Optyka morza - przedmiot badań i podstawowe wielkości fotometryczne
description
Transcript of 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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
18
0 0 0
0
E E E
E E E
21.04.23
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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
A. Krężel, fizyka morza - wykład 7
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.