Но каждый, кто хотя бы раз побывал на море, не мог не заметить, что его воды даже в течение дня неоднократно изменяют свой цвет. Подул легкий ветерок, появилась рябь на морской поверхности — и сразу же изменилась ее окраска, сделавшись гораздо более интенсивной по цвету; покрылось небо свинцово-серыми тучами — и само море стало серым и угрюмым.
Даже в один и тот же момент в одном и том же месте окраска моря кажется неодинаковой, если смотреть вниз прямо перед собой (например, с борта шлюпки) или перевести взгляд дальше, к линии горизонта.
Что же представляет собой свет, попадающий в глаз человека, созерцающего морскую поверхность? От чего зависит его спектральный состав?
Легко сообразить, что в этот световой поток прежде всего входит свет, отраженный поверхностью моря. Именно он определяет непостоянство окраски морской поверхности и ее изменчивость в зависимости от погоды.
Коэффициент отражения морской поверхности практически не зависит от длины волны падающего света. Спектральный состав отраженного излучения не отличается от спектрального состава падающего: в ясную, безоблачную погоду поверхность моря отражает синеву небосвода; а когда небо покрыто тучами, в море, как в зеркале, отражается их свинцово-серая, хмурая окраска.
Является ли, однако, этот свет единственным фактором, определяющим цвет моря? Очевидно, нет. Ведь если бы это было так, то все моря имели бы одинаковую окраску и мы бы не могли говорить о «лазурных водах» Средиземноморья или о водах Желтого моря, цвет которых полностью оправдывает его название. Учеными установлено, что каждое море имеет свой собственный цвет, хотя у многих морей и океанов эти цвета весьма схожи. «Собственный» цвет моря связан со световым потоком, выходящим из его толщи.
Уже говорилось о том, что благодаря процессам многократного рассеяния свет под водой распространяется по всевозможным направлениям, в том числе и вверх — к поверхности моря. Если опустить под воду фотометр, у которого поверхность чувствительного элемента обращена вниз, то с его помощью мы сможем определить величину этого восходящего светового потока.
Такие измерения постоянно ведутся при оптических исследованиях в океане как советскими, так и зарубежными учеными. Было установлено, что восходящий световой поток в море уменьшается с глубиной по показательному закону: Фв(z) = Ф0∙10-αBz, т. е. так же, как и поток, распространяющийся в глубь моря. Показатель αВ, называемый показателем вертикального ослабления для восходящего светового потока, мало отличается по величине, от показателя для нисходящего потока, который мы раньше обозначали просто α. Хотя, строго говоря, эти показатели совпадают точно лишь для глубинного режима, практически они весьма близки по величине и на меньших глубинах. Поэтому кривые ослабления с глубиной как нисходящего, так и восходящего световых потоков на графике идут почти параллельно друг другу (рис. 43). Абсолютные значения этих потоков, однако, неодинаковы: на всех глубинах восходящий световой поток по величине почти на два порядка меньше, чем поток, распространяющийся в глубь моря.
Море возвращает лишь незначительную часть (всего несколько процентов) от излучения, идущего в его глубины. Оценить количественно долю возвращаемой энергии на данном горизонте можно с помощью коэффициента диффузного отражения ζ, который равен отношению величины восходящего светового потока на данной глубине ФВ к величине нисходящего Ф: ζ = ФВ / Ф.
Рис. 43. Ослабление с глубиной нисходящего I и восходящего II световых потоков в Тихом океане (% от падающего на поверхность)
Рис. 44. Спектральное распределение на разных глубинах света, идущего вверх к поверхности моря
Подобно всем другим гидрооптическим характеристикам этот коэффициент является спектральной величиной, т. е. его значения зависят от длины волны света. Объясняется это тем, что спектральные составы восходящего и нисходящего световых потоков на одной и той же глубине отличаются друг от друга. Сравним два рисунка: на одном (см. рис. 34) показаны спектральные распределения на различных глубинах света, распространяющегося вниз, на другом (рис. 44) представлены те же распределения для восходящего светового потока. Оба рисунка относятся к чистым океанским водам. Нетрудно заметить, что на всех глубинах спектральный состав восходящего светового потока гораздо беднее желтым и красным цветами, нежели нисходящий. О физических причинах этого явления мы будем говорить ниже, а сейчас обратим особое внимание на спектральное распределение излучения непосредственно под поверхностью — на горизонте 0 м. Оно отображает цвет выходящего из моря светового потока, ведь сама поверхность почти не влияет на спектральный состав проходящего через нее излучения.
Максимум этого спектрального распределения соответствует длинам волн порядка 450 нм, т. е. в выходящем из моря световом потоке преобладает синий цвет. Зеленой окраски примерно в 10 раз меньше, а уж о желтой и красной и говорить не приходится — эти цвета практически отсутствуют. В мутных водах спектральное распределение другое: его максимум сместится в зеленую, а в очень мутных — даже в желтую область спектра. По спектральным кривым, соответствующим различным морям, можно оценить не только качественные, но и количественные различия между их цветами, что немаловажно при выборе маскировочной окраски для подводных объектов.
До сих пор речь шла о спектре всего выходящего из моря светового потока. Однако, как мы уже говорили, цвет моря зависит также и от угла, под которым наблюдатель смотрит на его поверхность. Угловое распределение яркости в выходящем световом потоке характеризуют индикатрисой яркости.
Построить эту кривую можно следующим образом. В данной точке поверхности моря измеряют яркость выходящего излучения в различных направлениях, т. е. под разными углами к вертикали. Угол наблюдения θ отсчитывается от вертикальной оси, направленной вниз. Угол 180° соответствует наблюдению строго вертикально — в надир, углы 90° и 270° — лучам, скользящим по поверхности моря. Полученные значения яркости ρ(θ) делят обычно на значение яркости под углом 180°—ρ(180°), т. е. ордината угла 180° равна единице.
Три индикатрисы для синего (λ = 465 нм), зеленого (λ = 517 нм) и желтого (λ = 591 нм) цветов, измеренные советскими гидрооптиками в тропических водах Тихого океана, изображены на рис. 45. Как видно, форма кривой зависит от длины волны света. У всех трех индикатрис по мере отклонения от вертикали яркость увеличивается, но у желтого цвета она возрастает сильнее, чем у синего. Это означает, что если наблюдать под большим углом к вертикали, то синий цвет становится менее интенсивным, он все сильнее разбавляется зеленым и желтым — густота окраски (или, как принято говорить, ее насыщенность) уменьшается.
Рис. 45. Индикатрисы яркости выходящего из моря светового потока в тропических водах Тихого океана (1 — λ = 465 нм; 2 — λ = 517 нм; 3 — λ = 591 нм)
При увеличении угла наблюдения увеличивается и количество отраженного от поверхности моря света (известно, что коэффициент отражения меняется в зависимости от угла: для угла 180° он минимален, для углов 90 и 270° равен единице). Окраска отраженного потока белая. Складываясь с выходящим из толщи моря световым потоком, отраженный свет еще более уменьшает насыщенность цвета моря при наблюдении под большими углами — вдали поверхность моря кажется белесой.
«…Чем меньше угол зрения[24], тем большее значение приобретает в окраске моря рассеянный свет неба, — писал Н. Н. Зубов. — Поэтому в штилевую погоду чем ближе к горизонту, тем бледнее окраска моря. Но с увеличением угла зрения, т. е. вблизи наблюдателя, в окраске моря начинает преобладать собственный рассеянный свет, и окраска моря становится более интенсивной.
При волнении луч зрения встречает поверхность моря под значительными углами даже на значительном расстоянии от наблюдателя, и поэтому взволнованное море всегда представляется более окрашенным. Понятно, что чем круче волна, тем интенсивнее окраска…
…В полный штиль, в особенности если солнце закрыто облаками, море кажется белесоватым и горизонт недостаточно ярко очерченным. Отдельные моря при штиле в отношении окраски как бы теряют свою индивидуальность. Но стоит задуть небольшому ветерку и появиться небольшой ряби, как картина совершенно меняется. Окраска моря становится интенсивной, и горизонт очерчивается, ярко»[25].
Прежде чем перейти к физическим причинам, обусловливающим «собственный» цвет моря, подведем некоторые итоги.
Свет, попадающий в глаз наблюдателя, созерцающего морскую поверхность, складывается из двух световых потоков: во-первых, это свет солнца, неба и облаков, зеркально отраженный поверхностью моря; во-вторых, это свет, вышедший из морских глубин.
