Почнемо з опису світла, що досягає поверхні моря. Його за традицією називають білим, тому що в цілому він містить всі кольори веселки, змішані в таких пропорціях, що ми сприймаємо його як білий колір.
Насправді сонячне світло на поверхні океану складається з багатьох відтінків; якщо їх розташувати по порядку, ми отримаємо так званий сонячний спектр (рисунок 14.1). Центральна смуга, в якій світло найбільш інтенсивний, являє собою смугу видимих кольорів. Є безліч інших відтінків, не видимих для людського ока: частина енергії існує в тій області спектра, яка розташована далі червоного кольору і називається інфрачервоної, інша частина енергії припадає на область за фіолетовим кольором - в ультрафіолетовому діапазоні спектра. Інфрачервоний ділянку спектра в свою чергу поділяють на ближню і дальню інфрачервоні області. Відстеження квітів може швидко набриднути, тому ми використовуємо еквівалентну шкалу, розмічену по довжині світлових хвиль; ця шкала також показана на малюнку 14.1. Одиницею вимірювання довжини хвилі є нанометр (нм); 1 нанометр дорівнює одній трильйонної частини метра.
Малюнок 14.1. Зменшення енергії сонячного світла в океані з глибиною.
Грубий аналіз сонячного спектра показав, що найбільш інтенсивне випромінювання розміщується в смузі видимого світла з довжинами хвиль від 400 до 700 нм. Максимальна інтенсивність відповідає приблизно 500 нм. Інтенсивність швидко падає у напрямку до короткохвильового кінця спектра, де енергія в ультрафіолетовому діапазоні нижче 300 нм дуже мала. Якби ми могли поглянути на сонячний спектр у верхнього краю земної атмосфери, то виявили б, що енергія в ультрафіолетовому діапазоні набагато вище. Більша її частина поглинається озоновим шаром до того, як сонячне світло досягне поверхні моря. Як ясно видно на малюнку 14.1, у напрямку до довгохвильовому кінця інфрачервоній області спектра інтенсивність випромінювання слабшає набагато більш плавно.
Слід зробити одне додаткове зауваження: наведений тут спектр згладжений. Насправді в сонячному спектрі є кілька досить специфічних і глибоких «дірок», особливо в інфрачервоній його частини. Такі дірки обумовлені селективним поглинанням енергії певних хвиль деякими газами, присутніми в земній атмосфері. Наприклад, фактично весь сонячне світло з довжинами хвиль більше 6000 нм поглинається вуглекислим газом СО2, і парами води Н20. Подальший поділ надходить на Землю сонячної енергії докладно розглядається в наступному розділі.
Радіаційний баланс Землі
Вейль (Weyl P. K.) Призводить коротке зведення бюджету енергії випромінювання для Землі (малюнок 14.2, а). Беручи, що вся сонячна енергія у верхнього краю земної атмосфери дорівнює 100%, він продовжує:
«... подивимося, як розподіляється ця енергія в середньому по Землі. Ультрафіолет, що становить 3% з 100% приходить сонячного світла, здебільшого поглинається озоном у верхній частині атмосфери. Близько 40 з решти 97% взаємодіє з хмарами. З них 24% відбивається назад в космос, 2% поглинається хмарами і 14% розсіюється, досягаючи земної поверхні як розсіяна радіація.
32% прийдешньої радіації взаємодіє з водяною парою, пилом і серпанком в атмосфері. 13% з них поглинається, 7% відбивається назад в космос і 12% досягає земної поверхні як розсіяний сонячне світло. Отже, з початкових 100% випромінювання поверхні Землі досягає 25% прямою сонячного світла і 26% розсіяного світла. З цієї загальної кількості 4% відбивається від земної поверхні назад в космос. Разом відбивається в космос 35% падаючого сонячного світла. З 65% світла, що поглинається Землею, 3% припадає на верхні шари атмосфери, 15% - на нижні шари атмосфери і 47% - на поверхню Землі - як океан, так і сушу ».
Малюнок 14.2. Хід світлових променів і їх енергії від верхніх шарів атмосфери до поверхні океану і далі в глиб його.
(а) Радіаційний баланс Землі.
(б) Поведінка світлових променів, що падають на поверхню океану.
Відзначимо, що для того, щоб Земля зберігала теплова рівновага, 47% всієї сонячної енергії, які проходять крізь атмосферу і поглинаються сушею і морем, повинні також виділятися сушею і морем. Цей бюджет різний для суші і моря. Згадайте, що в таблиці 6.2 ми розглядали тепловий баланс океанів. У цій таблиці падаюче короткохвильове випромінювання приймається за 100% - точно те ж саме кількість енергії, що і обчислені Вейлем 47% всієї енергії, які дійсно досягають поверхні Землі.
визначення термінів
Ми вжили кілька термінів, значення яких може бути не зовсім зрозумілим. Дамо деякі визначення.
Колір. Цьому терміну нелегко дати визначення. Строго кажучи, він характеризує емоційне сприйняття, яке виникає у нас, коли на наші органи чуття впливає електромагнітне випромінювання певної довжини хвилі.
Довжина хвилі. Ми вважаємо електромагнітне випромінювання хвильовим; отже, довжина хвилі - це відстань між її послідовними гребенями.
Фотон. Ми можемо тепер трактувати світлові промені як потік частинок, що рухаються зі швидкістю світла. Елементарна частинка світла називається фотоном. Це світловий еквівалент енергії. Фотони з різними довжинами хвиль відповідають різним кольорам і володіють різною енергією. (З точки зору квантової механіки кожен фотон несе строго певну «порцію» енергії; поглинається чи фотон, наприклад, молекулою хлорофілу, буде залежати від того, «підходить» ця порція енергії поглинає молекулі.)
Інтенсивність. Інтенсивність світла зручно кількісно оцінювати числом фотонів, які проходять через одиницю плошали за секунду.
Поглинання світла. У застосуванні до електромагнітного випромінювання поглинання (абсорбція) означає, що один або більше падаючих фотонів захоплюються і їх енергія поглинається. У морської біології це пов'язано зі здатністю рослинного пігменту, наприклад хлорофілу, поглинати енергію фотона і тим самим забезпечувати енергією процес фотосинтезу. І навпаки, фотосинтетична здатність рослинних клітин вимірюється мінімальним числом фотонів в секунду, необхідних для початку хімічних процесів їх синтезу.
Розсіювання. Замість того щоб поглинатися, фотони можуть розсіюватися. Розсіюватися вони можуть вперед, назад і в будь-якому іншому напрямку.
Ослаблення. Ослаблення світла об'єднує ефекти як поглинання, так і розсіяння. Воно служить мірою того, як швидко слабшає світло, проходячи крізь морську воду.
Коефіцієнт пропускання. Здатність пропускати світло протилежна ослаблення світла. Коефіцієнт пропускання є мірою того, скільки світла проходить шлях певної довжини в морській воді.