Новый способ определения спектрального поглощения света в море

М. Е. Ли✉, Е. Б. Шибанов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: michael.lee.mhi@gmail.com

Аннотация

Цель. Представить и провести анализ нового способа определения поглощения света в море, при помощи которого впервые удалось перенаправить к фотоприемнику практически все рассеянные лучи от исследуемого светового пучка по пути его распространения в слабо поглощающей среде; показать, что столь эффективный сбор рассеянных лучей новым способом позволит не только избежать значительных ошибок от сильного влияния рассеяния на результаты определения поглощения света, но и отказаться от необходимости проводить коррекцию данных путем теоретического моделирования – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Отмечено, что морская вода является слабо поглощающей светорассеивающей средой, в которой распространение света сопровождается во много раз более сильным его ослаблением от рассеяния, чем от поглощения. Следовательно, при определении поглощения света морской водой на приемном устройстве необходимо собрать не только тот свет, который прошел определенное расстояние в среде после поглощения, но и весь рассеянный на этом пути свет. Ранее был предложен метод измерения поглощения света в зеркальной цилиндрической кювете с источником света на входе и коллектором с фотоприемным устройством на выходе (reflective-tube absorption meter), а несколько позднее – аналогичный метод, в котором было использовано явление полного внутреннего отражения. В связи с недостаточно полным сбором рассеянных лучей в этих методах приходится прибегать к коррекции данных путем теоретического моделирования. Предлагается новый способ определения спектрального поглощения света в конической кювете из кварцевого стекла с внешним зеркальным конусом. Показано, что конусная кювета позволяет собрать преобладающую часть рассеянных лучей в проходящем через водную среду пучке путем более эффективного перенаправления этих лучей от места рассеяния света до приемника. Остальная, вышедшая из кюветы часть рассеянных лучей достигает приемника в воздушном пространстве между кюветой и конусным зеркалом за счет многократного отражения от него. В результате новым способом удается перенаправить к приемнику практически весь рассеянный свет и таким образом минимизировать ошибки определения поглощения света в слабо поглощающей среде. Для количественной оценки преимуществ нового способа были проведены расчеты геометрических параметров распространения рассеянного света для конусной кварцевой кюветы на воздухе и для той же кюветы, помещенной внутрь внешнего конусного зеркала.

Выводы. Сочетание конусной кварцевой кюветы и внешнего зеркального конуса в новом способе позволило собрать в приемнике все рассеянные в слабо поглощающей среде лучи и тем самым не только исключить их сильное влияние на определение поглощения света в море, но и отказаться от необходимости проводить коррекцию данных путем теоретического моделирования.

Ключевые слова

поглощение света, рассеивающая среда, полное внутреннее отражение, конусная кварцевая кювета, конусное зеркало, угол рассеяния, ход лучей

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы государственного задания FNNN-2024-0012.

Для цитирования

Ли М. Е., Шибанов Е. Б. Новый способ определения спектрального поглощения света в море // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 2. С. 198–214. EDN SZCKWQ.

Lee, M.E. and Shybanov, E.B., 2024. New Method for Determining Spectral Absorption of Light in the Sea. Physical Oceanography, 31(2), pp. 178-193.

Список литературы

  1. Gordon H. R., Morel A. Y. Remote assessment of ocean color for interpretation of satellite visible imagery. A review. New York : Springer, 1983. 114 p. (Lecture Notes on Coastal and Estuarine Studies ; vol. 4). https://doi.org/10.1007/978-1-4684-6280-7
  2. Левин И. М., Копелевич О. В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в спектральном диапазоне около 550 нм // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 374–379. EDN IAFSKX.
  3. Smith R. C., Baker K. S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm) // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 2. P. 177–184. https://doi.org/10.1364/AO.20.000177
  4. Hyperspectral absorption coefficient of “pure” seawater in the range of 350–550 nm inverted from remote sensing reflectance / Z. Lee [et al.] // Applied Optics. 2015. Vol. 54, iss. 3. P. 546–558. https://doi.org/10.1364/AO.54.000546
  5. Pope R. M., Fry E. S. Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Applied Optics. 1997. Vol. 36, iss. 33. P. 8710–8723. https://doi.org/10.1364/AO.36.008710
  6. Fry E. S., Kattavar G. W., Pope R. M. Integrating cavity absorption meter // Applied Optics. 1992. Vol. 31, iss. 12. P. 2055–2065. https://doi.org/10.1364/AO.31.002055
  7. Merzlyak M. N., Naqvi K. R. On recording the true absorption spectrum and the scattering spectrum of a turbid sample: application to cell suspensions of the cyanobacterium Anabaena variabilis // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2000. Vol. 58, iss. 2–3. P. 123–129. https://doi.org/10.1016/S1011-1344(00)00114-7
  8. Абсорбционная спектроскопия микроводорослей, цианобактерий и растворенного органического вещества: измерения во внутренней полости интегрирующей сферы / С. И. Погосян [и др.] // Океанология. 2009. Т. 49, № 6. С. 934–939. EDN KYGBVR.
  9. Измерения показателя поглощения морской воды с помощью интегрирующей сферы / Д. И. Глуховец [и др.] // Светотехника. 2017. № 5. С. 39–43. EDN ZWJQAH.
  10. Clarke G. L., James H. R. Laboratory analysis of the selective absorption of light by sea water // Journal of the Optical Society of America. 1939. Vol. 29, iss. 2. P. 43–55. https://doi.org/10.1364/JOSA.29.000043
  11. Ronald J., Zaneveld V., Bartz R. Beam attenuation and absorption meters // Proceedings SPIE. SPIE, 1984. Vol. 489 : Ocean Optics VII. P. 318–324. https://doi.org/10.1117/12.943318
  12. Zaneveld J. R. V., Kitchen J. C., Moore C. C. Scattering error correction of reflecting-tube absorption meters // Proceedings SPIE. SPIE, 1994. Vol. 2258 : Ocean Optics XII. P. 44–55. https://doi.org/10.1117/12.190095
  13. Zaneveld J. R. V., Bartz R., Kitchen J. C. Reflective-tube absorption meter // Proceedings SPIE. SPIE, 1990. Vol. 1302 : Ocean Optics X. P. 124–136. https://doi.org/10.1117/12.21439
  14. Analysis of in-situ spectral absorption meter data / J. R. V. Zaneveld [et al.] // Proceedings SPIE. SPIE, 1992. Vol. 1750 : Ocean Optics XI. P. 187–200. https://doi.org/10.1117/12.140649
  15. Jonasz M., Fournier G. R. Light scattering by particles in water. Theoretical and Experimental Foundations. Amsterdam : Academic Press, 2007. 704 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-388751-1.X5000-5
  16. Маньковский В. И., Маньковская Е. В. Пространственная изменчивость оптических характеристик вод в южной части Средиземного моря в весенний период (май 1998 года) // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 1. С. 53–65. EDN AJGHTJ. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-1-53-65
  17. WET labs AC-9: field calibration protocol, deployment techniques, data processing, and design improvements / C. C. Moore [et al.] // Proceedings SPIE. SPIE, 1997. Vol. 2963 : Ocean Optics XIII. P. 725–730. https://doi.org/10.1117/12.266391
  18. Röttgers R., McKee D., Woźniak S. B. Evaluation of scatter corrections for ac-9 absorption measurements in coastal water // Methods in Oceanography. 2013. Vol. 7. P. 21–39. https://doi.org/10.1016/j.mio.2013.11.001
  19. Evaluation and improvement of an iterative scattering correction scheme for in situ absorption and attenuation measurements / D. McKee [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2013. Vol. 30, iss. 7. P. 1527–1541. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-12-00150.1

Скачать статью в PDF-формате