海洋光学综述

海洋光学综述

海洋光学是研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学。它是海洋物理学的分支学科，又是光学的分支学科。

光电子学方法是海洋光学测量的主要手段，基础研究中包括实验和理论两方面。实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。

一、发展简史

早在19世纪初，就有人用透明度盘目测自然光在海中的铅直衰减。从19世纪末开始，海洋学家才比较注意研究海洋的光学性质，并结合海洋初级生产力的研究，用光电方法测量海洋的辐照度。

到了20世纪30年代，瑞典等国的科学家设计制造了测定海水的线性衰减系数、体积散射系数和光辐射场分布的海洋光学仪器，进行了一系列现场测量。从第二次世界大战后到60年代中期，是海洋光学的发展时期：

1947～1948年，瑞典科学家在环球深海调查中（“信天翁”号），首次将海洋光学调查列入重要的海洋调查计划，测量了辐照度、衰减和散射等；

1950～1952年，丹麦人在环球深海调查中，致力研究了

重要海区的初级生产力和光辐照之间的关系；

1957～1958年，在国际地球物理年(IGY)的调查中，测量了北大西洋的水文要素和光学参数，并研究其相互的关系。

美国、苏联、法国等国，相继建立了实验基地，详尽研究了海水固有光学性质和海洋表观光学性质之间的关系；美国R.W.普赖森多费尔提出了比较系统的海洋光学理论，发展了海洋辐射传递理论；一些学者对水中能见度理论、海洋光学测量模型、光辐射场与海水固有光学性质之间的关系，进行了比较系统的研究。

60年代中期以后，随着近代光学、激光、计算机科学、光学遥感和海洋科学的发展，海洋光学得到了进一步的发展，特别是结合信息传递的要求，用蒙特卡罗方法较好地解决了激光在水中的传输、海面向上光辐射与海水固有光学性质之间的关系等问题，使海洋光学从传统的唯象研究转入物理的和技术的研究。

二、研究内容

（一）基础研究

包括实验和理论两方面。实验方面主要运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究。可见光波段是能透入海中的电磁波的主要波段，其传播规律决定于海洋水体的散射和吸收等性质。各海区的光学性质和海洋水体的组分密

切相关，因此海洋光学调查是研究区域海洋光学性质的主要手段。在理论研究方面，海洋辐射传递理论是海洋光学的主要理论基础，从辐射传递方程出发，主要运用随机模拟方法和蒙特卡罗法，建立各种辐射传递模型，包括分层结构海洋水体、均匀海洋水体、海洋－大气系统、窄光束水中传输等模型、规律。

（二）海面光辐射研究

主要研究日光射入海洋后，经过辐射传递过程所产生的、由海洋表层向上的光谱辐射场。它是光学遥感探测海洋的主要信息来源，是建立光学海洋遥感模型的重要依据。

（三）水中能见度

主要研究水中的视程和图象在水中的传输问题。由海洋辐射传递方程出发，可导出水中对比度传输方程和水中图象传输方程，用以研究水中的图象系统。

（四）激光与海水的相互作用

主要研究激光在水中受到的散射、吸收及其所遵循的传输过程。70年代以后对海水激光荧光和海水受激拉曼散射的研究，为激光测水深、海水的化学分析和海洋的温度、盐度按深度的分布，打下了基础。

（五）海洋水体的光学传递函数

用线性系统理论研究海洋水体对光的散射和吸收的过程。主要研究海水点扩展函数、海水光学传递函数与海水固有光学参数的关系。它是建立海洋激光雷达方程和水中图象系统质量分析的重要依据。

基本参数性质

太阳和天空辐射通过海面进入海中所形成的海洋辐射场分布，主要表现为辐亮度分布、辐照度衰减、辐照比和偏振特性等所有与辐射场有关的光学性质。

⒈衰减长度(AL)

单色准直光束通过海水介质，辐射能呈指数衰减变化。海水的体积衰减系数是波长的函数，通常认为近岸海水的光谱透射窗口（即在此波段，光在海水中的衰减最小，透射最大）为0.520um，体积衰减系数约为0.2～0.6m，其衰减长度约为1.2～5m。大洋清洁海水的光谱透射窗口为0.480um，体积衰减系数约为0.05m，其衰减长度约为20m。

⒉辐亮度(L)

表示单位立体角dΩ和单位发射面积dA发出的辐射通量，L=d2F/dAcosθdΩ。θ是光束与dA的法线的夹角。水中的辐亮度分布由海洋辐射传递方程来决定。

辐亮度沿深度z的变化，由垂直衰减系数к所决定。射到

海面的日光中大约50%是红外辐射，其中大部分被水深一米以内的表层所吸收，所以在水下测得的太阳光谱的峰值正好处于对海水有最大透射率的蓝绿光附近，虽然它们的入射功率还不到太阳总入射功率的1/10，却是水下光谱的主要成分，甚至在水深600米处还能用光电法测到。

水下能见度主要依赖这段光谱，它对水下动物是很重要的。实测表明：水下太阳垂直平面内的辐亮度角分布随深度而变化，在表层有明显的峰值，随深度增加，峰值减小，最大值逐渐移向天底角，深度达20个衰减长度后，辐亮度趋于对称的极限分布，此时辐亮度衰减系数к趋于极限值k，k 与方向无关，且小于μ值。因而渐近极坐标曲面就是一个围绕垂轴旋转、偏心率为k/μ的椭球。

k/μ只取决于固有光学性质，与大气光学状态和海况无关。普赖森多费尔在标量辐照度衰减系数к0为常数的假设下，用辐射传递理论完成了渐近分布存在性的数学证明。

⒊辐照度(E)

表示入射到无限小面元上的辐射通量dF与该面积之比。辐照度随深度z 的增加而按指数律衰减，以海平面为基准，法线向上的单位面元上接收到的辐射通量，称为向下辐照度Ed；法线向下的单位面元上接收到的辐射通量，称为向上辐照度Eu，它们的分布与太阳高度角、光的波长和海水深度有关。一般海区表层水的Ed的极大值处于波长为480～500nm

处。

在大洋水中，随深度的增加，此峰值移向465nm。在悬浮颗粒和黄色物质较多的混浊海区，由于选择吸收的结果，使极大值移向绿光。辐照度在海洋深层(100～500m)的光谱分布只局限于很窄的蓝光区，其向下辐照度的衰减系数кd也趋于常数，约为0.03。特别令人注意的是，对海洋初级生产力有重大影响的上升流区域，浮游植物富集，кd的光谱分布和叶绿素的光谱吸收曲线十分相似。称为辐照比(反射比)。

R 值随波长、海水的混浊度和深度而变化，一般为1～10%。天空光是部分偏振的，太阳的直射光是非偏振的，然而经海面折射进入海水后，随其天顶角的增大而产生部分偏振。当透射光被海水和悬浮颗粒散射时，它的偏振分布会有很大的变化。太阳方位角不同时，垂直面上的偏振分布不同。偏振度随着深度的增大而逐渐减小，到达辐亮度极限分布的深度后，偏振度也达到极限值。

研究方向

⒈海洋光学遥感

海洋光学遥感的主要途径是从宇宙飞船或卫星上拍摄海洋的照片或利用星载激光雷达进行探测，包括利用可见光对海洋进行多光谱摄影，以及红外与微波波段的观察。400-600nm波段的可见光遥感能够根据某海区上空的云量变