Valgus vees
Läbi atmosfääri veepinnani jõudnud valguskiirguses tungib vette vaid osaliselt, märkimisväärne osa sellest peegeldub. Osa peegeldunud kiirgusest võib siiski vette tagasi jõuda hajunud kiirgusena. Hajutajateks oleksid siis atmosfäär ja ümbritsev maastik. Peegeldumise määr sõltub päikese kõrgusest. Otsese kiirguse peegeldumist kirjeldab Fresneli reegel:
Sõnadesse panduna ütleb Fresneli reegel, et mida madalamal on Päike horisondi kohal, seda suurem osa tema valgusest peegeldub. Järelikult on päev vees lühem kui maismaal. Ka hajuskiirgus peegeldub veepinnalt, kuid see peegeldumise määr on Päikese kõrgusest märksa vähem sõltuv ega ületa ka väga väikeste ho puhul 20 %. Helenduva taevavõlvi iga punkti võib vaadelda punktvalgusallikana. Keskmiselt peegeldub suvel 5...6 % summaarsest kiirgusest.
Peegeldumist mõjutavad peale Päikese nurkkõrguse veel terve rida faktoreid. Lainetus suurendab peegeldumist vähesel määral, kõige rohkem 10%. Sile ja täiesti läbipaistev jääkate peegeldab võrdselt veega. Väga hea peegeldaja on lumi. Juba väga õhukeselt lumekihilt peegeldub kuni 75 % kogu langevast kiirgusest. Päikese väikeste tõusunurkade puhul võib see tõusta kuni 98 %-ni ja nähtava valguse peegeldumine kuni 100 %-ni.
|
Vette tunginud valgusest mingi osa neeldub ja mingi osa hajub. Hajumine toimub vee ja lahustunud aine molekulidelt, looduslikes vetes peamiselt hõljumilt, veekogu madalates osades ka põhjalt. Hajumist võib lihtsustatult kujutada igas suunas toimuvate peegeldumiste summana. Puhas vesi hajutab kõige enam sinist valgust (Joonis 48). Vees olevad osakesed neelavad kiirgust valikuliselt erinevates spektri osades. Valguse neeldumine veele värvust andvate lahustunud ainete poolt suureneb sujuvalt punasest spektriosast lühemalainelise (sinise, violeti) kiirguse poole, mistõttu hajunud ja läbinud komponendis hakkab domineerima pikemalaineline kiirgus (annab näiteks rabavetele punaka või pruunika tooni).
Veepinna suunas tagasihajunud kiirgusest ligikaudu pool peegeldub vette tagasi. Kiired, mille nurk veepinna suhtes on väiksem kui 41°, peegelduvad täielikult vette tagasi (täielik sisepeegeldumine). Veest väljunud hajuskiirgus koos peegeldunud kiirgusega moodustavad veekogust lahkuva kiirgusvoo, mille suhet langevasse kiirgusesse nimetatakse albeedoks. Albeedo suurus on tavaliselt 6...25 %. Hajunud valguse komponent temas on tavaliselt vähemuses ega ületa 1/3.
Valgus osaline neeldumine ja hajumine vees moodustavad kokku valguse vertikaalse nõrgenemise e. ekstinktsiooni. See nõrgenemine ei toimu sügavuti lineaarselt vaid eksponentsiaalselt. Kui me tähistame kiirgusenergia enne vette tungimist I0 ja sügavuse z , siis kiirguse intensiivsuse sügavusel z on:
Veepinna suunas tagasihajunud kiirgusest ligikaudu pool peegeldub vette tagasi. Kiired, mille nurk veepinna suhtes on väiksem kui 41°, peegelduvad täielikult vette tagasi (täielik sisepeegeldumine). Veest väljunud hajuskiirgus koos peegeldunud kiirgusega moodustavad veekogust lahkuva kiirgusvoo, mille suhet langevasse kiirgusesse nimetatakse albeedoks. Albeedo suurus on tavaliselt 6...25 %. Hajunud valguse komponent temas on tavaliselt vähemuses ega ületa 1/3.
Valgus osaline neeldumine ja hajumine vees moodustavad kokku valguse vertikaalse nõrgenemise e. ekstinktsiooni. See nõrgenemine ei toimu sügavuti lineaarselt vaid eksponentsiaalselt. Kui me tähistame kiirgusenergia enne vette tungimist I0 ja sügavuse z , siis kiirguse intensiivsuse sügavusel z on:
k on ekstinktsioonikoefitsent, mis sõltub vee enda ja seal sisalduvate ainete omadustest. Sellisel kujul kannab see võrrand Buger Lamberti seaduse nime.
Spektri osade erineva ekstinktsiooni tõttu on summaarse kiirguse nõrgenemine pinnalähedases kihis kiirem, kui sügavamal, kuna pinnakihis leidub veel kiiresti nõrgenevaid komponente (pikemalainelist kiirgust). Sügavamal spekter aheneb ja sinna jõuavad vaid väikese ekstinktsioonikoefitsiendiga kiired (Joonis 49). Destilleeritud vees muutub pindmises 1-meetrises kihis soojuseks 53% summaarsest kiirgusest.
|
Nähtava valguse keskmine ekstinktsioonikoefitsient puhtas vees on 0,04. Looduslikes vetes lisanduvad vee enda neelavatele ja hajutavatele omadustele lahustunud ainete ja hõljumi optilised mõjud. Komponentide mõju valguse spektraalsele koostisele on erinev. Lahustunud orgaaniline aine neelab eelistatult sinist valgust. Selle omaduse tõttu nimetatakse teda hüdrooptikas ja limnoloogias sageli "kollaseks aineks". Mineraalne hõljum mõjutab valguse spektraalset koostist vähe ja mõjub seetõttu neutraalfiltrina. Bioloogilise päritoluga hõljumil võib olla mitmesugune mõju, olenevalt hõljumi koosseisust. Omaette käsitlemist väärib fütoplankton, mis sisaldab spetsiaalseid valgust neelavaid pigmente. Klorofüll neelab valgust valikuliselt. Üks tippudest paikneb spektri sinises osas (425 nm), teine punases osas (662...665 nm). Rohkesti fütoplanktonit sisaldavates veekogudes jõuab seetõttu kõige sügavamale kollakasroheline, mitte sinine valgus.