Измерение цвета моря
«…Замечать надлежит, в какой мере странный или переменный цвет моря происходит от перемены глубины, от цвета морского дна или неба и облаков, от света солнечного или же от находящихся на поверхности воды инородных веществ…»[26] — так записано в инструкции, составленной О. Е. Коцебу во время его кругосветного плавания. Однако если для прозрачности воды Коцебу придумал количественную характеристику — глубину исчезновения белого диска, погружаемого в море, то цвет моря он определял лишь качественно — по цвету волн.
Только в 90-х годах прошлого века швейцарский географ Форель предложил первый примитивный прибор для наблюдения за цветом водоемов. Изучая цвет воды горных озер в швейцарских Альпах, Форель использовал набор пробирок, заполненных смесью растворов: синего и желтого, взятых в различных соотношениях.
Его метод необычайно прост: наблюдатель на глаз устанавливает, цвет какого раствора в пробирке совпадает с видимым цветом водоема. Каждая пробирка имеет свой номер. Номер выбранной наблюдателем пробирки записывается в журнал наблюдений в качестве количественной характеристики цвета. Форель использовал 13 пробирок, в которых синий и желтый раствор находились в следующих соотношениях:
№ I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XII Синий 100 98 95 91 86 80 73 65 56 46 35 23 10 Желтый 0 2 5 9 14 20 27 35 44 54 55 77 90
В качестве синего раствора он брал смесь медного купороса и аммиака, в качестве желтого — полпроцентный раствор хромпика.
Немецкий океанограф Уле приспособил шкалу Фореля специально для измерений цвета моря. Он изъял пробирки XII и XIII, так как эти цвета не встречались в морях, добавив 10 новых оттенков. Уле ввел третий вид раствора — коричневый, изготовив его путем добавления аммиака к сернокислому кобальту в присутствии воздуха. Соотношения растворов в пробирках Уле выглядят следующим образом:
№ XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX XX XXI Синий 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 Желтый 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 Коричневый 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Помещенная в деревянную рамку-оправу, предложенную Ю. М. Шокальским (рис. 48), шкала Фореля — Уле стала одним из стандартных океанографических приборов, хотя единой методики ее применения не было. Одни рассматривали эту шкалу на просвет или на фоне белой или черной бумаги, другие наблюдали ее на фоне моря или на фоне опущенного в воду белого диска.
Рис. 48. Шкала цветности
Ясно, что шкала Фореля — Уле могла дать лишь чисто качественную, очень субъективную оценку цвета моря. Главное и, пожалуй, единственное достоинство этого прибора — простота и доступность. А недостатков у него не счесть. Прежде всего с его помощью измеряют не «собственный» цвет моря, который именно и должен интересовать океанологов, а суммарный цвет отраженного поверхностью и выходящего из толщи световых потоков. Во-вторых, нарушаются основные требования колориметрической техники (т. е. техники цветовых измерений). Не предусмотрено постоянство фона, на который смотрят через прозрачные растворы шкалы. Отсутствует редкая граница между сравниваемыми полями (морем и раствором). Известно, что наблюдатель только тогда хорошо улавливает различия в цвете, когда сравниваемые поля имеют примерно одинаковую яркость, а у шкалы Фореля — Уле возможность уравнивать сравниваемые поля по яркости полностью отсутствует. Наконец, такой чисто технический, но весьма существенный недостаток — это непостоянство растворов (изменение их цвета, выцветание).
Тем не менее шкала Фореля — Уле получила самое широкое распространение в океанографии. Многочисленные измерения с ее помощью позволили установить, например, что цвету вод Средиземного моря соответствует цвет пробирки I, водам открытых районов всех океанов — I–II, Каспийскому морю — VII–IX, местам впадения рек в Балтийское море — XII.
Конечно, физики моря не могли примириться с недостатками шкалы Фореля — Уле, ведь ясно, что для установления физических закономерностей прибор совершенно не подходит. Усилия были направлены на создание более совершенного измерителя цвета. И такой прибор в 1939 г. создал А. А. Гершун. Названный гидрофотометром прибор позволяет измерять спектральные коэффициенты яркости моря ρ, т. е. спектральные отношения яркости выходящего из моря потока излучения к яркости падающего.
Рис. 49. Гидрофотометр ФМ-46
1 — фотометрическая головка прибора; 2 — труба; 3 — молочное стекло; 4 — фотометрическая призма; 5 — пластинка молочного стекла; 6 — зеркало; 7 — поворотная рукоятка зеркала; 8 — азимутальный штурвал; 9 — светофильтры
Позднее конструкция прибора получила дальнейшее развитие. Сейчас используется разработанный К. В. Маллером прибор подобного типа — гидрофотометр ФМ-46, имеющий ряд значительных преимуществ по сравнению с прибором Гершуна.
Конструкция прибора ФМ-46 представлена на рис. 49, а его внешний вид — на рис. 50. Помимо технических усовершенствований (возможность проведения измерений с высокобортных судов, пригодность для работы в тропиках) прибор обладает весьма ценным качеством — он позволяет измерять яркость излучения, выходящего из толщи моря не только строго по вертикали (в надир), но и под различными углами к ней и в различных азимутах по отношению к Солнцу.
Рис. 50. Так измеряют цвет моря
Прибор ФМ-46 представляет собой визуальный фотометр, в котором сравниваются яркости двух фотометрических полей. Одно из них создается светом, выходящим из толщи моря (по данному выбранному направлению), а другое — естественным светом Солнца и небосвода, освещающим пластинку молочного стекла 5 на фотометрической головке прибора 1. Фотометрическая головка прибора снабжена трубой 2, нижний конец которой на 10–15 см погружен под воду. Для наблюдения толщи моря в заданном направлении на нижнем конце трубы укреплено визирное зеркало 6, которое можно наклонять рукояткой 7 (меняя угол с вертикалью) и поворачивать штурвалом 8 (меняя азимут). Шесть цветных светофильтров 9, установленных в приборе, позволяют измерять спектральный состав выходящего из толщи моря излучения. Яркости фотометрических полей уравниваются путем перемещения молочного стекла 3, находящегося между фотометрической призмой 4 и приемным стеклом 5. Сама труба состоит из трех секций, ее общая длина (в зависимости от высоты борта судна) может быть либо 3,5, либо 6 м. В комплект прибора входит также специальное приспособление для крепления его к борту судна. Наблюдения проводятся с борта судна, освещенного Солнцем. Для измерений требуется почти штилевая погода, и при волнении выше двух баллов наблюдения должны прекращаться. Измеряя коэффициенты яркости моря, необходимо следить за облачностью и фиксировать высоту Солнца.
