Оптические свойства водной среды и законы распространения в ней света. Существует ли предельная глубина проникновения солнечного света

Очень большое значение, кроме солёности, температуры и течений, в распределении жизни в океане играет свет и его проникновение вглубь океана. Без света растительные организмы не могут развиваться; чем глубже в воду проникает свет, тем глубже проникают и растения. Прозрачность воды чрезвычайно различна, - она больше вдали от берегов и уменьшается во внутренних морях. Чем больше в воде живых организмов, тем менее вода прозрачна. Очень прозрачные воды морей, особенно красивого густого синего цвета, - это воды, скудные жизнью. Самые прозрачные моря - Саргассово и Средиземное.

Способы измерения прозрачности воды имеют свою историю. Долгое время прозрачность определяли, опуская на глубину белый диск и отмечая тот момент, когда он перестаёт быть видимым с борта корабля. Таким способом прозрачность воды определяется ещё и теперь.

Солнечный свет и свет небесного свода, достигающий поверхности моря, частично отражается, а в определённой части проникает в толщу воды и освещает её на большую или меньшую глубину. Освещённость поверхностных слоёв моря зависит от многих причин: от географической широты места, от сезона года, от облачности, от высоты солнца над горизонтом, от количества и состояния влаги в атмосфере. Чем ниже солнце над горизонтом, тем меньше проникает света под поверхность моря. Что же касается проникновения света в толщу воды, то это обусловливается количеством взвешенных в воде частиц (сестон), как живых (биосестон), так и неживых (абиосестон). Неживые тела в свою очередь можно разделить на минеральные и детрит, или остатки организмов. Количество света, проникающее в толщу воды, и глубина, на которую он проникает, определяют развитие в воде растительных организмов.

Количество света, проникающего под поверхность моря, в северных широтах относительно всегда меньше, чем в южных, вследствие более низкого стояния солнца, однако там это в летнее время в значительной степени компенсируется длительностью дня. В силу этого оказывается, что поверхность полярного моря получает в июне в общем то же количество света, что и под экватором, зато в зимнее время оно оказывается близким к нулю.

Наибольшая прозрачность воды, при определении её с помощью белого диска, была констатирована в Саргассовом море и равнялась 66,5 м. В Средиземном море отмечена прозрачность до 60 м, в Тихом океане до 59 м, в Индийском океане до 50 м. В Баренцовом море прозрачность не превышает 45 м, в Северном море 23 м, в Балтийском 13 м, в Белом 8–9 м. В Азовском море прозрачность не превышает 2,75 м, а в летнее время, когда в воде Азовского моря развивается громадное количество одноклеточных водорослей, прозрачность может составлять всего 10–12 см, т. е. белый диск на этой глубине исчезает из глаз наблюдателя (рис. 48).

Рисунок 48.

Хотя в открытых морях свет и проникает на очень большую глубину, однако уже в толще первого метра он теряет половину своей силы, причём красные лучи поглощаются быстрее всего, а голубые и зелёные проникают всего глубже. В дестиллированной воде на глубину в 100 м могут доходить только зелёные, голубые и фиолетовые лучи. Даже человеческий глаз способен улавливать свет на очень большой глубине. Американец Биб, опустившийся в изобретённой им батисфере на глубину 900 м в районе Бермудских островов (Саргассово море), в верхних 50 м наблюдал зелёную окраску воды, на 60 м - зеленовато-синюю или сине-зелёную, на 180 м - ясный синий цвет, на 300 м - слабый черновато-синий и ещё на глубине 580 м улавливал последние следы света. Наиболее необходимые для фотосинтеза красные и жёлтые лучи затухают ранее всего.

При помощи различных приборов (фотографические пластинки, в последнее время различные фотоэлектрические приборы) свет удаётся констатировать на значительно больших глубинах. Однако для развития растительных организмов этого света уже недостаточно. Процесс фотосинтеза требует довольно большого количества света и преимущественно красной части спектра, поэтому уже на глубине 150–200 м даже в самых прозрачных морях растительные организмы исчезают (рис. 49).

Рисунок 49.

Жить растения могут и на гораздо большей глубине, но процесс фотосинтеза настолько ослабевает, что они уже не могут создать необходимые для их питания вещества. Состояние, при котором процесс фотосинтеза как раз обеспечивает существование самого растительного организма, называют точкой компенсации. Это состояние соответствует обычно очень незначительной глубине (табл. 10).

Растительные организмы, находящиеся глубже, существуют уже, видимо, в условиях светового голодания. Они оказываются здесь в результате постоянного и неизбежного опускания вниз планктонных организмов, лишённых способов активного передвижения.

Нижняя граница распространения донной флоры в Балтийском море всего 20 м, у берегов Исландии 50 м, в Средиземном море 130–160 м. Что же касается наибольшего скопления растений, то оно располагается в более высоких горизонтах, но не в самых поверхностных.

Наибольшее скопление фитопланктона у побережий северо-западной Европы имеет место на глубине 10–30 м, у берегов Калифорнии и в Средиземном море на глубине 25–55 м. Глубже фитопланктон существует в более разрежённом состоянии. Обычно наблюдаемое слабое развитие планктона в поверхностных 10 м может быть следствием неблагоприятного воздействия прямых солнечных лучей, иногда сильного прогрева, иногда значительного опреснения и свойственных поверхностному слою сильных волнений и, само собой разумеется, постоянно идущего процесса опускания под влиянием тяжести.

В распространении растений в море, по сравнению с сушей, имеется несколько характерных особенностей. Растения в море дают картину гораздо более равномерного горизонтального распределения, чем на суше. Это находится в полном согласии с равномерностью распределения в воде света и растворённых питательных солей, отсутствием в воде фактора недостаточной влажности, часто тормозящего развитие растительности на суше, гораздо меньшей амплитудой колебаний температуры, отсутствием, например, таких явлений, как вечная мерзлота и низкая отрицательная температура. Но морские растения распределены более равномерно и по сравнению с морскими животными, поскольку нужные растениям питательные ресурсы - CO 2 (+свет) и минеральные вещества - также распределены равномернее, чем питательные вещества для животных. Наконец, растения слабее реагируют в своём распространении на температурный фактор, нежели животные.

С неравномерностью проникновения лучей разной длины волны в толщу воды связано явление вертикальной зональности в преобладающей окраске животных и растений. Животные очень часто бывают окрашены в дополнительный цвет к той части спектра, которая проникает на данную глубину, в результате чего приобретают защитную окраску, кажутся серыми, незаметными. В верхних горизонтах животные большей частью окрашены в буровато-зеленоватые цвета, а глубже в красные. На больших глубинах, лишённых света, животные бывают большей частью или окрашены в чёрный цвет или совсем лишены окраски (депигментированы). Водоросли также дают смену окраски с глубиной - с зелёной на бурую, а дальше красную, в силу чего в самых верхних горизонтах преобладают зелёные водоросли, их сменяют бурые и глубже всего идут красные водоросли. У растений окраска приобретает не защитную роль, как у животных, а приспособительную к наилучшему использованию соответственных лучей спектра в целях фотосинтеза.

Огромное значение в жизни водоемов имеет свет и его проникновение. От этого зависит жизнь растений и организмов: чем дальше свет будет проходит в толщу воды, тем глубже будут расти растения. Но при изучении вопроса о проникновении света нужно учесть множество "переменных".

Факторы, влияющие на проникновение света

Свет проникает в толщу воды на глубину, при этом освещение зависит от разных внешних факторов. Например, при закате солнца меньшее количество света проходит под слои воды, чем в полдень, а на севере он проникает хуже, чем на юге и т. д.

Вода в водоемах не бывает чистой, в ней обязательно присутствуют разные вещества: грунт, пыль, остатки разлагающихся организмов, ил, мелкие животные и растительность, пузыри воздуха, газ. А при дополнении таких факторов как ветер, конвекционные потоки, атмосферные явления, увеличивается.

Особенно крупным водоемам это достается от рек, впадающих в них. Все эти частицы поглощают иди ослабляют свет. Лучи, которые встречают на своем пути подобные препятствия, изменяются и могут рассеиваться по сторонам. От этого и зависит, проникает свет в толщу воды на глубину или нет.

Наиболее прозрачная вода была зафиксирована в Саргассовом море, там она достигала шестидесяти шести метров, а в Азовском - не более двенадцати сантиметров.

Солнечный луч

Он состоит из видимых и невидимых спектров, инфракрасные и ультрафиолетовые относятся к последнему. Вода в море по-разному вбирает в себя Так на глубине в половину метра поглощается только инфракрасное излучение, поэтому свет на такой глубине белый.

Если погрузиться на пять метров, то к свету добавляются еще другие оттенки: синий и зеленый. Чем глубже уровень, тем больше поглощаются красные и желтые, а остаются синие и зеленые цвета. Если опуститься на глубину в пятьдесят метров, море будет приобретать синюю окраску.

Одним американским ученым было проведено исследование без применения различных приборов, чтобы проверить: свет проникает в толщу воды на глубину или нет. Он был погружен в специальном аппарате на 900 метров в районе Саргассового моря. Так на уровне 50 метров он видел воду в зеленом цвете, 60 - в сине-зеленом, 180 - чисто в синем цвете, 300 м в черно-синем, 580 - был еле виден свет, а наиболее нужные для водных организмов красные и желтые лучи пропали самыми первыми.

Свет для растительности вод

С помощью разных приборов лучи можно зафиксировать и в очень глубоких местах, но для растительности этого уже мало, фотосинтезу нужно больше красного света, отсюда и скудная растительность на глубине двухсот метров, даже прозрачного моря. В Балтийском море донная флора распространяется не ниже двадцати метров, а в Средиземном - на ста шестидесяти.

Интересен тот факт, что растительность морей растет более равномерно по горизонтали, чем на земле - это говорит об одинаковом распределении солнечных лучей и минеральных веществ, необходимых для них.

Проникает свет в толщу воды на глубину или нет влияет также на окрас животного мира и растений. Если в верхних слоях живность окрашена в бурые и красные оттенки, то на глубинах преобладают черные и лишенные цвета животные.

Хотя солнечный свет не проникает в толщу воды океана до самого дна, однако глубина не совсем черная без него. В той темноте попадаются точки света - это светящиеся рыбы, которые используют свое умение для привлечения добычи. На такой глубине не солнце или малые крупицы его света - ресурс для существования: сера и кислород, которые выделяются из термальных растворов, являются источником жизни.

Проникновение света в воду и лед

Из вышесказанного понятно, что разные частицы задерживают свет и его проникновение в воду, а тем более снег и лед в зимнее время года. Так ледяной слой в 50 сантиметров пропустит менее 10 процентов света, а если он еще и покрыт снегом, проникновение будет всего в 1 процент.

До какой глубины проникает свет в толщу Байкала

При изучении вопроса о глубине проникновения света в Байкале, в 2012 году учеными случайно установлен факт, «свечения» воды в этом озере, но глазам человеческим этого увидеть не дано, это лишь подтверждается специальными приборами.

Оказывается, что вода этого озера производит свет в любом месте, но на глубине уменьшается его насыщенность. Недалеко от острова под названием Ольхон, где находится станция, был установлен факт минимального свечения - сто фотонов. Этот феномен связывают с чистотой воды, а его интенсивность - с временем года.

С середины зимы жизнь «свечения» как будто замирает, а далее возрождается. В то время, когда проводились исследования, начало возрождения пришлось на таинство Крещения. Факт свечения воды в этом месте недостаточно изучен, это еще только предстоит ученым.

Ранее при исследовании вопроса о том, как глубоко в толщину воды проникает солнечный свет в этом озере, была выдвинута цифра в 100 метров, но космические исследования показали, что дно можно увидеть на глубине в 500 метров. Отсюда предполагается, что лучи могут проникнуть до 1000 метров. И этот вопрос сегодня подлежит обширному исследованию.

Глубоководники утверждают, что, опустившись на 800 метров, можно еще увидеть дневной свет, а исчезновение его полностью при регистрации фотопластинкой происходит на 1500 метрах.

Узнав, как солнечный ультрафиолет проходит через атмосферу различного состава, мы должны теперь рассмотреть его проникновение в воду. Ведь ранняя жизнь не могла существовать на суше в непосредственном контакте с атмосферой, через которую свободно проходили смертоносные ультрафиолетовые лучи. Ранняя жизнь, конечно, была защищена от этого излучения или горными породами, или почвой, или водой озер и морей.

Уже тонкого слоя горной породы или почвы достаточно для защиты от коротковолнового ультрафиолета, однако передвижение по порам в толще песка или глины или из одной естественной пещеры в другую весьма затруднительно. В крупных водоемах передвижение организмов требует значительно меньших усилий. Поскольку эволюция хотя бы на некоторых этапах предполагает достаточно хорошее сообщение между разными популяциями и биотопами и поскольку на заре развития жизни для защиты от ультрафиолета требовался значительный слой воды, можно предположить, что главную роль в развитии жизни сыграли именно обширные водоемы. В этом разделе мы рассмотрим ограничения, накладывавшиеся на раннюю жизнь проникновением ультрафиолета через атмосферу и верхние слои гидросферы. На графике, приведенном на фиг. 94, показано проникновение солнечного ультрафиолета разной длины волны в жидкую воду при разных уровнях содержания кислорода в атмосфере.

Фиг. 94. Глубина проникновения солнечного ультрафиолета в жидкую воду в различных атмосферах (с содержанием свободного кислорода 0,001; 0,01; 0,1; 1 и 10 PAL) . Если бы в атмосфере не происходило поглощения, то ультрафиолет с длиной волны 180 нм проникал в воду менее чем на 1 см, свет с длиной волны около 280 нм - почти на 10 м, а красный свет конца видимой части спектра - примерно на 100 м. В примитивной атмосфере, в которой содержание О 2 поддерживается за счет автоматического регуляторного механизма Юри на уровне около 0,001 современного, картина мало изменится. Но уже при содержании кислорода 0,01 современного должны произойти большие изменения. Смертоносное излучение с длинами волн от 230 до 275 нм задерживается уже в атмосфере, а ультрафиолет с меньшей длиной волны проникает в воду всего на 1 м. При содержании кислорода в 10 раз ниже современного уровня все летальное излучение с длиной волны менее 290 нм поглощается в атмосфере и жизнь может выйти на сушу

Сравнивая фиг. 94 с графиками, приведенными в предыдущем разделе, мы видим, что наш новый график охватывает более широкий участок спектра. Дело в том, что в предыдущих разделах мы интересовались главным образом неорганическими фотохимическими реакциями синтеза "органических" соединений. Такие реакции протекают под действием света с длиной волны до 210 нм. Теперь же нас интересует летальное действие солнечного ультрафиолета на живое вещество, т. е. речь идет уже не о возможности синтеза, а о возможности избежать распада. Живые клетки сильнее всего поглощают ультрафиолет с длиной волны от 240 до 280 нм. Облучение таким светом может быть смертельным даже при энергии ниже установленного нами предела поглощения, т. е. ниже 1 эрг на 1 см 2 в спектральном интервале шириной 5 нм. Вот почему сейчас мы будем говорить об ультрафиолете с несколько большей длиной волны.

На фиг. 94 показано общее поглощение ультрафиолета водой, кислородом и озоном. В чисто теоретическом случае облучения водоема, не защищенного никакой атмосферой, проникновение ультрафиолетового солнечного излучения в воду описывается гладкой кривой (сплошная линия на фиг. 94). Вода практически непрозрачна для жесткого ультрафиолета: свет с длиной волны 180 нм пройдет в воде меньше 1 см. Свет с длиной волны около 280 нм пройдет уже около 10 м, прежде чем поглотится; красные же лучи видимого спектра проникают до глубины 100 м.

В случае примитивной атмосферы, в которой содержание кислорода не превышает 0,001 его современного уровня, положение изменится слабо.

Сильное поглощение озоном ультрафиолета с длиной волны от 240 до 270 нм (фиг. 91) приводит к ослаблению этих волн уже в атмосфере. Становится также значительным поглощение в атмосфере более коротковолнового излучения, и теперь для полного поглощения солнечного ультрафиолета достаточно слоя воды толщиной всего 1 м.

При повышении содержания кислорода в атмосфере до 0,1 современного совместное действие кислорода и озона распространяется до длин волн около 290 нм. Это означает, что весь смертоносный ультрафиолет поглощается в атмосфере. Жизнь уже не нуждается в подводном убежище и может выйти на сушу.

Запись к врачу-стоматологу в Нижнем Новгороде через интернет на

На большие глубины моря проникает мало солнечных лучей. Это происходит, прежде всего, потому, что не все солнечные лучи проникают в воду. Часть их отражается. При этом, чем ниже стоит солнце над горизонтом, тем больше лучей отражается от поверхности моря.

Известно, что белый свет - свет сложный. Он состоит из различных цветов. Проникая в воду, солнечный луч распадается на свои составные части; при этом лучи разных цветов проникают на различную глубину. Красные лучи полностью поглощаются первыми несколькими десятками метров воды, зелёные почти исчезают на глубине в 100 метров. Только фиолетовые лучи проникают глубже, но и они исчезают на глубине более 1500 метров. Был проведён такой опыт. В море в особом приборе - фотометре была выставлена фотографическая пластинка на глубине в 1700 метров, и, несмотря на трёхчасовую выдержку, пластинка не потемнела. Следовательно, на этой глубине нет даже признаков света.

О том, как много света поглощает вода, могут дать представление следующие цифры: на глубине в 10 сантиметров под поверхностью воды имеется только 80 процентов света, упавшего на поверхность; на глубине в 20 метров света уже остаётся 10 процентов; на глубине 50 метров - всего 1 процент и на глубине 100 метров - только 0,002 процента от света, падающего на поверхность моря.

Распространение водных растений на глубине зависит от проникновения света в воду. Они, как и растения суши, нуждаются в солнечном свете и поэтому на глубине более 200 метров не встречаются.

В океанах и морях наблюдают удивительное явление свечения моря. На суше часто можно видеть различных светляков; это - гусеницы, жуки и др. Но такого массового явления, как свечение моря, на суше не бывает. Иногда море бывает покрыто ровной пеленой молочного света. Свет то усиливается, то ослабевает. Это деятельность некоторых морских бактерий. Гораздо чаще на море можно видеть массу мелких вспышек белого, зелёного или красноватого цвета. Это светятся одноклеточные существа, называемые "ночесветками", Кроме того, в море светятся различные рыбы, раки, медузы и другие животные. Они дают яркие большие вспышки, главным образом, от механического раздражения: от удара волны, от соприкосновения с корпусом корабля и т. п.

Свечение моря представляет красивую картину. Однако во время войны светящиеся организмы могут демаскировать идущий втайне ночью корабль, расставленные мины и т. п. и вызывают законную тревогу моряка.

Для определения прозрачности воды употребляют простой прием: погружают в воду белый диск (диск Секки) и замечают, на какой глубине он становится невидим. Можно белый диск заменить также электрической лампочкой. Прозрачность колеблется в среднем между 30-50 м. Примеры:

• В Саргассовом море была зарегистрирована прозрачность до 66 м.
• В Средиземном море наибольшая прозрачность наблюдались у берегов Сирии и в Ионическом море — до 50-60 м.
• В Черном море при опыте с лампочкой зафиксирована прозрачность 77 м.
• В Северном море прозрачность всего 20—22 м.

Глубина проникновения света зависит от длины волны. В предельно чистой морской воде при переходе от красного света к синему глубина проникновения видимого света (до полного затухания - 30 дБ, в 1000 раз) растет от 11 до 160 м (постоянная поглощения 0,310—0,021 м -1). Ультрафиолетовые лучи проникают в воду еще глубже. Воздействие ультрафиолета на фотопластинку заметно до глубины максимум 500-1000 м.

Моделирование спектра поглощения воды с помощью прикладной программы SPECTRA показывает, что увеличение глубины проникновения с уменьшением длины волны продолжается в ультрафиолетовых поддиапазонах A (400-320 нм) и B (320-275 нм) с минимумом затухания в поддиапазоне C (275-180 нм). Затем затухание начинает возрастать с резким подъёмом при длине волны около 160 нм. Так, если постоянная поглощения красного света (700 нм) составляет 1,0 м -1 , то соответственно в фиолетовой области спектра (400 нм) — 0,355 м -1 ; в ближнем ультрафиолете (320 нм) — 0,262 м -1 ; при 275 нм - 0,235 м -1 ; при 180 нм — 0,588 м -1 . То есть, в коротковолновом диапазоне глубина проникновения УФ излучения сравнима с таковой для видимого света. [Обратите внимание: цифры в этом абзаце несколько отличаются от приведенных выше, что отражает разброс в опубликованных научных данных.]

Цвет морской воды определяется глубиной проникновения света разной длины волны. Красные и оранжевые лучи спектра поглощаются или по преимуществу поглощаются и на незначительной глубине. Голубые и фиолетовые лучи поглощаются в меньшей степени и потому имеют больше шансов отразиться в обратном направлении, к поверхности. Поэтому вода кажется голубой. При незначительной глубине или низкой прозрачности от дна или взвешенных в воде частиц наряду с голубыми отражаются также красные и оранжевые лучи и вместе дают зеленый цвет. Если глубина совсем небольшая (у кромки берега, в стакане) различия в поглощении света разных цветов не успевают сказаться, и вода выглядит бесцветной.

Примеси, приносимые реками, также влияют на окраску: в Желтом море получается жёлтый цвет из-за выносимого реками лесса. Красное море имеет массу микроорганизмов красноватого цвета около берегов. Иногда вода бывает молочно-белая или черная; последнее случается из-за торфа, выносимого реками. Такие примеси вызывают искажение цвета воды около берега, а вдали от берегов они не оказывают никакого влияния. Также на цвет воды может влиять фосфоресценция микроорганизмов.

Цвет морской воды колеблется между зеленым, голубым и кобальтово-синим (если не принимать во внимание влияние примесей и различий, обусловливаемых цветом неба: в ясную погоду цвет моря более голубой или синий, в пасмурную — серый, свинцовый). Цвет воды зависит от физических ее свойств, но связь здесь не прямая, а косвенная. Замечено, что более соленая и теплая вода имеет более интенсивный голубой цвет, тогда как холодная и менее соленая — более зеленоватый. Поэтому южные моря обычно голубые, а северные — зеленые. Над более глубокими местами цвет голубой, над менее глубокими — зеленый. Чем больше соленость в воде, тем скорее происходит осаждение мелкой мути, и вследствие этого возрастает прозрачность воды (отсюда — более синий цвет).

Вследствие этих причин наиболее сильный голубой цвет должен находиться в области пассатов. В действительности зона эта несколько сдвинута. Наибольшая соленость находится под 30° широты, а зона кобальтово-синего цвета воды лежит между 10 и 30°: в Атлантическом океане (в северном полушарии), и в Индийском (в южном).

Средиземное море синего цвета, Черное море — тоже, но оттенок слабее. Зеленоватого цвета Северное море, зеленого — Балтийское и северная часть Каспийского. У Ньюфаундленда, где сливаются два течения — Лабрадорское и Гольфстрим, ясно видно их различие по цвету: Гольфстрим — нежно голубого цвета, а Лабрадорское — зеленого. У западных берегов Америки (Калифорния, Перу) и Африки (Бенгуэла) проходят холодные течения, оттого вода там более зеленоватого цвета.

Источники:

• Прозрачность и цвет морской воды — сокращенное изложение из книги А.А. Крубер, "Общее землеведение", Москва—Ленинград, 1938
• Cвойства ультрафиолета в воде — на физическом форуме приводятся данные по прозрачности воды в разных ультрафиолетовых поддиапазонах, дается ссылка на программу моделирования непрозрачности воды.
• Попов Н. И., Фёдоров К. Н., Орлов В. М., Морская вода: Справочное руководство. — М.: Наука, 1979. — Данные о поглощении света и ультрафиолета в чистой морской воде.