Процессы рассеяния и поглощения света, происходящие в толще воды

3.5.4. Процессы рассеяния и поглощения света, происходящие в толще воды

Происходящие в воде процессы поглощения и рассеяния потока солнечного их излучения определяются оптическими параметрами воды и находящимися в ней в виде растворов или в виде взвеси органическими и неорганическими веществами - прежде всего разной взвешенной мутью и фитопланктоном [135, 59]. Вода, растворы и частицы имеют собственные коэффициенты поглощения и рассеяния. Они имеют тенденцию ослаблять направленное и диффузное излучение. Ослабление проходящего потока излучения выражается через коэффициент аттенуации (ослабления), определяющийся из суммы коэффициентов рассеяния и поглощения [200].
В чистой воде рассеяние и поглощение происходят только на уровне молекул и ионов. Поглощение я чистой водой (рис. 45) минимально для волн длиной около 0,47 мкм [58]. В диапазоне волн более 0,6 мкм оно очень сильно увеличивается. Рассеяние b с увеличением длины волны сильно уменьшается. Ослабление (аттенуация) к в длинноволновом диапазоне света почти не отличается от поглощения вследствие очень малого рассеяния (рис. 45).

Рис. 45. Поглощение (а), рассеяние ( b) и ослабление (к) света чистой водой как функция длины волны [59].

Голубой цвет глубоких прозрачных вод возникает в результате сильного рассеяния в коротковолновой части светового потока молекулами воды. Так как вода содержит органические и неорганические примеси, происходят дополнительные побочные оптические процессы. Прозрачность и цвет воды изменяются.

Примеси в воде, которые влияют на направленный вверх от воды поток излучения, можно объединить в три группы [59]:
1. Желтое вещество (гели) – к нему относятся все растворенные в воде органические соединения, которые сильно поглощают ультрафиолетовые и голубые лучи, в связи с чем вода приобретает желто-бурый цвет.
2. Взвешенное вещество (твердый сток), под которым понимают все частицы, присутствующие в воде. Они обусловливают очень сильное рассеяние света в воде, которое слабо зависит от длины волны излучения. В эту группу входят глинистые минералы, песок, зерна и обломки кварца и других минералов, целые и разрушенные скелеты планктона и других организмов.
3. Фитопланктон образует третью, особую группу взвеси. Необходимый в его составе для фотосинтеза пигмент благодаря хлорофиллу дает очень сильные полосы поглощения в голубой и красной зонах спектра излучения, по которым и определяется фитопланктон.

«Таким образом, интенсивность полезного сигнала от воды определяется показателем преломления чистой воды и трех видов имеющихся в ней примесей. Она изменяется в зависимости от концентрации их в разных слоях воды и может быть выражена через коэффициенты поглощения и рассеяние каждого из видов примесей» [59].
Находящиеся в воде частицы геля (желтого вещества) не связаны и имеют каждая свое спектральное отражение. Оно по сравнению с рассеянием света в чистой воде незначительно. Поглощение света частицами геля убывает по экспоненте с увеличением длины волны света (рис. 46). а-хлорофилл фитопланктона поглощает в основном излучение в голубой (около 0,44 мкм) и красной (около 0,675 мкм) зонах спектра (рис. 41). Минимум поглощения видимой части излучения приходится на волны длиной примерно 0,53 мкм. Поглощение света хлорофиллом в голубой зоне и рассеяние его фитопланктоном придают воде зеленый цвет. Дополнительное рассеяние света происходит на оболочках микроорганизмов планктона, что приводит к сильному отражению в желто-голубой зоне спектра от вод, богатых планктоном.

Рис. 46. Поглощение желтым веществом как функция длины волны [59].

Рис. 47. Схематизированное представление о зависимости между коэффициентом ослабления (аттенуации), прозрачностью и цветом воды [179]. Точками показан разброс данных. Буквы, поставленные у кривых, – первые буквы фамилий их авторов: Jerlov, Moore, Kinney, Clarke (Naval Oceanographic Office).

С увеличением помутнения воды примесями неорганических частиц изменяется цвет воды в длинноволновой зоне спектра (желто-оранжево-красной, 0,576-0,609 мкм). Здесь находится минимум аттенуации загрязненных мутью вод озер, рек и прибрежных зон океанов. Поглощение света неорганическими частицами твердого стока очень мало и зависит от длины волны света. В формировании величины идущего от воды сигнала поглощение излучения играет только подчиненную роль. Для частиц размером больше 2 мкм спектральное рассеяние в общем уменьшается [135]. Процессы рассеяния частицами, находящимися в суспендированном состоянии (планктон, осадок, аэрозоли), характеризуются признаками, описываемыми законом рассеяния Ми. Рассеяние зависит от размера частиц и их показателя преломления. Рассеяние света молекулами происходит по закону Рэлея. На графике (рис. 47) схематически показаны все эти процессы [179].

3.5.5. Спектральные каналы для изучения вод, загрязненных мутьевой взвесью

Для дистанционного изучения твердого стока озер, рек и прибрежных вод океанов съемки лучше всего проводить в красной зоне спектра (0,6-0,7 мкм). В этой части спектра изменения возвращенного потока излучения от толщи воды, содержащей речную муть, сильнее, чем в более коротковолновом диапазоне. На узкозональных снимках в красной зоне спектра воды с различным содержанием твердого стока (мутьевой взвеси) фронт и градиент различного содержания в толще воды речной мути (вид, размер и концентрация частиц) воспроизводятся особенно контрастно. Речь идет как об узкозональных фотоснимках, так и о сканерных изображениях. Так, наиболее подходящими для изучения твердого стока или речной мути вод оказываются изображения, полученные с помощью канала 5 многозонального сканера спутника «Лэндсат», т.е. в диапазоне 0,6-0,7 мкм (см. рис. 206-208).