A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26 Fizyka morza – wykład 8 Elementy optyki morza A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

Zjawisko rozpraszania światła 2017-03-26 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 Przechodząca przez taki ośrodek fala elektromagnetyczna może ulec odbiciu lub załamaniu, może także pobudzić jego elementy do drgań stających się zarazem źródłem promieniowania. W rzeczywistości zjawiska te określane jako rozpraszanie światła mogą powodować nie tylko zmianę kierunku jego rozchodzenia się ale także natężenia, polaryzacji i częstotliwości. Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

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 2017-03-26

A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 Definicje 2017-03-26 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   Podobnie jak miało to miejsce w przypadku oświetleń, gdzie definiowaliśmy ich wielkości odgórne i oddolne, także tutaj definiuje się współczynniki rozpraszania charakteryzujące wielkość tego zjawiska w określonych półsferach. W tym przypadku określamy współczynniki charakteryzujące wielkość promieniowania rozproszonego do przodu i wstecz: A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

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 2017-03-26

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 2017-03-26

Rozpraszanie światła w morzach i oceanach Rodzaj wody/rejon badań Długość fali [nm] Współczynnik rozpraszania b [m1] Źródło Czysta woda 350 400 450 500 600 0.1035 0.0581 0.0349 0.0222 0.00109 Morel, 1974 Czysta woda oceaniczna 0.01345 0.00775 0.00454 0.00288 0.00141 Środkowy 0 m Pacyfik 0 m 2385 m 465 625 0.054 0.051 0.013 0.011 Jerlov, 1976 Północny Atlantyk 520 0.0464.1 Ivanov, 1975 Morze Śródziemne 0.0693.0 Bałtyk Południowy 380 655 0.21 0.20 Zatoka Botnicka 0.31 0.28 Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

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 2017-03-26

Równanie przenoszenia Funkcja drogowa Funkcja źródła – najczęściej pomijalnie mała A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

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 2017-03-26

Pomiar współczynnika osłabiania Źr. Dera 2003 A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

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 2017-03-26

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: 2017-03-26

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 2017-03-26

Przenikanie energii światła naturalnego w głąb toni morskiej A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

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 2017-03-26

Optyczna klasyfikacja wód morskich Jerlova A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

Strefowość biologiczna 2017-03-26 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) Z definicją hydrobiologiczną strefy eufotycznej wiąże się problem przedziału spektralnego widma, który może być wykorzystany w procesie fotosyntezy. Przyjmuje się, że do tego celu organizmy wykorzystują energię z zakresu 350 - 700 nm. Jeśli spojrzymy jak zmienia się widmo oświetlenia w miarę transmisji promieniowania od powierzchni w głąb morza to łatwo skonstatujemy, że z wyjątkiem bardzo cienkiej warstwy powierzchniowej, cała energia świetlna penetrująca powierzchniową warstwę morza może być wykorzystana w tym procesie. Ocenia się, że w procesie fotosyntezy zużywane jest w wodach oceanów ok. 0,5%, a w skrajnych przypadkach 2-3% całej energii światła dziennego w morzu. A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 2017-03-26

A. Krężel, fizyka morza - wykład 8 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 2017-03-26

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 2017-03-26