Визуальное определение цвета воды c помощью шкалы цветности Фореля-Уле

Цвет воды океана неодинаков в различных его районах. В высокопрозрачных водах тропиков и субтропиков (открытые районы океана) цвет их насыщенно синий или голубой. В умеренных широтах цвет воды становится зеленовато-голубым. В полярных областях преобладают воды голубовато-зеленого и зеленого цвета. Существенно различаются цветом воды различных морей, например (в открытых районах): в Карибском и Средиземном морях цвет воды в основном голубой, в Черном и Каспийском преобладают цвета голубовато-зеленые и зеленые, в Белом море – зеленые и желтовато-зеленые, в Балтийском вода мутно-зеленая с желтизной. Ощущение цвета возникает благодаря способности человека различать спектр света в видимом диапазоне длин волн 380—700 нм. В основе современного представления о цветовом зрении лежит принцип трехцветности — любой цвет может быть синтезирован из трех основных цветов, каждый из которых нельзя полу- чить сложением двух других. Глазные светорецепторы являются индикаторами основных цветов, информация от которых поступает в мозг, где и формируется ощущение цвета.

Разнообразие цвета океанских вод послужило основанием для использования цвета воды в качестве океанологической характеристики. Визуальные определения цвета воды были стандартизированы после изобретения в конце 19-го столетия шкалы цветности (шкала Фореля-Уле). Прибор состоит из набора пробирок с жидкостями, цвет которых изменяется от синего (пробирка №1) до коричневого (пробирка №21). Общий вид прибора представлен на рис. 1. В таблице 1 приведена шкала цветности с указанием цвета для соответствующих номеров пробирок.

Рисунок 1. Шкала цветности океанской воды Фореля-Уле. Прибор состоит из двух планшетов с запаянными пробирками, цвет которых изменяется от синего (пробирка №1) до коричневого (пробирка №21).

Определение цвета воды с помощью данной шкалы производится путем сравнения цвета, который приобретает в воде белый диск, опущенный на глубину Z6/2 (Z6 — предельная глубина видимости белого диска) с цветовой шкалой прибора, в процессе чего подбирается пробирка подходящего цвета. С физической точки зрения таким образом можно определить цвет, который приобрело излучение Солнца, пройдя дважды через слой воды толщиной Z6/2, представляющий собой спектральный фильтр. Многочисленные определения цвета воды совместно с измерениями глубины видимости белого диска показали, что между этими величинами существует тесная корреляция, а именно: балл цветности увеличивается с уменьшением глубины видимости белого диска.

Белый цвет представляется как однородная смесь трех основных цветов. В основе колориметрической системы лежат стандартные функции, описывающие спектральную чувствительность цветовых рецепторов (синего, зеленого и красного) среднего человеческого глаза. 
Определение цвета воды по шкале цветности вносит элементы субъективности при подборе пробирки с подходящим цветом. Это связано с индивидуальными особенностями ощущения цвета, которые могут отличаться от среднего («стандартного») глаза. Для объективной оценки цвета воды в оптике используется колориметрическая система X, Y, Z, базирующаяся на теории трехцветности цветного зрения глаза человека. Согласно этой теории любой цвет может быть получен смешением трех основных цветов – синего, зеленого и красного. Соответствующие три цветовых рецептора, содержащиеся в глазе, посылают информацию в мозг, где в зависимости от соотношения трех составных сигналов формируется ощущение цвета источника излучения.

Таблица 1. Обозначение цветовых стандартов шкалы цветности океанской воды Фореля-Уле

 Рассмотрев методы определения истинного цвета океанских вод, остановимся на основных факторах, определяющих их видимый цвет. При определении цвета воды в глаз наблюдателя попадает кроме излучения, выходящего из толщи вод, еще и излучение небосвода и Солнца, отраженное поверхностью воды. Смесь этих двух спектральных потоков и определяет видимый наблюдателем цвет воды. Спектральный состав излучения, выходящего из толщи вод океана, определяет собственный цвет океанской воды. Он зависит от спектрального распределения показателей поглощения и рассеяния назад.

В чистых водах минимум находится в синей области спектра. Кроме того, в таких водах вследствие низкой концентрации частиц наблюдается высокая селективность рассеянного назад света, так как большой вклад в него вносит молекулярное рассеяние, т.е. рассеяние в синей части спектра намного выше, чем в красной. Вследствие этого яркость толщи чистых вод максимальна в синей области спектра – отсюда и насыщенный синий или сине-голубой цвет вод океанских пустынь (по шкале цветности №цв = I-II). В высокопродуктивных мутных водах сильное поглощение света в синей части спектра желтым веществом приводит к смещению минимума в зеленую и даже в желто-зеленую область. Из-за высокого содержания органической взвеси селективность рассеянного назад света невелика. Поэтому собственный цвет высокопродуктивных вод зеленый, а при высокой концентрации желтою вещества – желто-зеленый (№цв = IX-XII).

Накладывающееся на излучение толщи вод излучение небосвода и Солнца, отраженное поверхностью воды, может сильно изменить его спектральный состав. Удельный вклад отраженного излучения в суммарный поток, воспринимаемый глазом наблюдателя, зависит от условий наблюдения: высоты Солнца, наличия облачности, состояния поверхности воды, угла наблюдения. Изменения спектрального состава отраженного солнечного излучения при разных углах отражения можно не учитывать, так как в видимой области коэффициент отражения слабо зависит от длины волны.

Для иллюстрации изменчивости доминирующей длины волны и чистоты цвета излучения, выходящего из толщи вод, в таблице 2 приведены соответствующие данные для некоторых морей и океанов. Из таблицы видно, что например в Саргассовом и Средиземном морях цвет излучения синий, чистота его велика; в Балтийском море – зеленый, мутный, чистота его мала.

Таблица 2. Доминирующая длина волны и чистота цвета в некоторых районах Мирового океана (Маньковский, 1972, 1978)

 Яркость отраженного света имеет минимальное значение при наблюдении в надир, т.е. когда угол наблюдения, отсчитываемый от вертикали, равен 0°. В этом случае видимый цвет океана наиболее близок к собственному цвету толщи океанских вод. Поэтому и цвет воды по шкале цветности определяют при наблюдении в надир. По мере увеличения угла наблюдения доля отраженного излучения возрастает – вначале оно сравнивается с выходящим из океана излучением, а затем и превосходит его. В результате при больших углах наблюдения видимый цвет океана становятся таким же, как и цвет участка небосвода, от которого приходит в глаз наблюдателя отраженное излучение. Так, при безоблачном небе цвет океана у горизонта белесый, как и цвет неба у горизонта. В пасмурную погоду яркость отраженного излучения неба значительно превышает яркость излучения, выходящею из толщи вод, и в ненастье все океаны и моря однообразно серы. При наблюдении в сторону Солнца цвет океана невозможно определить – он забивается яркими солнечными бликами.

 При наблюдении в надир волнение практически не сказывается на цвете океана, так как коэффициент отражения излучения при этом мало отличается от коэффициента отражения в штилевую погоду. При больших углах наблюдения при волнении средний угол отражения излучения от небосвода поверхностью воды в глаз наблюдателя тоже невелик, т.е. и яркость отраженного света мала. А так как на океан или море чаще всего смотрят с берега, т.е. при больших углах относительно вертикали, то при волнении море по сравнению со штилевой погодой синеет или зеленеет в зависимости от собственного цвета воды.

ЛИТЕРАТУРА
Маньковский В.И. Тонкая структура индикатрис рассеяния света в морских и океанических водах // Морские гидрофизические исследования. – Изд. МГИ УССР, Севастополь. – 1972. С. 126–140.
Маньковский В.И. Эмпирическая формула для оценки показателя ослабления света в морской воде по глубине видимости белого диска // Океанология. – 1978. Вып. 4. С.750–753.