Кроме описанных приборов существует множество разновидностей измерителей подводной освещенности, но, как правило, они различаются между собой лишь количеством используемых светофильтров, устройствами для их переключения или другими конструктивными особенностями, не имеющими принципиального значения.
Наряду с положительными качествами фотоэлектрических приемников излучения им свойствен один, но весьма значительный недостаток: все они селективны, т. е. неодинаково реагируют на излучение различных длин волн. Изучая свет в море, часто необходимо измерить суммарную лучистую энергию на разных глубинах. А для этих целей удобно пользоваться неселективными приемниками излучения, принцип действия которых основан на термоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электродвижущей силы за счет различной степени нагрева черных и белых поверхностей термоэлемента[22].
Батареи, собранные из определенного количества термоэлементов, получили наименование пиранометров. В оптических исследованиях в море чаще всего пользуются пиранометром конструкции Янишевского. Приемник такого пиранометра представляет собой поверхность, составленную из системы последовательно соединенных полосок манганин — константановых термоэлементов. Поверхность эта имеет вид шахматной доски из черных и белых клеток, так как часть спаев (горячие) окрашена сажей, а часть (холодные) — магнезией в белый цвет.
При работе в море пиранометр помещается в герметичный корпус со стеклянным окном. Включенный в цепь гальванометр регистрирует ток, вырабатываемый термобатареями, поглощающими лучистую энергию. Самым крупным недостатком подводного пиранометра является небольшая чувствительность, что не позволяет использовать его даже в очень прозрачных водах на глубинах, превышающих 50–60 м.
Из следующих разделов книги станет ясно, что для морских биологов, изучающих процессы фотосинтеза в море, крайне важно знать величину суммарной энергии по крайней мере до глубин 100–150 м. Это привело к необходимости создать прибор, который бы обладал достоинствами подводного пиранометра (неселективностью), но имел гораздо большую чувствительность.
Такой прибор сейчас создан В. П. Рвачевым и его сотрудниками на кафедре оптики Черновицкого государственного университета. По принципу действия он назван вариоспектрометрическим измерителем подводной облученности или сокращенно ВАРИПО.
На рис. 40 изображена оптическая схема этого прибора. Свет попадает на иллюминатор из молочного плексигласа 1 и через щель 2 — на систему линз 3. Отсюда свет в виде параллельного пучка проходит в призму 4 прямого зрения (так называемая призма Амичи). Она разлагает свет в спектр, который проектируется объективом 5 на нормирующую диафрагму 6, а затем через линзу 7 попадает на фотоэлектронный умножитель 8.
Рис. 40. Оптическая схема вариоспектрометрического измерителя подводной облученности (ВАРИПО)
1 — иллюминатор; 2 — приемная щель; 3 — система линз; 4 — призма прямого зрения; 5 — объектив; 6 — нормирующая диафрагма; 7 — линза; 8 — ФЭУ
«Секрет» прибора заключается именно в нормирующей диафрагме. Ее функция состоит в том, чтобы «исправить» спектральный состав света, приведя его в своеобразное соответствие со спектральной чувствительностью фотоэлектронного умножителя — приемника излучения в приборе ВАРИПО.
На рис. (41, 1) видно, что фотокатод ФЭУ по-разному реагирует на излучение различных длин волн, т. е. он селективен. Если на пути между ФЭУ и светом, разложенным в спектр, поставить фигурную щель (диафрагму), вырезанную таким образом, как указано на рис. 41, 2), то чувствительность ФЗУ будет «исправлена» и примет вид кривой 3. Другими словами, фигурная нормирующая диафрагма задержит часть лучей, к которым «излишне» чувствителен ФЭУ, и в результате будет получен неселективный приемник излучения в определенном участке спектра, к тому же совершенно нечувствительный к излучению за пределами этого участка.
Рис. 41. Спектральная чувствительность ФЭУ до коррекции 1 фигурной диафрагмой 2 и ее вид после коррекции 3
Рис. 42. Прибор для измерения углового распределения естественного излучения в море
Прибор ВАРИПО устроен так, что он реагирует на свет в диапазоне от 380 до 700 нм. Это так называемая область фотосинтетически активной радиации. ВАРИПО гораздо чувствительнее подводного пиранометра, и. несмотря на большие потери световой энергии при прохождении света через сложную оптическую систему, с его помощью можно вести измерения на глубинах 100–150 м.
Измерения освещенности хотя и дают интересные сведения об изменении света с глубиной, но далеко не исчерпывают всего, что нам необходимо знать об излучении, распространяющемся в толще моря.
Наиболее полную информацию можно получить из измерений тела яркости, т. е. углового распределения интенсивности излучения по различным направлениям. Такие измерения выполнил американский ученый Дж. Тайлер на озере Панд-Орей. Яркомер погружался под воду до глубины 66 м и ориентировался в пространстве гироскопическим устройством. Угол зрения приемника излучения был около 7°.
Обычно угловое распределение интенсивности излучения измеряют лишь в двух перпендикулярных плоскостях. Внешний вид прибора для подобных измерений показан на рис. 42. Его использовал японский гидрооптик профессор Т. Сасаки.
На рисунке видны два приемника излучения, один из которых вращается в вертикальной 1, а другой — в горизонтальной 2 плоскостях. Особенность измерителя состоит в том, что его приемниками служат ФЭУ, снабженные специальной оптической системой, позволяющей ограничить угол зрения приемника всего лишь 4°. Зафиксировав излучение в нескольких точках в вертикальной и горизонтальной плоскостях на разных глубинах, можно построить диаграммы углового распределения света.
Эти измерения, исключительно трудоемкие, требуют сложной аппаратуры и потому до сего времени носят экспериментальный характер.
В Советском Союзе их проводили М. Н. Кайгородов, Г. Г. Неуймин и А. К. Карелин.
Почему разные моря имеют разный цвет
Чем определяется цвет моря
«Летая вокруг земного шара, — рассказывает советский космонавт Герман Титов, — я воочию убедился, что на поверхности нашей планеты воды больше, чем суши. Великолепное зрелище являли собой длинные полосы волн Тихого и Атлантического океанов, бегущих к далеким берегам…
Океаны и моря, так же как и материки, отличаются друг от друга своим цветом. Богатая палитра, как у русского живописца-мариниста Ивана Айвазовского, — от темно-синего индиго Индийского океана до салатной зелени Карибского моря и Мексиканского залива»[23].
Цвет моря с давних времен привлекал внимание людей. Поэты воспевали изменчивость окраски морской поверхности, а ученые искали причины, ее объясняющие. В наше время прозрачность и цвет моря перестали быть лишь объектами поэтических восторгов и любознательности ученых. В XX в. эти факторы приобрели важное военное значение. Об этом еще в 1939 г. писал английский журнал «United Services Review»: «Все главные державы в отношении подводного флота применяют окраску, имеющую целью укрыться от воздушных сил противника или, по крайней мере, затруднить их деятельность. Наши собственные подводные лодки окрашиваются в различные цвета в зависимости от морей, в которых они оперируют. Нами применяются серо-зеленые цвета для Атлантического океана, синие — для Средиземного моря, черные — для Красного моря и некоторых других вод. Французские подлодки в своих водах — либо светлосерые, либо сине-зеленые, в то время как голландские подлодки для своих вод — темно-зеленые, с черным — для тех, которые базируются в Ост-Индии. Подводные лодки в Японии окрашиваются почти все в черные цвета».
О факторах, определяющих видимость подводных объектов, мы будем подробно говорить в следующей главе, а сейчас попробуем разобраться, чем же объясняется видимый цвет моря и почему разные моря имеют разный цвет.
Как будто в этом нет ничего удивительного, ведь известно, что воды морей и океанов различаются своими оптическими свойствами. Действительно, заполняя исследуемой водой трубку метровой длины с прозрачными торцами, даже визуально на просвет можно отличить, например, воду Индийского океана, имеющую голубоватую окраску, от воды Северного моря, окраска которой представляется зеленой. Темно-коричневую окраску болотной воды невозможно спутать с желто-зеленым цветом балтийской.
