О́птика океа́на, раздел физики океана, изучающий оптические свойства морской воды и закономерности распространения светового излучения в морской среде, включая его прохождение через взволнованную поверхность моря. К объектам исследования оптики океана принято относить также пресноводные водоёмы. Кроме того, оптика океана изучает распространение светового излучения в системе атмосфера – океан.

Оптические свойства морской воды

С оптической точки зрения морская вода – это светорассеивающая среда, поэтому оптику океана относят к оптике мутных сред. Специфика распространения светового излучения в океане обусловливается особенностями поглощающих и рассеивающих свойств морской воды. Последние зависят от количественного и качественного состава растворённого и взвешенного в морской воде вещества. Состав морской воды чрезвычайно разнообразен и изменчив: окрашенные органические соединения, фитопланктон, бактерии, детрит, взвешенные частицы (выносимые в море реками и ветром, а также попадающие в море в результате абразии берегов, таяния льдов, вулканических извержений). Оптические свойства воды определяются в основном частицами с размерами 10⁻⁷–10⁻⁵ м. Со взвешенными частицами связана одна из характерных особенностей морской воды – резкая асимметрия углового распределения рассеянного света (свет рассеивается преимущественно в направлении падающего пучка). В чистой воде рассеяние вперёд и назад (в переднюю и заднюю полусферы относительно направления падающего пучка) одинаково, в морской воде коэффициент асимметрии, как правило, больше 10, а в некоторых районах даже больше 100. Половина всего рассеянного излучения обычно сосредоточена в диапазоне углов рассеяния 2–10°.

Основной задачей исследований оптических свойств морской воды является изучение их пространственной и временнóй изменчивости в зависимости от состава содержащегося в морской воде вещества, источников его поступления, процессов распространения и трансформации. Оптические свойства описываются набором характеристик, который включает показатели поглощения, рассеяния и ослабления света, индикатрису рассеяния (угловое распределение рассеянного света). Оптика океана устанавливает количественные соотношения между оптическими характеристиками морской воды и концентрацией содержащихся в ней рассеивающих частиц.

Световое поле создаётся в морской воде как естественными (прежде всего Солнцем), так и искусственными источниками. Характеристики светового поля зависят от оптических свойств воды и параметров источников излучения. Исследование этой зависимости проводится как теоретически, так и экспериментально. В основе теоретических методов лежит интегро-дифференциальное уравнение переноса излучения, специфика решения которого для морской среды связана с сильной вытянутостью индикатрисы рассеяния. Экспериментальное направление включает лабораторные исследования на искусственных модельных средах и измерения, проводимые непосредственно в море (с борта судна, стационарных платформ, заякоренных буёв, подводных аппаратов).

История развития

Первые лабораторные и теоретические исследования, связанные с оптикой океана, начиная с 1725 г. проводил П. Бугер. Первые измерения непосредственно в море провёл в 1815–1818 гг. капитан О. Е. Коцебу. Интенсивное развитие оптики океана началось после 1-й мировой войны и было вызвано появлением подводных лодок, а также возросшим интересом к морской биологии. В 1922 г. Ч. В. Раман и В. В. Шулейкин одновременно и независимо пришли к выводу о том, что цвет моря обусловлен рассеянием и поглощением света. В 1924 г. Г. А. Гамбурцев вывел формулу, позволяющую найти спектральное распределение световых потоков на любой глубине (в том числе на поверхности). В 1936 г. А. А. Гершун опубликовал общую теорию светового поля в рассеивающей среде и успешно применил её для исследования распространения солнечного света и искусственного излучения в водной толще. Первый комплекс оптической аппаратуры для измерений, проводимых в морских экспедициях, был создан в Институте океанологии во 2-й половине 1960-х гг. С использованием этого комплекса были проведены систематические гидрооптические измерения в экспедиционных рейсах в различных морях и океанах. Эти измерения показали широкое разнообразие оптических свойств морской воды и характеристик световых полей в океанских водах. Например, пропускание метровым слоем воды направленного светового пучка на длине волны 5,5·10^–7 м изменяется от менее 5 % в мутных прибрежных водах до почти 98 % в чистых глубинных водах; глубина видимости белого диска – от менее 1 м в прибрежных водах до максимального значения 67 м, зарегистрированного в Тихом океане к северо-западу от о. Раротонга. Толщина т. н. слоя фотосинтеза (определяемая глубиной, на которой уровень фотосинтетически активной радиации падает в 100 раз по сравнению с поверхностным слоем) изменяется от менее 10 м в водах высокой продуктивности до более 100 м в малопродуктивных водах.

Создание в 1960-х гг. импульсных лазеров, излучающих короткие мощные световые импульсы, привело к возникновению нового направления оптики океана, занимающегося изучением закономерностей формирования нестационарного подводного светового поля и возможностей лазерного зондирования водной среды. Выяснилось, что лазерные пучки могут достаточно глубоко проникать в водную толщу: лазерный сигнал от излучателя, расположенного на борту судна, удавалось регистрировать на глубине более 250 м. Измерения обратно рассеянного излучения посредством лидаров дают возможность получать информацию о структуре подповерхностного слоя океана.

Практическое значение

Оптика океана определяется потребностями морской биологии в данных об уровнях светового излучения на различных глубинах, необходимостью знания оптических характеристик и умения рассчитывать параметры, требуемые для оценки подводной видимости (в частности, для видеосъёмки), уникальными возможностями оптических методов для исследования и мониторинга морей и океанов. Оптические методы позволяют проводить исследования среды без её изменения, они практически безынерционны, обеспечивают высокое пространственное разрешение, потенциально большой объём и разнообразие получаемой информации. Оптические зонды (прозрачномеры, нефелометры, флуорометры) широко используются для исследования пространственного распределения взвеси, фитопланктона, окрашенного органического вещества, изучения гидродинамических процессов.

Световое излучение (в отличие от микроволнового и звукового) проходит через морскую поверхность с малыми потерями, что даёт возможность проводить исследования подповерхностного слоя океана дистанционно (с борта судна, самолёта, ИСЗ). В 1978 г. запущен первый спутниковый сканер цвета океана, который за почти 8 лет своей работы на орбите дал огромный объём информации о количественных характеристиках цвета различных океанов и зависимости цвета морской воды от биопродуктивности вод и других факторов. Спутниковые сканеры цвета обладают высокой экономической эффективностью и позволяют получать информацию о динамических процессах в поверхностном слое (в частности, о распространении речных стоков), оценивать концентрацию хлорофилла и световой режим в водной толще, содержание взвеси и окрашенной органики, качество воды в прибрежной зоне и др.