in. elektrony luźno związane z poszczególnymi atomami co z kolei stwarza możliwość licznych niskoenergetycznych przejść elektronowych. W rezultacie daje to ciągłe widmo absorpcji w obszarze promieniowania ultrafioletowego i fioletowego. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Substancje żółte (CDOM) Widma absorpcji światła w wodzie o różnej zawartości substancji żółtych (Dera 1983). 1 - Zatoka Ryska; 2 - Głębia Gotlandzka; 3 - Morze Sargassowe. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Zawiesiny • Z punktu widzenia pochłaniania światła w morzu pod pojęciem zawiesiny rozumiemy najczęściej zawiesiny organiczne, a ściślej te cząstki organiczne, w których skład wchodzą tzw. pigmenty. • Są one najczęściej składnikami fitoplanktonu, a najbardziej znany z nich to chlorofil, występujący w odmianach a, b i c, a także inne jak: karoteny, fykoerytryna, fukoksantyna, phycocyanidy etc. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Chlorofil Dwa maksima absorpcji: pierwsze, silniejsze w paśmie 430-440 nm i drugie, słabsze w paśmie 660-690 nm A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Cechą charakterystyczną omawianych zjawisk związanych z pochłanianiem światła w wodzie morskiej jest sumowanie się efektu ich działania. kolejne indeksy: w, y, p, s, d oznaczają odpowiednio: czystą wodę, substancje żółte, zawiesiny, sól morską i inne domieszki zawarte w wodzie. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
