Elementy optyki morza

1. Fizyka morza – wykład 8 Elementy optyki morza A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

2. Zjawisko rozpraszania światła Przypadkowe zmiany kierunków biegu promieni świetlnych pod wpływem oddziaływania przypadkowo rozmieszczonych niejednorodności optycznych ośrodka nazywamy rozpraszaniem światła Centra rozpraszające mogą stanowić: • cząstki zawieszone w wodzie • niejednorodności samej wody polegające na różnicach gęstości sąsiadujących ze sobą cząstek Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

3. Rozpraszanie molekularne i na dużych cząstkach Ze względu na odmienny charakter generowania promieniowania rozproszonego, zazwyczaj w hydrooptyce rozpatrujemy osobno: • rozpraszanie na cząstkach małych w porównaniu z długością fali promieniowania pierwotnego (0.1-0.2·λ); rozpraszanie to nazywamy najczęściej molekularnym lub od autora jednej z opisujących go teorii rajlejowskim • na cząstkach o wielkości porównywalnej z tą długością lub większych; rozpraszanie to nazywamy od autora innej teorii rozpraszaniem Mie. Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

4. Definicje Dla potrzeb charakterystyki rozpraszania światła w ośrodku materialnym definiuje się następujące wielkości: • objętościową funkcję rozpraszania β(θr): Wyraża ona względny rozkład natężenia światła rozproszonego przez dany element objętości ośrodka pod różnymi kątami θr, niezależnie od natężenia światła padającego. • całkowity objętościowy współczynnik rozpraszania b: Sumaryczny efekt rozpraszania światła przez element objętości ośrodka we wszystkich kierunkach. • indykatrysę (funkcję fazową) rozpraszania P: czyli gęstość prawdopodobieństwa rozproszenia pod kątem θr A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

5. Rozpraszanie molekularne Teorie Rayleigha i SmoluchowskiegoEinsteina αe– polaryzowalność ośrodka • Promieniowanie rozproszone jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali. A zatem im krótsze promieniowanie tym silniejsze rozpraszanie. • Symetria rozkładu natężenia promieniowania rozproszonego względem płaszczyzny prostopadłej do kierunku rozchodzenia się promieniowania, a także dookoła tego kierunku A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

6. Rozpraszanie na dużych cząstkach • Opisuje teoria Mie • Najważniejsze wnioski: • Brak wyraźnej zależności od długości fali • Indykatrysa rozpraszania silnie wyciągnięta do przodu (por. wykres obok) Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

7. Rozpraszanie światła w morzach i oceanach Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

8. Równanie przenoszenia energii promienistej w morzu Kolejne składniki po prawej stronie równania opisują: • ubytek radiacji na drodze dr na skutek zjawiska rozpraszania i pochłaniania w ośrodku; wkład każdego z tych procesów do ogólnego osłabiania, charakteryzowanego współczynnikiem c określa się przy pomocy współczynników objętościowych rozpraszania b i absorpcji a, które w wodzie spełniają warunek addytywności: c=a+b • przyrost radiacji na jednostkowej drodze promieniowania na skutek rozpraszania w kierunku ξ promieniowania z otoczenia, rozchodzącego się we wszystkich dowolnych kierunkach ξ'. • wkład do promieniowania w kierunku ξ źródeł światła znajdujących się wewnątrz ośrodka na drodze dr. A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

9. Równanie przenoszenia • Funkcja drogowa • Funkcja źródła – najczęściej pomijalnie mała A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

10. Prawo Bouguera-Lamberta Najdalej idącym uproszczeniem jest założenie, że składniki równania opisujące wzmocnienie radiacji na skutek rozpraszania są zaniedbywalnie małe w stosunku do rozpatrywanego strumienia promieniowania. Pomijamy je zatem i otrzymujemy rozwiązanie w znanej postaci prawa Bouguera-Lamberta: A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

11. Pomiar współczynnika osłabiania Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

12. Osłabianie światła w wodach naturalnych c = cw + cp + cy + cs + cd aw + bm + ay + ap + bp + as + cd w - czysta woda y - substancje żółte p - zawiesiny s - sole morskie d - inne domieszki (np. sztuczne zanieczyszczenia zawarte w wodzie) Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

13. Dopływ energii słonecznej do powierzchni morza • Stała słoneczna: FSQ=1366 W·m-2 • Osłabianie promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej • rozpraszanie molekularne • osłabianie na aerozolach • osłabianie przez chmury • pochłanianie przez parę wodną • pochłanianie przez ozon • pochłanianie przez inne gazy (CO2, O2) • Grubość optyczna atmosfery: • zenitalna grubość optyczna atmosfery: • W przypadku atmosfery płaskorównoległej: • Optyczna masa atmosfery:

14. Transmisja światła przez powierzchnię morza • Prawo Snella i wzory Fresnela • Transmisja przez sfalowaną powierzchnię morza • Pojęcie albedo przeciętnie: Rw=0.48; E↑/ E↓≈0.03÷0.04 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

15. Przenikanie energii światła naturalnego w głąb toni morskiej A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

16. Optyczna klasyfikacja wód morskich Jerlova • Odpowiednie, typowe w różnych wodach przebiegi Ed(z) określone w czasie słonecznej pogody, spokojnym morzu i małych odległościach zenitalnych Słońca zostały przez Jerlova ponumerowane i stanowią podstawę klasyfikacji optycznej wód morskich nazywaną od nazwiska autora klasyfikacją Jerlova. • Cyframi rzymskimi od I do III oznaczone są wody oceaniczne, natomiast cyfry arabskie od 1 do 9 oznaczają wody przybrzeżne w taki sposób, że im większa wartość tym słabsza penetracja takich wód przez promieniowanie elektromagnetyczne. Czyste wody przybrzeżne Najczystsze wody oceaniczne A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

17. Optyczna klasyfikacja wód morskich Jerlova A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

18. Strefowość biologiczna • Strefa eufotyczna = powierzchnia do ~200 m (obfitość światła) • definicja fizyczna - głębokość do której dociera 1% oświetlenia na powierzchni morza • definicja hydrobiologiczna - głębokość, na której produkcja tlenu w procesie fotosyntezy pokrywa się z jego zapotrzebowaniem do oddychania przez komórki organizmów wytwarzających go w procesie fotosyntezy • Strefa dysfotyczna = 200 m do 1000 m (ślady światła) • Strefa afotyczna = poniżej 1000 m (brak światła) A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

19. Oświetlenie kwantowe • W biooptyce wygodniej jest posługiwać się pojęciem strumienia kwantów niż strumienia energii. Związek pomiędzy tymi wielkościami ustala znany wzór Einsteina. Z definicji, oświetlenie kwantowe Eq(λ): gdzie: c - prędkość światła, h - stała Plancka (6.6·10-34J·s) • W praktyce częściej zamiast [liczba kwantów·s-1m-2nm-1] posługujemy się jednostkami [E·m-2·s-1] gdzie 1 E (einstein) równy jest 6.022·1023 kwantów lub po prostu 1 mol fotonów A. Krężel, fizyka morza - wykład 8

20. Promieniowanie fotosyntetycznie czynne • Suma oświetlenia wyrażonego w jednostkach kwantowych, docierającego do danego miejsca w morzu, w przedziale widma pomiędzy 350 i 700 nm: gdzie: N0 - liczba Avogadro • Wielkość ta, jak widać, obejmuje wszystkie fotony z zakresu widma od 350 do 700 nm docierające do danej głębokości w morzu niezależnie od tego czy i w jakim stopniu zostaną one ostatecznie wykorzystane w procesie fotosyntezy. Jest to najbardziej popularna i szeroko stosowana miara ilości energii promienistej w morzu w odniesieniu do procesów biooptycznych. • W dużym przybliżeniu (~10%) tuż pod powierzchnią wody: A. Krężel, fizyka morza - wykład 8