Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne

21.04.23

A. Krężel, fizyka morza - wykład 7

1

Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne

Fizyka morza – wykład 7Fizyka morza – wykład 7

21.04.23


2

Optyka morzaOptyka 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

21.04.23


3

ŚwiatłoŚwiatło

• 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.

wsp

ółc

zynn

ik o

słab

ian

ia ś

wia

tła

[m]

c-1

długość fali [ m]l m

0,2 1, 2,

104

10

10

10

10

10

10

3

2

1

0

-1

-2

1

2

3

4

Widmo współczynnika osłabiania promieniowania elektromagnetycznego w czystej wodzie (Dera 2003)

21.04.23


4

Promieniowanie słoneczne na powierzchni morzaPromieniowanie 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.

promienieodbite

atmosfera

Z I E M I A

promieniowanie Ziemi (podczerwone)

Qr

Q Qa b »0 -

T»const

Qb

w

promieniowanie słoneczne

21.04.23


5

Transmisja promieniowania słonecznego Transmisja promieniowania słonecznego przez powierzchnię morzaprzez 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.

21.04.23


6

Oddziaływanie światła z wodą morskąOddziaływanie 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.

21.04.23


7

Oddziaływanie światła z wodą morskąOddziaływanie światła z wodą morską

• czysta woda• substancje żółte• substancje zawieszone (zawiesiny)

– nieorganiczne– organiczne

• fitoplankton (chlorofil i inne pigmenty)• detrytus (obumarła materia organiczna)

pięć istotnych grup składników wody morskiej decydujących o jej właściwościach optycznych:

21.04.23


8

Transmisja światła w głąb morzaTransmisja 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.

21.04.23


9

Podstawowe wielkości fotometryczne Podstawowe wielkości fotometryczne stosowane w optyce morzastosowane 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.

21.04.23


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

i iQ N h

21.04.23


11

Strumień promieniowaniaStrumień promieniowania Φ [J/s]/[W] (moc promieniowania)(moc promieniowania)

dQF

dt dA

Ilość energii promienistej Q przechodzącej przez pewną powierzchnię A w jednostce czasu t.

21.04.23


12

Natężenie promieniowaniaNatężenie promieniowania I(ξ) [W/sr]

gęstość kątowa strumienia promieniowania

Wielkość strumienia promieniowania przypadająca na jednostkę kąta bryłowego ω wokół kierunku ξ.

( )( )

dI

d

w

21.04.23


13

Radiacja (luminancja energetyczna) Radiacja (luminancja energetyczna) LL((ξξ) [Wm) [Wm-2-2srsr-1-1]]

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.

2( )( )

cosn

dI dL

dA dA d

w

21.04.23


14

Oświetlenie (gęstość strumienia radiacji) Oświetlenie (gęstość strumienia radiacji) EE [Wm [Wm-2-2]]

Moc promieniowania przypadająca na jednostkę powierzchni.

Jeśli określamy moc promieniowania powierzchni emitującej promieniowanie wtedy najczęściej używamy symbolu M i określenia emitancja energetyczna.

dE

dA

21.04.23


15

Oświetlenie skalarneOświetlenie skalarne E0 [Wm-2]

Oświetlenie nieskończenie małej powierzchni sferycznej otaczającej punkt p przez radiację światła dochodzącego do tego punktu ze wszystkich kierunków ξ.

2

0

4 0 0

( ) ( ) ( ) ( , )sinpE r L d L d d

w

2 2

sinsin

dA r d dd d d

r r

w

r, θ, φ - współrzędne określające położenie punktu w przestrzeni

L( )

n

(x, y, z)

dA

21.04.23


16

Oświetlenie (wektorowe) Oświetlenie (wektorowe) EE [Wm [Wm-2-2]]

2

0 0

( ) ( ) cos ( , )sinE n L d L d d

w

L( )

Q

L( )

n n

(x, y, z)

z

( )x, y, z

dA dA

Oświetlenie normalne płaszczyzny (np. płaszczyzny poziomej na danej głębokości w morzu).

21.04.23 17

Oświetlenie odgórne i oddolneOświetlenie 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↑ :

2

2

2

00 0

2

00

( ) ( , , )sin

( ) ( , , )sin

E z L z d d

E z L z d d

2

2

2

0 0

2

0

( ) cos ( , , )sin

( ) cos ( , , )sin

E z L z d d

E z L z d d

21.04.23


18

0 0 0

0

E E E

E E E

21.04.23


19

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 [Wm-2]

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, dt

dQ

dA

dFM

dA

dFE

J, wd

dFI

wddA

FdL

cos

2

Podstawowe wielkości fotometryczne stosowane Podstawowe wielkości fotometryczne stosowane w optyce morzaw optyce morza

21.04.23


20

Właściwości optyczne morzaWłaściwości 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.

21.04.23


21

Pochłanianie światłaPochłanianie 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).

21.04.23


22

Czysta wodaCzysta woda

problem otrzymania idealnie czystej wody

400 500 600 700D ługość fa li [nm ]

0.0

0.2

0.4

0.6

Wsp

ółc

zyn

nik

ab

sorp

cji [

1/m

]

C larke i Jam es 1939

H ale i Q uery 1973

21.04.23


23

Substancje żółte (CDOM)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) 0.05-0.5

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.

21.04.23


24

Substancje żółte (CDOM)Substancje żółte (CDOM)

Obszar a(λ0)

Morze Sargassowe 0

Północny Atlantyk 0.02

Upwelling marokański 0.034-0.075

Wybrzeże Peru 0.05

Basen marsylski 0.073-0.646

Bałtyk 0.24

Zatoka Botnicka 0.41

0 0exp[ ( )]a a Sl l l l

Widma absorpcji światła w wodzie o różnej zawartości substancji żółtych (Dera 1983). 1 - Zatoka Ryska; 2 - Głębia Gotlandzka; 3 - Morze Sargassowe.

21.04.23


25

ZawiesinyZawiesiny

• 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.

21.04.23


26

ChlorofilChlorofil

C O H O C H O ) + H O + O2 2 2 2 2 28 h

(

Dwa maksima absorpcji: pierwsze, silniejsze w paśmie 430-440 nm i drugie, słabsze w paśmie 660-690 nm

21.04.23


27

w y p s da a a a a a

kolejne indeksy: w, y, p, s, d oznaczają odpowiednio: czystą wodę, substancje żółte, zawiesiny, sól morską i inne domieszki zawarte w wodzie.

Cechą charakterystyczną omawianych zjawisk związanych z pochłanianiem światła w wodzie morskiej jest sumowanie się efektu ich działania.

Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne

Documents

Transcript of Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne