海洋光学性质

在光辐射作用下所表现的海洋光学性质

海洋光学性质是海洋水体在光辐射作用下所表现的海洋光学性质。

内容简介

海洋的光学性质可分为两类：①海水的固有光学性质，它仅由海水本身的物理特性所决定。②表观光学性质，它决定于海水固有光学性质和海中辐射场的分布。

海水的固有光学性质主要指海水对光的散射和吸收。散射和吸收作用是光在海水中传播的两个基本过程，它们造成光的衰减。在均匀水体中的初始辐射通量为F的单色准直光束，经距离dr后，辐射通量衰减dF与dr和F成正比，表示为dF=-μFdr，式中的比例系数μ为海水的线性衰减系数,它明显地随波长而变（图1）。用准直光束透射率计可测量线性衰减系数或测量透射率Tr，Tr=Fr/F0。Fr、F0分别为在距离r处的和初始的辐射量。蓝绿光是海水的透射窗口，即处于线性衰减系数最小的光谱带。

在清澈的大洋水中，透射窗口为480nm左右，μ的最小值可低达0.05m；沿岸的海水由于含有较多的悬浮颗粒和黄色物质,透射窗口在530nm附近。精确的光谱实验没有发现窄谱段的透射窗口。透明度Zm是传统海洋调查中表征海洋水体透明程度的量。在船舷的背阴处，用直径为30厘米的白色圆板垂直沉入水中,所能看到的最大深度即为Zm。因此,透明度表征了随深度增加的、漫射光沿垂直方向的衰减量，也可用于表征水中能见度。很多海区的透明度Zm和表层水的线性衰减系数 μ的关系可表示为

。l为衰减长度，是表示水中能见度的一个量度单位。

散射受介质微粒作用而偏离直线传播方向的光辐射，它包括水中的米散射、瑞利散射和透明物质的折射所引起的随机过程。海水中直径远大于光波波长的悬浮颗粒和透明物质引起的散射强度，比水分子的瑞利散射大得多,其总散射系数b和波长的关系不大，可用下式表示：式中Ki为有效因子或散射有效面积；Ni为单位体积的粒子数；Di为粒子直径；n为粒子的光学类型数。

在准直光束的传输路径中，用体积散射函数β(θ)表示从一个小体积元所产生的射散，式中dI为与光束成θ角方向的辐射强度；dV为散射体积元；E为dV接收到的辐照度。总散射系数b等于β(θ)对整个立体角的积分，它分为前向散射系数和后向散射系数在海水中，瑞利散射的前后向基本对称，而悬浮颗粒的米散射的前向散射比后向散射强得多。体积散射函数的角分布的最大差值可达4个数量级以上，在与光束成90°方向附近的散射最小，小角度散射特别强，当角度趋于零时，β(θ)值将从切线方向趋近于入射光束的辐射通量（图2）。

这种特征，主要是由于准直光束透过折射率与水相近的透明生物体时，产生折射偏离所造成的。实际上，光束在传输路径上受到海水的散射和造成多次散射。吸收光子能量转变为热能、化学能等引起的多种热力学不可逆过程。光子的能量转变为水的热能是海洋中的主要吸收机制，而通过光合作用转变为化学能，对海洋生命的存在是不可缺少的。吸收系数用ɑ表示。

线性衰减系数μ=ɑ+b。μ随波长的变化，几乎全部是由海中悬浮物选择吸收所引起的。在清澈的海区，蓝光的散射系数和吸收系数大致相等,而其他颜色的光,在大洋水中的吸收占绝对优势。在含有大量悬浮颗粒的混浊水中，光的衰减主要归因于散射。水中某些物质分子与光子发生非弹性碰撞而产生荧光辐射和拉曼散射，既是吸收过程，又是受激辐射的过程，它们在强度上较弱，但有相对于入射光的谱线位移。

海洋的表观光学性质太阳和天空辐射通过海面进入海中所形成的海洋辐射场分布，主要表现为辐亮度分布、辐照度衰减、辐照比和偏振特性等所有与辐射场有关的光学性质。

辐亮度(L)表示单位立体角dΩ和单位发射面积dA发出的辐射通量,L=dF/dAcosθdΩ。θ是光束与dA的法线的夹角。水中的辐亮度分布由海洋辐射传递方程来决定。辐亮度沿深度z 的变化，由垂直衰减系数к所决定。射到海面的日光中大约50%是红外辐射，其中大部分被水深一米以内的表层所吸收，所以在水下测得的太阳光谱的峰值正好处于对海水有最大透射率的蓝绿光附近，虽然它们的入射功率还不到太阳总入射功率的1/10，却是水下光谱的主要成分，甚至在水深 600米处还能用光电法测到。水下能见度主要依赖这段光谱，它对水下动物是很重要的。实测表明：水下太阳垂直平面内的辐亮度角分布随深度而变化(图3):在表层有明显的峰值，随深度增加，峰值减小，最大值逐渐移向天底角，深度达20个衰减长度后，辐亮度趋于对称的极限分布，此时辐亮度衰减系数к趋于极限值k,k与方向无关,且小于μ值。因而渐近极坐标曲面就是一个围绕垂轴旋转、偏心率为k/μ的椭球。k/μ只取决于固有光学性质，与大气光学状态和海况无关。

普赖森多费尔在标量辐照度衰减系数к0为常数的假设下,用辐射传递理论完成了渐近分布存在性的数学证明。辐照度(E) 表示入射到无限小面元上的辐射通量dF与该面积之比。辐照度随深度z 的增加而按指数律衰减，其衰减系数为以海平面为基准，法线向上的单位面元上接收到的辐射通量，称为向下辐照度Ed；法线向下的单位面元上接收到的辐射通量，称为向上辐照度Eu，它们的分布与太阳高度角、光的波长和海水深度有关（图4）。一般海区表层水的Ed的极大值处于波长为480～500nm处。在大洋水中，随深度的增加，此峰值移向 465nm。在悬浮颗粒和黄色物质较多的混浊海区，由于选择吸收的结果,使极大值移向绿光。辐照度在海洋深层(100～500m)的光谱分布只局限于很窄的蓝光区(图5),其向下辐照度的衰减系数кd也趋于常数,约为0.03。特别令人注意的是,对海洋初级生产力有重大影响的上升流区域,浮游植物富集,кd的光谱分布和叶绿素的光谱吸收曲线十分相似。称为辐照比(反射比)。R 值随波长、海水的混浊度和深度而变化，一般为1～10%。

天空光是部分偏振的,太阳的直射光是非偏振的,然而经海面折射进入海水后，随其天顶角的增大而产生部分偏振。当透射光被海水和悬浮颗粒散射时，它的偏振分布会有很大的变化。太阳方位角不同时，垂直面上的偏振分布不同。偏振度随着深度的增大而逐渐减小，到达辐亮度极限分布的深度后，偏振度也达到极限值。

参考书目

N.G.Jerlov，Marine Optics，Elsevier ScientificPubl.，Amsterdam，1976

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