Optyka morza - przedmiot badan i podstawowe wielkosci fotometryczne

1
Optyka morza - przedmiot badan i podstawowe
wielkosci fotometryczne
Fizyka morza wyklad 7
2
Optyka morza

• czesc fizyki morza zajmujaca sie problemami
• opisu i analizy zachowania sie swiatla przy jego
  przejsciu przez powierzchnie morza i dalej w toni
  morza
• w jaki sposób energia swietlna jest
  wykorzystywana przez fizyczne, chemiczne i
  biologiczne procesy w oceanie
• w jaki sposób swiatlo moze byc wykorzystane do
  transmisji informacji w morzu i przez jego
  powierzchnie

3
Swiatlo

• Pod pojeciem swiatlo rozumiemy zazwyczaj
  promieniowanie elektromagnetyczne z okreslonego
  przedzialu widma powodujace u czlowieka reakcje
  zmyslowa okreslana jako widzenie.
• Przecietnie jest to przedzial dlugosci fal od 360
  do 700 nm. W przypadku optyki morza, granice te
  sa nieco szersze tzn. od ultrafioletu (260 nm) do
  bliskiej podczerwieni (ok. 1 µm). Ta dolna
  granica jest zwiazana z najkrótszym teoretycznie
  promieniowaniem jakie moze dotrzec do powierzchni
  morza przez atmosfere ziemska (ze wzgledu na
  pochlanianie przez ozon zawarty w atmosferze).
  Obie wielkosci nie sa jednak scisle okreslone.

Widmo wspólczynnika oslabiania promieniowania
elektromagnetycznego w czystej wodzie (Dera 2003)
4
Promieniowanie sloneczne na powierzchni morza

• Promieniowanie sloneczne dociera do powierzchni
  morza w jej okreslonym miejscu na Ziemi w postaci
  i ilosci uwarunkowanej aktualnym wzajemnym
  polozeniem Slonca jako zródla i Ziemi w sensie
  planety. Zróznicowanie wielkosci energii
  slonecznej powstajace z tego powodu tzn. z
  przyczyn, które mozemy okreslic jako
  astronomiczne ma swoje odzwierciedlenie w
  zmiennosci znanej jako dobowa i sezonowa.
• Gestosc spektralna stalej slonecznej
• Znacznie bardziej skomplikowane jest
  uwzglednienie zmiennosci powodowanej przez
  koniecznosc przejscia promieniowania slonecznego
  na jego drodze do morza przez atmosfere ziemska.
  W jego rezultacie do powierzchni morza w danym
  miejscu dociera bezposrednie promieniowanie
  sloneczne oslabione w atmosferze na skutek
  pochlaniania i rozpraszania przez jej skladniki
  oraz skierowane w kierunku tego miejsca po
  rozproszeniu jedno i wielokrotnym.

5
Transmisja promieniowania slonecznego przez
powierzchnie morza

• Na powierzchni morza promieniowanie sloneczne
  jest odbijane lub/i transmitowane w glab zgodnie
  z zasadami sformulowanymi jeszcze w XVII wieku
  przez Snelliusa i pózniej przez Fresnela, a
  wczesniej opisywanymi przez Ptolemeusza czy
  Arystotelesa. Proces ten jest komplikowany przez
  falowanie i jego pochodne (np. pokrycie morza
  piana) i prowadzi do powstawania m.in. zjawiska
  krótkookresowych fluktuacji pola swiatla
  wywolanych ogniskowaniem promieniowania przez
  fale.

6
Oddzialywanie swiatla z woda morska

• W toni wodnej swiatlo, które ostatecznie tutaj
  dotarlo podlega calemu szeregowi transformacji,
  sposród których najwazniejsze to
• absorpcja prowadzaca do zamiany energii
  promienistej na cieplna,
• absorpcja i rozpraszanie na substancjach
  rozpuszczonych i zawieszonych w wodzie,
• zamiana na energie chemiczna w procesie
  fotosyntezy
• reemisja w postaci fluorescencji przez chlorofil
  a i inne optycznie aktywne pigmenty
• Ocenia sie, ze ok. 75 tlenu w atmosferze
  ziemskiej pochodzi z morza, a zródlem energii do
  jego produkcji jest wlasnie energia swiatla.

7
Oddzialywanie swiatla z woda morska
piec istotnych grup skladników wody morskiej
decydujacych o jej wlasciwosciach optycznych

• czysta woda
• substancje zólte
• substancje zawieszone (zawiesiny)
• nieorganiczne
• organiczne
• fitoplankton (chlorofil i inne pigmenty)
• detrytus (obumarla materia organiczna)

8
Transmisja swiatla w glab morza

• Wspomniane procesy zachodza przede wszystkim w
  warstwie morza okreslanej jako strefa eufotyczna.
  
• Strefa eufotyczna - powierzchniowa warstwa wody,
  której dolna granice okresla glebokosc, do której
  dociera 1 energii promieniowania slonecznego tuz
  pod jego powierzchnia. Odpowiada to mniej wiecej
  glebokosci, na której poziom oswietlenia jest
  taki, ze produkcja tlenu w procesie fotosyntezy
  pokrywa sie z zapotrzebowaniem na tlen do
  oddychania przez komórki.

9
Podstawowe wielkosci fotometryczne stosowane w
optyce morza

• Zbiór wielkosci optycznych stosowanych w optyce
  morza opracowany i przyjety przez organizacje
  miedzynarodowa IAPSO (ang. International
  Association for Physical Science of the Ocean).
• Terminologia i definicje zostaly zaczerpniete w
  duzej mierze z publikacji Preisendorfera (1961),
  który generalnie wzorowal sie na fundamentalnej
  pracy dotyczacej teorii przenoszenia energii
  promienistej w atmosferach planet S.
  Chandrasekhara Radiative transfer opublikowanej w
  1950 r.
• Ich opis mozemy znalezc zarówno w wymienionych
  pracach jak równiez w monografii Jerlova Marine
  Optics z 1976 r., bedacej poprawiona wersja
  pierwszej monografii z tej dziedziny wydanej w
  1968 r. p.t. Optical oceanography.
• W jezyku polskim terminy, definicje i objasnienia
  zawarte sa w podreczniku Dery Fizyka morza
  (2003). Wiekszosc zdefiniowanych wielkosci
  istnieje takze w klasycznej fizyce, jednak w
  przypadku jezyka polskiego pod innymi nazwami.

10
Ilosc energii promienistej Q J

• Ilosc energii przenoszonej przez promieniowanie
  elektromagnetyczne
• gdzie h stala Plancka (6.62510-34 Js-1), ?
  c/? czestotliwosc (c -predkosc swiatla (3108
  ms-1), ? dlugosc fali promieniowania), N
  liczba fotonów, którym przypisujemy czestotliwosc
  ?

11
Strumien promieniowania F J/s/W (moc
promieniowania)
Ilosc energii promienistej Q przechodzacej przez
pewna powierzchnie A w jednostce czasu t.
12
Natezenie promieniowania I(?) W/sr

• gestosc katowa strumienia promieniowania
• Wielkosc strumienia promieniowania przypadajaca
  na jednostke kata brylowego ? wokól kierunku ?.

13
Radiacja (luminancja energetyczna) L(?)
Wm-2sr-1

• Strumien energii promieniowania przypadajacy na
  jednostke powierzchni prostopadlej do kierunku
  jego rozchodzenia sie ?, zawarty w jednostkowym
  kacie brylowym d? wokól kierunku ?. ? kat
  padania.

14
Oswietlenie (gestosc strumienia radiacji) E
Wm-2

• Moc promieniowania przypadajaca na jednostke
  powierzchni.
• Jesli okreslamy moc promieniowania powierzchni
  emitujacej promieniowanie wtedy najczesciej
  uzywamy symbolu M i okreslenia emitancja
  energetyczna.

15
Oswietlenie skalarne E0 Wm-2
r, ?, f - wspólrzedne okreslajace polozenie
punktu w przestrzeni

• Oswietlenie nieskonczenie malej powierzchni
  sferycznej otaczajacej punkt p przez radiacje
  swiatla dochodzacego do tego punktu ze wszystkich
  kierunków ?.

16
Oswietlenie (wektorowe) E Wm-2
Oswietlenie normalne plaszczyzny (np. plaszczyzny
poziomej na danej glebokosci w morzu).
17
Oswietlenie odgórne i oddolne

• Biorac pod uwage zalozenie o dwukierunkowej
  analizie pola swiatla w morzu definiuje sie
  oswietlenia skalarne odgórne, E0? i oddolne, E0?
• oraz wektorowe odgórne E? i oddolne, E?

18
(No Transcript)
19
Podstawowe wielkosci fotometryczne stosowane w
optyce morza
Wielkosc Okreslenie Symbol Jednostki
Promieniowanie energia elektromagnetyczna emitowana, przenoszona lub otrzymywana
Energia promienista ilosc energii przenoszona przez promieniowanie Q, W J
Strumien promieniowania predkosc przenoszenia energii promienistej W
Emitancja energetyczna strumien promieniowania emitowany z jednostki powierzchni Wm-2
Oswietlenie strumien promieniowania padajacy na jednostke powierzchni Wm-2
Natezenie promieniowania strumien promieniowania emitowany przez element zródla w nieskonczenie maly kat brylowy, w kierunku zawartym w tym kacie, podzielony przez ten kat Wsr-2
Radiacja (luminancja energetyczna) strumien promieniowania emitowany w jednostkowy kat brylowy na jednostke powierzchni prostopadlej do kierunku transmisji Wm-2sr-1
20
Wlasciwosci optyczne morza

• rzeczywiste (inherent) zaleza wylacznie od
  wlasciwosci fizycznych osrodka, a wiec wody
  morskiej i skladników w niej rozpuszczonych i
  zawieszonych
• pozorne (apparent) moga przyjmowac rózne
  wartosci w zaleznosci od czynników zewnetrznych
  takich jak np. wiatr, ilosc pro-mieniowania
  dochodzacego do morza od Slonca i atmosfery etc.

21
Pochlanianie swiatla

• Przekazywanie energii fotonów atomom i
  czasteczkom tego osrodka w procesie przenoszenia
  ich elementów na inne dozwolone poziomy
  energetyczne.
• Na podstawie badan empirycznych ustalono jakie
  skladniki wody morskiej maja najwiekszy wplyw na
  modyfikacje jej widma pochlaniania swiatla. Mozna
  podzielic je na trzy grupy
• czysta woda jako zwiazek chemiczny,
• substancje zólte,
• czasteczki zawieszone w wodzie, czyli tzw.
  zawiesina (przede wszystkim organiczna).

22
Czysta woda

• problem otrzymania idealnie czystej wody

23
Substancje zólte (CDOM)

• Substancje zólte, nazwane tak przez Kallego
  (1966), to nie do konca scisle zdefiniowane
  produkty metabolizmu roslin i zwierzat morskich i
  ich szczatki rozpuszczone w wodzie morskiej.
• Przecietne stezenia substancji zóltych w wodach
  naturalnych wynosza
• - w wodzie morskiej (oceany i morza otwarte)
  0.05-0.5 mg/dm3,
• - w wodach przybrzeznych do 5 mg/dm3,
• - w rzekach sa to wielkosci rzedu 10 mg/dm3
• Pomimo niezbyt wielkich stezen powoduja bardzo
  silna absorpcje swiatla w jego ultrafioletowym
  pasmie. Fizyczna przyczyna tego zjawiska jest
  fakt, ze tego rodzaju substancje chemiczne
  posiadaja m.in. elektrony luzno zwiazane z
  poszczególnymi atomami co z kolei stwarza
  mozliwosc licznych niskoenergetycznych przejsc
  elektronowych. W rezultacie daje to ciagle widmo
  absorpcji w obszarze promieniowania
  ultrafioletowego i fioletowego.

24
Substancje zólte (CDOM)
Obszar a(?0)
Morze Sargassowe 0
Pólnocny Atlantyk 0.02
Upwelling marokanski 0.034-0.075
Wybrzeze Peru 0.05
Basen marsylski 0.073-0.646
Baltyk 0.24
Zatoka Botnicka 0.41
Widma absorpcji swiatla w wodzie o róznej
zawartosci substancji zóltych (Dera 1983). 1 -
Zatoka Ryska 2 - Glebia Gotlandzka 3 - Morze
Sargassowe.
25
Zawiesiny

• Z punktu widzenia pochlaniania swiatla w morzu
  pod pojeciem zawiesiny rozumiemy najczesciej
  zawiesiny organiczne, a scislej te czastki
  organiczne, w których sklad wchodza tzw.
  pigmenty.
• Sa one najczesciej skladnikami fitoplanktonu, a
  najbardziej znany z nich to chlorofil,
  wystepujacy w odmianach a, b i c, a takze inne
  jak karoteny, fykoerytryna, fukoksantyna,
  phycocyanidy etc.

26
Chlorofil
Dwa maksima absorpcji pierwsze, silniejsze w
pasmie 430-440 nm i drugie, slabsze w pasmie
660-690 nm
27
Cecha charakterystyczna omawianych zjawisk
zwiazanych z pochlanianiem swiatla w wodzie
morskiej jest sumowanie sie efektu ich dzialania.
kolejne indeksy w, y, p, s, d oznaczaja
odpowiednio czysta wode, substancje zólte,
zawiesiny, sól morska i inne domieszki zawarte w
wodzie.