Purpose. The study is purposed at presenting and analyzing a new method for determining light absorption in the sea which for the first time made it possible to redirect almost all the scattered rays from the studied light beam to the photodetector along the path of its propagation in a weakly absorbing medium, as well as at showing that application of the new method providing such an efficient collecting of the scattered rays, permits not only to avoid significant errors from the strong influence of scattering upon the results of determining the light absorption, but also to give up the necessity in correcting the data by theoretical modeling.
Methods and Results. It is known that sea water is a weakly absorbing light-scattering medium in which the light propagation is accompanied by its attenuation that is many times stronger due to scattering than due to absorption. Therefore, the determination of light absorption by seawater at a receiving device requires collecting of not only the light that has traveled a certain distance in the absorption medium, but also all the light scattered along this path. Previously, proposed was the method for measuring the light absorption in a cylindrical mirror cuvette with a light source at the input and a collector with a photodetector at the output (reflective-tube absorption meter). Somewhat later, a similar method based on the phenomenon of total internal reflection was applied. Since these methods do not provide the sufficiently complete collection of scattered rays, the data are to be corrected by theoretical modeling. The authors propose a new method for determining the spectral absorption of light in a quartz glass conical cuvette with an external mirror cone. It is shown that the cone cuvette permits to collect most of the scattered rays in the beam passing through the water medium by means of more efficient redirection of these rays from the place of light scattering to the receiver. The rest part of the scattered rays that has left the cuvette reaches the receiver in the air space between the cuvette and the cone mirror due to multiple reflections from it. As a result, the new method makes it possible to redirect almost all of the scattered light to the receiver and thus to minimize the errors in determining the light absorption in a weakly absorbing medium. To quantify the advantages of the new method, the authors have calculated the geometric parameters of the scattered light propagation for a conical quartz cuvette in air and for the same cuvette placed inside the external cone mirror.
Conclusions. The combination of a conical quartz cuvette and an external mirror cone in the new method made it possible to collect all the rays scattered in a weakly absorbing medium in the receiver. Thus, it permitted not only to exclude their strong influence upon the determination of light absorption in the sea, but also to give up the necessity in correcting the data by theoretical modeling.
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.