YaChudo

Оптика океану

Переглядів: 0. Оновлено 10.11.2026.

Оптика океану (англ. ocean optics) — галузь досліджень, що вивчає взаємодію світла з водою та речовинами у воді. Хоча дослідження часто зосереджені на морі, у широкому розумінні галузь охоплює річки, озера, внутрішні води, прибережні води та великі океанічні басейни. Поведінка світла у воді критично важлива для функціонування підводних екосистем. Знання з оптики океану потрібні в дослідженнях з дистанційного зондування водних об'єктів, щоб розуміти, яку інформацію можна отримати з кольору води, яким його фіксують супутникові датчики з космосу. Колір води, яким його бачать супутники, називають кольором океану. Хоча колір океану є ключовою темою оптики океану, оптика — ширший термін, який охоплює також розробку підводних датчиків, що використовують оптичні методи для вивчення значно ширшого кола питань, ніж лише колір, — зокрема хімії океану, розміру частинок, отримання зображень мікроскопічних рослин і тварин тощо.

Основні поняття

Оптично глибока вода

Знімок Чорного моря, зроблений сенсором MODIS супутника Aqua 20 червня 2006 року. Уся вода, яку видно в масштабі цього знімка, оптично глибока, бо морського дна супутниковий датчик не бачить.

Воду називають «оптично глибокою», коли внесок світла, відбитого від дна, у сигнал, що виходить із води, нехтовно малий; тому морського дна не бачать ні люди, ні супутники[1][2]. За площею переважна частина Світового океану оптично глибока. Оптично глибока вода може водночас бути порівняно мілкою за повною фізичною глибиною, якщо вона дуже каламутна, як-от в естуаріях.

Оптично мілка вода

Там, де вода «оптично мілка», дно відбиває світло, і його часто можуть бачити люди й супутники[3]. У таких місцях оптику океану можна використовувати й для вивчення того, що розташоване під водою. За кольором, яким їх бачать датчики, дослідники можуть картографувати типи оселищ, зокрема макроводорості, корали, луки морських трав тощо. Картографування мілководних середовищ потребує знань з оптики океану, бо, аналізуючи колір донного середовища, слід ураховувати колір води над ним.

Власні оптичні властивості

Знімок супутника Sentinel-2: злиття Ріу-Негру і Солімойнса в Бразилії. Темна вода Ріу-Негру багата на розчинені речовини (сильне поглинання), а світліша бура вода Солімойнса — на наноси (сильне розсіювання). Властивості цих двох типів води можна вивчати методами, ключовими для оптики океану.

Власні оптичні властивості (inherent optical properties, IOPs) залежать від того, що міститься у воді. Вони лишаються незмінними, хоч би яким було падаюче світло (удень чи вночі, за низького чи високого Сонця)[4].

Поглинання

Вода з великим умістом розчинених речовин, як-от в озерах із високим умістом забарвленої розчиненої органічної речовини (CDOM), сильно поглинає світло. Світло поглинають також фітопланктон та інші частинки[5].

Розсіювання

Прикладами водойм із сильним розсіюванням світла є акваторії з морським льодом, естуарії з великою кількістю завислих наносів і озера з великим умістом льодовикового борошна. Певною мірою світло розсіюють усі частинки, зокрема планктон, мінеральні частинки й детрит. Від розміру частинок залежить, наскільки сильно розсіюється світло різних кольорів: наприклад, дуже дрібні частинки розсіюють синє світло значно сильніше, ніж світло інших кольорів (так зване релеївське розсіювання), — саме тому небо зазвичай синє. Без розсіювання світло нікуди б не «потрапляло» (окрім прямого пучка від Сонця чи іншого джерела), і ми не могли б бачити навколишній світ[6].

Ослаблення

Ослаблення у воді, яке також називають ослабленням пучка або показником ослаблення пучка, — це сума всього поглинання й розсіювання. Ослаблення світлового пучка в одному певному напрямку можна виміряти приладом, який називають трансмісометром[7].

Видимі оптичні властивості

Видимі оптичні властивості (apparent optical properties, AOPs) залежать і від того, що міститься у воді (тобто від власних оптичних властивостей), і від того, яким є падаюче світло від Сонця. Найсильніше вони залежать від власних оптичних властивостей і лише певною мірою — від падаючого світла, так званого «світлового поля». До характеристик світлового поля, які можуть впливати на вимірювання видимих оптичних властивостей, належать кут, під яким світло падає на поверхню води (високо чи низько стоїть Сонце і з якого боку світу), а також погода й стан неба (хмари, атмосферний серпанок, туман або стан моря, тобто шорсткість водної поверхні)[8].

Коефіцієнт відбиття дистанційного зондування (Rrs)

Коефіцієнт відбиття дистанційного зондування (remote sensing reflectance, Rrs) — міра світла всіх кольорів, що виходить з-під поверхні океану, нормована на падаюче сонячне світло всіх кольорів. Оскільки Rrs є відношенням, він дещо менш чутливий до стану світлового поля (наприклад, до кута Сонця чи атмосферного серпанку)[9].

Rrs вимірюють двома спареними спектрорадіометрами, які одночасно на багатьох довжинах хвиль реєструють світло, що надходить з неба, і світло, що йде вгору з-під води. Оскільки це відношення однієї світлової величини до іншої, енергетичні одиниці скорочуються, а через кутовий характер вимірювання Rrs має розмірність «на стерадіан» (ср−1): висхідне світло вимірюють під певним кутом, а падаюче — на плоскій поверхні з усієї півсфери над поверхнею води[10].

Коефіцієнт ослаблення світла (Kd)

Kd — коефіцієнт дифузного (або низхідного) ослаблення світла, який також називають просто ослабленням світла, вертикальним коефіцієнтом екстинкції або коефіцієнтом екстинкції[11]. Kd описує, наскільки швидко світло слабшає з глибиною, і вимірюється в м−1. Індекс «d» означає низхідне світло (downwelling), тобто світло, що надходить на датчик згори з усієї півсфери. Іноді Kd використовують для опису ослаблення загального видимого світла, доступного рослинам, у термінах фотосинтетично активної радіації (ФАР) — це позначають «Kd(PAR)». В інших випадках Kd описує ослаблення світла з глибиною окремо для кожного кольору (довжини хвилі) в певному діапазоні спектра; зазвичай це записують як «Kd(λ)». Для одного кольору (однієї довжини хвилі) Kd описує, як з глибиною слабшає світло саме цього кольору, наприклад синє світло з довжиною хвилі 490 нм; це записують як «Kd(490)».

Зазвичай Kd обчислюють за законом Бера із серії вимірювань світла на багатьох глибинах — від шару безпосередньо під поверхнею води донизу[12][13].

Замикання

«Замиканням» (closure) оптичні океанографи називають оцінювання узгодженості моделей і вимірювань. Моделлю тут вважають усе, що не виміряно безпосередньо у воді, зокрема змінні, отримані із супутникових даних за емпіричними співвідношеннями (наприклад, концентрацію хлорофілу a за супутниковими даними оцінюють за емпіричним співвідношенням із відношень коефіцієнтів відбиття дистанційного зондування в зеленій і синій ділянках спектра). Виділяють такі види замикання: замикання вимірювань, замикання моделей, замикання «модель — дані» та масштабне замикання. Якщо експерименти із замикання «модель — дані» виявляють розбіжність між даними й моделями, її причиною може бути похибка вимірювання, вади моделі, і те, і інше, або якийсь інший зовнішній чинник[14][15].

Напрями досліджень

Оптику океану застосовують для вивчення таких тем, як первинна продукція, фітопланктон, зоопланктон[16][17], мілководні оселища, як-от луки морських трав і коралові рифи[18][19], морська біогеохімія[20], нагрівання верхнього шару океану[21] та перенесення вуглецю в глибинні води через біологічний насос океану[22]. Оптика океану зазвичай має справу з ділянкою електромагнітного спектра від ультрафіолетової до інфрачервоної, тобто з довжинами хвиль приблизно від 300 нм до менш ніж 2000 нм[23].

Поширені оптичні датчики

Найпоширеніші оптичні океанографічні датчики — датчики ФАР, датчики флуоресценції хлорофілу a (флуориметри) і трансмісометри. Ці три прилади часто встановлюють на касети батометрів із CTD-зондом (від conductivity, temperature, depth — електропровідність, температура, глибина). Їх уже багато років використовують на таких касетах у глобальних повторюваних океанографічних зйомках, як-от у кампанії GO-SHIP програми CLIVAR[24][25].

Отримання зображень частинок і організмів

Окремі дрібні об'єкти, як-от планктон і частинки детриту, науковці вивчають за допомогою проточної цитометрії та камерних систем, що працюють безпосередньо у воді (in situ). Проточні цитометри вимірюють розміри й фотографують окремі частинки, що протікають крізь систему трубок; один із таких приладів — Imaging FlowCytobot (IFCB)[26]. Камерні системи in situ опускають за борт науково-дослідного судна окремо або разом з іншим обладнанням; вони фотографують саму воду, щоб отримати зображення наявних у ній частинок. Один із таких приладів — Underwater Vision Profiler (UVP)[17]. Серед інших технологій отримання зображень, що застосовуються в океані, — голографія[27] і вимірювання швидкості за зображеннями частинок (англ. particle image velocimetry, PIV), за якого рух води визначають за послідовними зображеннями завислих у ній частинок; наприклад, у системі DeepPIV лазер освітлює тонкий шар води, а камера знімає рух частинок у ньому[28].

Дослідження на підтримку супутникового дистанційного зондування

Дослідження з оптики океану, які проводять in situ (з науково-дослідних суден, невеликих човнів, із причалів і пірсів), підтримують дослідження, що використовують супутникові дані. Оптичні вимірювання in situ дають змогу: 1) калібрувати супутникові датчики, коли вони тільки починають збирати дані; 2) розробляти алгоритми для отримання продуктів чи змінних, як-от концентрації хлорофілу a; 3) валідувати продукти даних, отримані із супутників. За супутниковими даними дослідники оцінюють, зокрема, розмір частинок, уміст вуглецю, якість води, прозорість води й тип дна — на основі колірного профілю, який фіксує супутник; усі ці оцінки (тобто моделі) треба перевіряти, порівнюючи їх з оптичними вимірюваннями in situ[29].

Примітки

  1. ↑ McKinna, Lachlan I. W.; Werdell, P. Jeremy (2018). Approach for identifying optically shallow pixels when processing ocean-color imagery. Optics Express (англ.). 26 (22): A915—A928. doi:10.1364/OE.26.00A915. PMC 6506854.
  2. ↑ Armstrong, R. A.; Singh, H.; Rivero, S.; Gilbes, F. (2008). Monitoring coral reefs in optically-deep waters. Proceedings of the 11th International Coral Reef Symposium, Ft. Lauderdale, Florida. Session Number 17 (англ.): 593—597. CiteSeerX 10.1.1.545.7429.
  3. ↑ McKinna, Lachlan I. W.; Werdell, P. Jeremy (2018). Approach for identifying optically shallow pixels when processing ocean-color imagery. Optics Express (англ.). 26 (22): A915—A928. doi:10.1364/OE.26.00A915. PMC 6506854. PMID 30469992.
  4. ↑ Mobley, Curtis (19 травня 2021). Inherent Optical Properties. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 23 серпня 2021.
  5. ↑ Roesler, Collin (6 квітня 2021). Absorption Overview. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 24 серпня 2021.
  6. ↑ Mobley, Curtis; Boss, Emmanuel (18 травня 2021). Scattering Overview. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 24 серпня 2021.
  7. ↑ Mobley, Curtis (19 травня 2021). Measuring IOPs. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 24 серпня 2021.
  8. ↑ Mobley, Curtis (27 жовтня 2020). Apparent Optical Properties. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 24 серпня 2021.
  9. ↑ Remote Sensing Reflectance (Rrs). NASA Ocean Color (англ.). Архів оригіналу за 24 серпня 2021. Процитовано 24 серпня 2021.
  10. ↑ Mobley, Curtis (28 жовтня 2020). Reflectances. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 24 серпня 2021.
  11. ↑ Light. Understanding: Lake Ecology Primer (англ.). Water on the Web. 31 січня 2011. Процитовано 24 серпня 2021.
  12. ↑ Schulz, K. L. Light in Lakes. Limnology Lecture (англ.). Архів оригіналу за 7 травня 2018. Процитовано 24 серпня 2021.
  13. ↑ Kirk, John T. O. (1994). Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems (англ.) (вид. 2nd). Cambridge University Press. ISBN 0521459664.
  14. ↑ McCormick, Norman; Mobley, Curtis (22 березня 2021). Brief Definitions. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 24 серпня 2021.
  15. ↑ Chang, Grace C.; Dickey, Tommy D.; Mobley, Curtis D.; Boss, Emmanuel; Pegau, W. Scott (2003). Toward closure of upwelling radiance in coastal waters. Applied Optics (англ.). 42 (9): 1574—1582. Bibcode:2003ApOpt..42.1574C. doi:10.1364/AO.42.001574. PMID 12665088.
  16. ↑ Behrenfeld, Michael J. та ін. (2019). Global satellite-observed daily vertical migrations of ocean animals. Nature (англ.). 576 (7786): 257—261. Bibcode:2019Natur.576..257B. doi:10.1038/s41586-019-1796-9. PMID 31776517.
  17. ↑ а б Picheral, Marc; Guidi, Lionel; Stemmann, Lars; Karl, David M.; Iddaoud, Ghizlaine; Gorsky, Gabriel (2010). The Underwater Vision Profiler 5: An advanced instrument for high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton. Limnology and Oceanography: Methods (англ.). 8 (9): 462—473. doi:10.4319/lom.2010.8.462.
  18. ↑ Zimmerman, R. C.; Dekker, A. G. (2006). Aquatic Optics: Basic Concepts for Understanding How Light Affects Seagrasses and Makes them Measurable from Space. Seagrasses: Biology, Ecology and Conservation (англ.). Dordrecht: Springer. с. 295–301. doi:10.1007/978-1-4020-2983-7_12. ISBN 978-1-4020-2942-4.
  19. ↑ Hochberg, E. J.; Atkinson, M. J. (2000). Spectral discrimination of coral reef benthic communities. Coral Reefs (англ.). 19 (2): 164—171. doi:10.1007/s003380000087.
  20. ↑ Organelli, Emanuele та ін. (2017). Two databases derived from BGC-Argo float measurements for marine biogeochemical and bio-optical applications. Earth System Science Data (англ.). 9 (2): 861—880. doi:10.5194/essd-9-861-2017.
  21. ↑ Oschlies, Andreas (2004). Feedbacks of biotically induced radiative heating on upper-ocean heat budget, circulation, and biological production in a coupled ecosystem-circulation model (PDF). Journal of Geophysical Research: Oceans (англ.). 109 (C12). doi:10.1029/2004JC002430.
  22. ↑ Stemmann, L.; Boss, Emmanuel (2012). Plankton and Particle Size and Packaging: From Determining Optical Properties to Driving the Biological Pump. Annual Review of Marine Science (англ.). 4: 263—290. doi:10.1146/annurev-marine-120710-100853. PMID 22457976.
  23. ↑ Mobley, Curtis (2021). Ocean Color. Ocean Optics Web Book (англ.). Процитовано 21 серпня 2021.
  24. ↑ Dickey, Tommy D. (1991). The emergence of concurrent high-resolution physical and bio-optical measurements in the upper ocean and their applications. Reviews of Geophysics (англ.). 29 (3): 383—413. Bibcode:1991RvGeo..29..383D. doi:10.1029/91rg00578.
  25. ↑ Boss, Emmanuel та ін. (2015). Optical techniques for remote and in-situ characterization of particles pertinent to GEOTRACES. Progress in Oceanography (англ.). 133: 43—54. Bibcode:2015PrOce.133...43B. doi:10.1016/j.pocean.2014.09.007.
  26. ↑ Olson, Robert J.; Sosik, Heidi M. (2007). A submersible imaging-in-flow instrument to analyze nano-and microplankton: Imaging FlowCytobot. Limnology and Oceanography: Methods (англ.). 5 (6): 195—203. doi:10.4319/lom.2007.5.195.
  27. ↑ Nayak, Aditya R. та ін. (2021). A Review of Holography in the Aquatic Sciences: In situ Characterization of Particles, Plankton, and Small Scale Biophysical Interactions. Frontiers in Marine Science (англ.). 7 572147. doi:10.3389/fmars.2020.572147.
  28. ↑ Deep Particle Image Velocimetry (DeepPIV). Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) (англ.). Процитовано 3 жовтня 2026.
  29. ↑ Mascarenhas, Veloisa; Keck, Therese (2018). Marine Optics and Ocean Color Remote Sensing. У Jungblut, S.; Liebich, V.; Bode, M. (ред.). YOUMARES 8 – Oceans Across Boundaries: Learning from each other (англ.). с. 41—54. doi:10.1007/978-3-319-93284-2_4. ISBN 978-3-319-93283-5.

Посилання

  • Ocean Optics Web Book (англ.) — відкритий онлайн-посібник з оптики океану

Джерело: стаття у Вікіпедії та історія редагувань (автори).