第十章海洋中的聲、光傳播1海洋聲學1.1水聲學與海洋聲學的發(fā)展水中的各種能量輻射形式中，以聲波的傳播性能為最好，在含有鹽、氣泡和浮游生物的海水中，光波和電磁波的衰減都非常大。它們的傳播距離較短，遠不能滿足人類在海洋活動中的需要。因此，在水下目標探測、通訊、導航等方面均以聲波做為水下唯一有效的輻射能。發(fā)現(xiàn)過程：第一次大戰(zhàn)期間，由于德國的潛艇活動，約4000多艘同盟國艦船被擊沉，這個數(shù)目相當于同盟國擁有艦船的三分之一，從而迫使同盟國集中很大力量去研究同潛艇做斗爭的手段。1914年郎之萬、康斯坦丁首先做成了電容(靜電式)發(fā)射器和碳粒微音接收器。1918年利用這樣的發(fā)射和接收器，接收到來自海底的回波和于200m深處一塊甲板的回波。同時，郎之萬等人用石英晶體做成壓電式發(fā)射器和接收器，并采用了剛研制成的真空管放大器，制成第一臺回聲定位儀，以后簡稱聲吶(sonar)。“聲吶”名稱的由來，是仿照雷達一詞對“聲導航和回聲定位”的英文“soundnavigationandranging”的縮寫。用途：除軍事的用途之外，也廣泛應用于聲導航系統(tǒng)、探魚、測深和海底地形測繪、海底底質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)等方面。目前水聲技術已是開發(fā)海洋和研究海洋廣泛采用和行之有效的手段，如水下通訊、聲遙測遙控、數(shù)據(jù)圖像傳輸，以及用聲波遙測海洋渦旋的運動和變化與全球海洋溫度的監(jiān)測等方面。聲波在海洋中的傳播規(guī)律與海洋環(huán)境的定量關系：取決于海洋的邊界條件、海水的溫、鹽分布、海水中含有成分(如MgSO4)對聲波的吸收等；而且還受到海洋動力因素和海洋時空變化的制約。1.3海水中聲能的損失海水、海面和海底構(gòu)成一個復雜的聲傳播空間，聲波通過這個空間時，聲信號將減弱、延遲和失真，并損失部分聲能。引起聲能損失的原因有：聲能在空間擴展；海水介質(zhì)的吸收；海中氣泡、浮游生物和海水團塊的散射；波動海面的反射與散射；以及海底沉積層的反射和吸收等。1.3.1海水的聲吸收海水聲吸收是將聲能變?yōu)椴豢赡娴暮Ｋ肿觾?nèi)能，聲在流體介質(zhì)中的傳播過程近似地認為是絕熱過程。根據(jù)彈性理論，縱向應力由切變和壓縮應力組成，聲波對介質(zhì)狀態(tài)的擾動直接由壓力變化引起；或者是由于體積變化時相伴生的溫度升、降所致。流體介質(zhì)存在粘滯性與導熱性，介質(zhì)因壓縮變形而引起聲能耗散稱為機械能耗散。動態(tài)壓縮時，分子間的非彈性碰撞使部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ǔ７Q這部分聲吸收為由分子過程引起的聲吸收。1.3.2海面波浪的聲散射如果海面平靜如鏡，可以看作理想的聲反射面。聲波在其上反射后，只有相位變化沒有能量損失。波動的海面有大量的氣泡和浮游生物，既是聲的反射界面又是聲的散射體。海面波浪可看作兩部分疊加，即周期波(或準周期波)和隨機波的疊加。用周期、波長和波高等量描述波浪的特性，同時也用隨機過程的能量譜的概率密度分布、方差、相關函數(shù)等描述波浪特征。聲波入射到具有波浪的海面即相當于入射到周期變化的不平整表面，因不平整性、氣泡和浮游生物的散射，一部分聲能彌散到其它方向而損失，只有那些遵從折射定律的聲波到達接收點。所損失的聲能與海況和浮游生物有關。1.4海水中聲學特性1.4.1海底聲學特性海底是海洋的另一個聲反射和散射界面，它雖然是靜止不動的，但海底表面粗糙不平，其組成成分因地而異，可從軟泥、沙質(zhì)到堅硬的巖石。海底沉積層各層的密度不同，因而各層的聲速值也不同；相同的組成成分又因孔隙率的不同其聲速值也不同。聲波經(jīng)過海底不僅有縱波也產(chǎn)生橫波。因此海底的聲反射系數(shù)和海底底質(zhì)的聲吸收是表征海底聲學特征的重要物理量。海底的反射系數(shù)與海底的密度和其中的聲速度有關，由于海底沉積物及分層結(jié)構(gòu)的復雜性，實際測量中僅能測其綜合效果即海底反射損失，以分貝(dB)表示。從現(xiàn)有資料可知，多數(shù)學者認為海底的吸收系數(shù)與頻率的關系接近線性關系。表面波浪和大量氣泡引起的散射使聲能損失了一部分。1.4.2淺海表面聲道中國沿海廣闊海域大部屬于淺海大陸架海域，深度大多在200m以內(nèi)。聲吶在冬季的作用距離比夏季遠得多。這是因為冬季的傳播條件為波導型，而夏季為反波導型傳播。中國大陸架淺海區(qū)冬季水溫鉛直分布基本上是均勻的，而由于靜壓力作用，下層聲速略大于上層，形成弱的表面聲道。如果發(fā)射器有方向性，聲波在其間傳播，除海面波浪和氣泡的散射外，能量損失較小，因此傳播距離相對增加。其它季節(jié)里，多數(shù)海區(qū)出現(xiàn)溫度躍層。在中國近海黃海海區(qū)夏季可形成強的溫躍層，其它如渤海、東海也有弱的溫躍層。春季出現(xiàn)的溫躍層較弱，躍層的深度也較淺，秋季躍層逐漸變?nèi)酰炼旧蠈幼優(yōu)榛旌蠈踊蛉醯呢撎荻龋朔N傳播條件形成了淺海表面聲道。1.4.3海洋中聲的波導傳播和反波導傳播在圖10-7a（圖略）中聲線沒有經(jīng)過海底而彎向海面反射回來，在此情況下不存在海底吸收和散射，所以冬季聲能的傳播距離較夏季遠得多。這種聲線傳播路徑稱為海洋中聲的波導傳播。于炎熱夏季的淺海中聲速隨深度的分布多為負梯度，從聲源輻射的聲線束彎向海底(10-7b)。由于海底對聲波的吸收和散射，經(jīng)海底反射回來的聲能減弱；特別是在圖中斜線表示聲的影區(qū)內(nèi)，沒有直達聲，只有散射聲。所以聲的傳播距離受到極大的限制，這就是在10.1.1中所說的“午后效應”。這種聲的傳播路徑稱為反波導型傳播。海水的溫度不僅隨深度變化，也隨晝夜變化，因此傳播條件是不穩(wěn)定的。表層溫度比底層愈高，則聲線愈向海底彎曲，傳播的條件也愈差。夏季熱而無風的天氣，表層溫度很高，故聲的傳播條件最差。2海洋的光學性質(zhì)主要研究海洋水體的光學性質(zhì)、光在海中的傳播規(guī)律、激光與海水的相互作用以及光學波段探測海洋的方法與技術。核心問題：海洋輻射傳遞的研究或光在海洋中傳播規(guī)律的研究成為海洋光學基礎研究。海洋光學調(diào)查的主要目的就是調(diào)查海洋的光學性質(zhì)或光在海中的傳播規(guī)律，同時由海洋光學參數(shù)的測量獲取各類海洋學參數(shù)，以便進行海洋光學的各種研究。研究過程：19世紀初，人們在進行海洋調(diào)查時，用一個直徑30cm的白色圓盤(透明度盤)垂直沉入海水中，直到剛剛看不見為止時的深度，這一深度叫海水的透明度。將透明度盤提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤之上水柱的顏色，稱為海水的水色。19世紀末，海洋學工作者把海水光學性質(zhì)的研究和海洋初級生產(chǎn)力結(jié)合起來，并測量了海洋的輻照度。20世紀30年代到60年代是海洋光學的形成階段。研制了水中輻照計、水中散射儀、海水透射率計、水中輻亮度計等海洋光學儀器，系統(tǒng)地測量了海水的衰減、散射和光輻射場的分布，積累了基本的海洋光學參數(shù)數(shù)據(jù)；對光在海洋中的傳播規(guī)律，尤其是海洋輻射傳遞理論也進行了基本的研究。60年代中期到80年代是海洋光學的發(fā)展階段。近代光學、激光和光學遙感技術的發(fā)展大大開拓了海洋光學的研究領域，多光譜衛(wèi)星遙感技術已成為探測海洋的重要手段。2.1海洋光學中的一些輻射量海洋光學中有兩個基本的輻射度量，用于描述海中光場的分布。是輻亮度L，它是指沿特定方向垂直于單位截面積并沿此方向單位立體角的輻射量大小；輻照度E，它表示單位面積接收到的輻射量2.3光在海水中的衰減光進入海中，受到海水的作用將衰減。即使最純凈的水，這種衰減也是很嚴重的。引起衰減的物理過程有兩個：吸收和散射。（1）海水中光的吸收：光能量在水中損失的過程就是吸收。吸收也存在不同的物理過程：有些光子是在它的能量變?yōu)闊崮軙r損失了，有些光子被吸收后由一種波長變?yōu)榱肆硪环N波長的光。（2）海水中光的散射：散射時，光子沒有消失，只是光子的前進方向發(fā)生了變化。也導致水中準直光束能量的衰減海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各種粒子，包括懸移質(zhì)粒子、浮游植物及可溶有機物粒子等。散射的機制主要有兩種：瑞利散射和米氏散射。水分子散射遵從瑞利散射規(guī)律；粒子的散射遵從米氏散射規(guī)律。清潔大洋水主要是水分子散射，沿岸混濁水主要是大粒子散射。2.4海洋光學儀器測量海洋光學性質(zhì)的儀器可分為兩類：①測量海水固有光學性質(zhì)的儀器。因為固有光學性質(zhì)不受環(huán)境條件的影響，可采樣在實驗室中測量，也可在現(xiàn)場測量，故這類儀器又分為實驗室儀器和現(xiàn)場測量儀器兩種。②測量海洋表觀光學性質(zhì)的儀器。因為表觀性質(zhì)都與環(huán)境有密切的關系，故必須在現(xiàn)場觀測。1）測定海水固有光學性質(zhì)的儀器：測定體積衰減系數(shù)的c儀(或準直光透射率儀)、測定體積散射函數(shù)的β儀、測定總散射系數(shù)的b儀，其中β儀和b儀都稱為水中光散射儀。2）測定表觀光學性質(zhì)的儀器：輻照度儀和輻亮度儀。2.5水中光的輻射傳遞理論海洋輻射傳遞是研究光輻射通過海洋水體受到多次散射和光譜吸收所導致的海洋中輻射場的變化。海洋輻射傳遞理論是海洋光學的基本理論，它是水中能見度、激光水中傳輸、海面向上光譜輻射等應用研究的理論基礎。（1）水中能見度即水中視程，它比大氣能見度低得多，一般水平方向水中能見視程為大氣能見視程的千分之一。這主要因為光在海水中的衰減比大