Петтерссоновский прозрачномер конструктивно был улучшен И. Йозефом. В его измерителе прозрачности имеются две герметичные камеры. В одной из них помещается коллимированный источник света — лампа накаливания с линзой и диафрагмой — и контрольный фотоэлемент. Во второй камере находились конденсорная линза и диафрагма, препятствующая попаданию дневного света на установленный в этой камере приемный фотоэлемент. Между линзой и диафрагмой помещался диск с цветными светофильтрами. Обе камеры жестко соединялись между собой трубой с прорезями, в которую свободно входила морская вода.
Создаваемые в дальнейшем у нас и за рубежом прозрачномеры принципиально не отличались от упомянутых приборов (лишь вместо фотоэлементов стали использоваться фотоумножители). Внешний вид и оптическая схема одного фотоэлектрического прозрачномера (ФПР) представлены на рис. 20 и 21. Конструкция этого прибора и его последующих модификаций разрабатывалась под руководством А. К. Карелина.
Интересные образцы фотоэлектрических прозрачномеров сконструированы Г. Г. Неуйминым и А. Н. Парамоновым. Один из них (МИФП-3) позволяет осуществлять зондирование прозрачности до глубины 2000 м. Если все перечисленные выше прозрачномеры соединялись с лабораторией на борту судна с помощью кабеля, то в МИФП-3 используется телеметрическая или акустическая связь.
Рис. 20. Внешний вид фотоэлектрического прозрачномера ФПР
Рис. 21. Оптическая схема измерителя прозрачности
1 — лампа; 2 — зеркало; 3, 7, 12, 14 — линзы; 4, 8, 11, 13 — диафрагмы; 5 — теплозащитное стекло; 6 — опорный фотоэлемент; 9, 10 — защитные иллюминаторы; 15 — измерительный фотоэлемент; 16 — светофильтры
Неуймин разработал также прозрачномер, в котором можно менять длину пути света в воде, или, как говорят, измерительную базу. В этом прозрачномере использован принцип многократного отражения светового луча от системы из трех сферических зеркал одинакового радиуса и кривизны.
Наряду с вертикальным зондированием прозрачности представляет интерес и ее регистрация во время движения корабля. Один из первых вариантов такого прибора создан И. Йозефом в 1946 г. Прибор буксировался за кормой корабля на металлическом тросе и соединялся с лабораторией кабелем. Недостаток же этого метода измерения состоял в том, что прибор «рыскал» и не находился постоянно на заданной глубине.
К. Полевицкий сконструировал буксируемый прозрачномер, жестко связанный с кораблем специальной штангой. В 1952 г. Йозеф для непрерывной регистрации прозрачности использовал шахту в трюме корабля «Гаусс». В нее он поместил простейший прозрачномер. Через отверстие в днище корабля в шахту непрерывно поступала морская вода. С помощью такого устройства Йозеф осуществил обширные исследования в Атлантическом океане и Северном море.
Зондирующие буксируемые прозрачномеры позволяют исследовать прозрачность в естественных условиях. Приборы, входящие во вторую группу, дают возможность получить представление о прозрачности лишь в отдельных точках, но благодаря им можно измерить прозрачность в батометрических пробах, взятых практически с любых глубин. Преимущество лабораторных приборов также и в том, что они проще и надежнее в эксплуатации, под контролем непрерывно находится работа всех элементов прибора.
Японские исследователи для определения прозрачности морской воды разработали специальный объективный фотометр-прозрачномер с измерительной кюветой длиной всего 15 см. Источником света в нем служит лампа накаливания, а приемником— фотоумножитель. Прозрачность воды вычисляется из отношений фототоков при прохождении света через пробу воды и воздух.
Рис. 22. Схема прибора СГН-57, используемого в качестве прозрачномера
1 — осветитель; 2 — кювета с водой; 3 — зеркало; 4 — окуляр
В исследованиях американского ученого В. Барта применялся кварцевый спектрофотометр со специальной кюветой длиной 50 см. В нем вода сравнивалась со стандартом (дважды дистиллированной водой).
Упомянутые приборы, особенно японский прозрачномер, имеют малую измерительную базу, которая не позволяет с высокой точностью проводить измерения в водах высокой прозрачности.
В течение последних лет советские исследователи применяют стандартный прибор СГН-57. На рис. 22 представлена оптическая схема СГН-57, используемого в качестве прозрачномера. Узкий пучок света от лампы 1 проходит через слой воды, залитой в кювету прибора 2, и, отразившись от сферического зеркала 3, возвращается в окуляр 4. Наблюдатель, выравнивая яркость фотометрических полей измерительной и сравнительной ветвей прибора, фиксирует определенный отсчет на специальном барабане с делениями. Так как СГН-57 проходит предварительную градуировку, то по этому отсчету можно получить величину прозрачности.
Прозрачность морской воды — важнейшая оптическая характеристика. Приборы и методы ее измерения непрерывно совершенствуются.
Оптика моря помогает океанологии
…Штиль. Безмятежно поблескивает поверхность океана. Ни малейшего признака волнения. Но оказывается, что под спокойной зеркальной гладью происходят волнообразные колебания слоев воды — внутренние волны. Масштабы этих волн-невидимок грандиозны. Редко высота штормовой волны превышает 10 м, а высота внутренних волн может исчисляться сотнями метров.
Об их существовании узнали, измеряя температуру и соленость в одном и том же месте, на одних и тех же глубинах. Оказалось, что значения этих характеристик изменяются с определенной последовательностью и периодичностью.
Особенно рельефно проявляются внутренние волны в изменении глубины залегания слоев скачка, т. е. слоев, в которых температура и плотность резко меняются по вертикали.
Знание глубины нахождения слоев скачка весьма важно. Замечено, что именно около этих слоев обычно держатся промысловые косяки рыбы. Для подводных лодок слой скачка — это «жидкий грунт», на который ложится подводная лодка.
Под действием внутренних волн глубина слоя скачка может резко измениться. Существует версия, что гибель американской атомной подводной лодки «Трешер» произошла как раз по этой причине. Не исключено, что лодка, лежавшая на «жидком грунте», за короткое время оказалась на значительно больших глубинах, что и привело ее к гибели.
С помощью фотоэлектрического прозрачномера можно легко и быстро определять положение слоя скачка. Естественно, что этот прибор фиксирует не перепад плотности или температуры, а оптически рассеивающий слой — скопление частиц, оседающих над слоем плотностного или температурного скачка. Состав частиц может быть различен, но в открытом океане, как известно, в оптически рассеивающем слое преобладают мельчайшие водоросли — фитопланктон.
Биологи «Витязя», прежде чем приступить к своим исследованиям, выясняют у оптиков, как расположены слои скопления фитопланктона.
Если длительное время периодически зондировать прозрачность в толще воды, устанавливая каждый раз положение мутного слоя, залегающего над слоем скачка плотности и температуры, то можно получить представление о параметрах внутренних волн: их амплитуде и периоде.
В последние годы в Тихом и Атлантическом океанах на больших глубинах были обнаружены мощные мутные слои воды. Так, в сентябре 1965 г. американские исследователи с помощью нефелометра зафиксировали над дном Алеутской впадины насыщенный частицами слой толщиной 900 м. Появление этих мутных вод во впадине специалисты связывают с действием так называемых мутьевых потоков, возникших в результате землетрясений. Их роль еще не ясна. Предполагают, в частности, что они способны «пропиливать» глубокие подводные каньоны. Для исследования этого интересного природного явления, видимо, наиболее эффективными следует признать оптические методы. Обнаружение глубинных слоев мутной воды проще всего осуществлять оптическими приборами — прозрачномерами или нефелометрами. Кстати, американские исследователи так и назвали эти слои — нефелоидные. Последующее детальное их изучение можно проводить, сочетая измерение прозрачности и характеристик рассеяния с подводным фотографированием, а в будущем — и с подводным телевидением.
Остановимся еще на одном геологическом разделе океанологии, где оптика моря в состоянии оказать существенную помощь. Речь идет о береговых процессах.
Беспрестанная работа волн приводит к изменению морских берегов. Необходимо зорко следить за тем, чтобы прекрасный пляж, который служит тысячам людей, не был разрушен и унесен морем, не говоря уже о том, что унесенный материал способен совершенно занести морской порт. Поэтому надо детально анализировать, куда и как переносится обломочный береговой материал. Волны и течения могут нести его вдоль и поперек берега. Здесь и потоки гальки — «каменные реки», и мельчайшие взвешенные частицы (объект исследования оптиков моря).
