Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne

Prezentacja na temat: "Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne"— Zapis prezentacji:

1 Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne
Fizyka morza – wykład 7 Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

2 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

3 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. Zagadnienia związane z transmisją promieniowania elektromagnetycznego i jego oddziaływaniem z ośrodkiem materialnym teoretycznie można by rozpatrywać w przypadku najbardziej ogólnym tzn. nie dzieląc w tym celu widma na poszczególne pasma. Jednak doświadczenia badawcze widoczne chociażby w obrazie widma osłabiania promieniowania elektromagnetycznego w wodzie (rys. ) w sposób ewidentny uzasadniają wygodę tradycyjnego podejścia tzn. traktowania osobno pewnych jego przedziałów; w naszym przypadku przedziału jaki przed chwilą zdefiniowaliśmy jako światło Widmo współczynnika osłabiania promieniowania elektromagnetycznego w czystej wodzie (Dera 2003) A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

4 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

5 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

6 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

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

8 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. Głębokość ta zmienia się dość znacznie w czasie i przestrzeni. Zależy ona przede wszystkim od przezroczystości wody czyli, trywializując nieco problem, od jej czystości. W najbardziej przezroczystych wodach oceanu (np. w Morzu Sargassowym) dochodzi do 150 m; przeciętnie w oceanie jest to ok. 100 m, w Bałtyku kilkanaście metrów, a w wodach przybrzeżnych może być jeszcze mniej. W warstwie tej zachodzi większość procesów, które określamy mianem produkcji pierwotnej materii organicznej. W otwartym oceanie podstawowymi procesami decydującymi o wielkości transmisji energii słonecznej w głąb są procesy biologiczne związane z produkcją, przemianą i obumieraniem materii organicznej. Dostarczają one składników powodujących absorpcję i rozpraszanie światła, które tylko w bardzo niewielkim stopniu zależą od temperatury, zasolenia i ciśnienia. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

9 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. Część z nich nie jest nazwana i zdefiniowana w fizyce klasycznej co w jakiejś mierze jest wynikiem przyjęcia przez Preisendorfera tzw. dwukierunkowej analizy pola światła w morzu. Ma ona swoje uzasadnienie w fakcie niewielkiej zmienności pola światła w kierunku poziomym w stosunku do pionowego. W optyce morza posługujemy się wyłącznie wielkościami określanymi w optyce jako energetyczne ignorując wielkości i jednostki tzw. fotometrii subiektywnej (naświetlenie, promienność, kandela, luks, lumen etc.) A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

10 Ilość energii promienistej Q [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

11 Strumień promieniowania Φ [J/s]/[W] (moc promieniowania)
Ilość energii promienistej Q przechodzącej przez pewną powierzchnię A w jednostce czasu t. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

12 Natężenie promieniowania I(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

13 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

14 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

15 Oświetlenie skalarne E0 [Wm-2]
r, θ, φ - współrzędne określające położenie punktu w przestrzeni Oświetlenie nieskończenie małej powierzchni sferycznej otaczającej punkt p przez radiację światła dochodzącego do tego punktu ze wszystkich kierunków ξ. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

16 Oświetlenie (wektorowe) E [Wm-2]
Oświetlenie normalne płaszczyzny (np. płaszczyzny poziomej na danej głębokości w morzu). A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

17 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↑ :

18 A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

19 Podstawowe wielkości fotometryczne stosowane
w optyce morza Wielkość Określenie Symbol Jednostki Promieniowanie energia elektromagnetyczna emitowana, przenoszona lub otrzymywana Energia promienista ilość energii przenoszona przez promieniowanie Q, W [J] Strumień promieniowania prędkość przenoszenia energii promienistej [W] Emitancja energetyczna strumień promieniowania emitowany z jednostki powierzchni [Wm-2] Oświetlenie strumień promieniowania padający na jednostkę powierzchni Natężenie promieniowania strumień promieniowania emitowany przez element źródła w nieskończenie mały kąt bryłowy, w kierunku zawartym w tym kącie, podzielony przez ten kąt [Wsr-2] Radiacja (luminancja energetyczna) strumień promieniowania emitowany w jednostkowy kąt bryłowy na jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku transmisji [Wm-2sr-1] F, J, A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

20 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. Światło rozchodzące się w ośrodku materialnym czyli także w wodzie morskiej podlega procesowi osłabiania. Wiąże się ono z dwoma grupami zjawisk fizycznych, które określamy mianem pochłaniania i rozpraszania. W ich wyniku radiacja ulega stopniowemu zmniejszaniu wzdłuż drogi promieniowania, aż do całkowitego zaniku. Oczywiście, zgodnie ze znanymi nam prawami fizyki, a w tym przypadku zgodnie z zasadą zachowania energii, nie jest to zniknięcie 'bez śladu'. Energia przenoszona przez światło ulega zamianie na inną postać lub/oraz zostaje skierowana w innym kierunku niż rozpatrywany. A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

21 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

22 A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Czysta woda problem otrzymania idealnie czystej wody A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

23 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) 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

24 Substancje żółte (CDOM)
Obszar a(λ0) Morze Sargassowe Północny Atlantyk 0.02 Upwelling marokański Wybrzeże Peru 0.05 Basen marsylski Bałtyk 0.24 Zatoka Botnicka 0.41 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

25 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

26 A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
Chlorofil Dwa maksima absorpcji: pierwsze, silniejsze w paśmie nm i drugie, słabsze w paśmie nm A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

27 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