تعیین ضریب جذب نور مرئی در آبهای جنوبی دریای خزر

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد فیزیک دریا، گروه صنایع مهام، صنایع شهید ستاری.

2 دانشیار دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال

چکیده

نور مرئی ترکیبی از رنگ های مختلف است. نور در یک محیط بر اثر عواملی مانند پراکندگی و جذب تضعیف می شود. میزان جذب و پراکندگی نور در محیط های مختلف، بستگی به نوع محیط و طول موج نور تابشی دارد. یکی از محیط­هایی که باعث تضعیف شدید نور مرئی می شود، آب دریا است. در این تحقیق، روشی برای محاسبه ضریب جذب نور مرئی در آب­های جنوبی دریای خزر در دو ایستگاه چالوس و کپورچال ارایه شده است. از هر ایستگاه یک نمونه آب از عمق نیم متری نمونه برداری شده و درآزمایشگاه تحت تابش پرتوهای لیزر با طول موج­های مختلف قرار گرفته و سپس ضریب تضعیف نور را به­دست آورده و با استفاده از جداول مربوطه، ضریب جذب نور در آب در ایستگاه­های مورد نظر محاسبه شده است. در این دو ایستگاه به دلیل پایین بودن شوری آب دریا پراکندگی هم کم­تر می­باشد. هم­چنین به دلیل این­که نمونه­برداری در لایه سطحی از آب انجام شده است، میزان نفوذ  نور مرئی در طول موج­های مختلف تقریبا یکسان می باشد. طول موج­های کوتاه­تر بیش­تر پراکنده و طول موج­های بلند­تر بیش­تر جذب می­شوند.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

پایداری، توسعه و محیط زیست، دوره اول، شماره1،زمستان 97

تعیین ضریب جذب نور مرئی در آبهای جنوبی دریای خزر

جمشید کریمی [1]

 مسعود ترابی آزاد[2]*

Torabi_us@yahoo.com

 

چکیده

نور مرئی ترکیبی از رنگ های مختلف است. نور در یک محیط بر اثر عواملی مانند پراکندگی و جذب تضعیف می شود. میزان جذب و پراکندگی نور در محیط های مختلف، بستگی به نوع محیط و طول موج نور تابشی دارد. یکی از محیط­هایی که باعث تضعیف شدید نور مرئی می شود، آب دریا است. در این تحقیق، روشی برای محاسبه ضریب جذب نور مرئی در آب­های جنوبی دریای خزر در دو ایستگاه چالوس و کپورچال ارایه شده است. از هر ایستگاه یک نمونه آب از عمق نیم متری نمونه برداری شده و درآزمایشگاه تحت تابش پرتوهای لیزر با طول موج­های مختلف قرار گرفته و سپس ضریب تضعیف نور را به­دست آورده و با استفاده از جداول مربوطه، ضریب جذب نور در آب در ایستگاه­های مورد نظر محاسبه شده است. در این دو ایستگاه به دلیل پایین بودن شوری آب دریا پراکندگی هم کم­تر می­باشد. هم­چنین به دلیل این­که نمونه­برداری در لایه سطحی از آب انجام شده است، میزان نفوذ  نور مرئی در طول موج­های مختلف تقریبا یکسان می باشد. طول موج­های کوتاه­تر بیش­تر پراکنده و طول موج­های بلند­تر بیش­تر جذب می­شوند.

واژه های کلیدی:ضریب تضعیف نور مرئی، ضریب پراکندگی نورمرئی، ضریب جذب نور مرئی، دریای خزر جنوبی.


J.Sus.Dev. &Env., Vol 1, No.1, Winter 2019

 

Determine the absorption coefficient of visible light in the southern waters of the Caspian Sea

 

Jamshid Karimi[3]

 Masoud Torabi Azad[4]

Torabi_us@yahoo.com

 

Abstract:

Visible light is a combination of different colors. Absorption and scattering of light in different environments are depending on the type of environment and the wavelength of incident light.  The sea water is one of the areas that cause severe attenuation of visible light. In this study, a method for calculating the absorption of visible light in the southern waters of the Caspian Sea in Chalus and Kapurchal station is provided. A water sample from a depth of half a meter from each station sampled laboratory irradiated laser beams with different wavelengths and the light attenuation coefficient obtained by using the relevant tables, the light absorption coefficient is calculated in study stations.  The two stations due to the low salinity of sea water is less dispersion. An also, because the surface layer of water sampling is done, the influence of visible light at different wavelengths is almost identical. Shorter wavelengths are more scattered and longer wavelengths are more absorbed.                                                    

Keywords: Attenuation coefficient of visible light, Scattering coefficient of visible light, Absorption coefficient of visible light, South Caspian Sea.

 

مقدمه

نور مرئی[5] ترکیبی از رنگ­های سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش است­. طیف نور مرئی بر حسب طول موج از حدود 400 نانومتر (نور بنفش) تا 700 نانومتر (نور قرمز) گسترده است. یکی از مهم­ترین عوامل تضعیف کننده[6] نور خورشید[7] و هر پرتو نوری دیگری، محیط انتشار آن است. وقتی نور خورشید به سطح دریا[8] می­رسد، مقدار قابل توجهی از آن توسط جو زمین جذب، منعکس و یا پراکنده می­شود. ظرفیت جذب انرژی خورشیدی در اتمسفر زمین، از اقیانوس­ها کم­تر بوده است و سطح زمین تقریبا 33/0  اقیانوس­ها ، نور خورشید را جذب می­کند (1).

 در یک لحظه ، 25/0 درصد سطح زمین توسط پرتوهای خورشید درخشان می­شود. تا قبل از رسیدن این پرتوها به سطح زمین، تمام آن­ها بطور موازی به سطح زمین می­رسند و واگرایی بین آن­ها تقریبا 004/0 درجه  است. در یک سیکل روزانه یا چرخش کامل زمین تقریبا 432 وات بر متر مربع توان تابشی به سطح زمین و دریاها می­رسد که تقریبا 4/1 ثابت خورشیدی است (ثابت خورشیدی 1365 وات بر مترمربع می باشد). از 100 درصد انرژی تابشی خورشید به سطح زمین و دریاها، معمولا 26 درصد توسط ابرها، سطح دریاها و زمین منعکس و پراکنده می­شود. هم­چنین 19 درصد به­وسیله ابرها و جو زمین جذب می­شود. باقی­مانده آن 55 درصد یا معادل 188

وات بر متر مربع بوده است که به سطح زمین و اقیانوس­ها می­رسد (2).  شکل (1) ضریب جذب بخشی از طیف امواج الکترومغناطیس از ناحیه فرا­بنفش تا امواج کوتاه رادیویی و هم­چنین طیف نور مرئی در آب (مایع) را که توسط محققین مختلفی به­دست آمده است را نشان می دهد.

همان­طوری که نمودار­ها نشان می­دهند­، در طیف امواج الکترومغناطیس­، نور مرئی کم­ترین جذب و هم چنین در طیف نور مرئی طول موج­های آبی – سبز کم­ترین جذب را در آب دارند.

پراکندگی نور در هوا توسط  گرد و غبار ، ذرات و آئروسل­ها[9]  مولکول­های موجود در اتمسفر و جذب نور توسط گازهای تشکیل­دهنده آن مانند اکسیژن، ازن، بخارآب و دی اکسید کربن صورت می­گیرد. از طرف دیگر انعکاس نور توسط ابرها و سطح زمین باعث کاهش توان فرودی نور خورشید بر روی سطح دریا و زمین می­شود. نور در اثر عوامل مختلفی در آب دریا دچار تضعیف می­شود. پراکندگی و جذب نور دو عامل مهم در تضعیف نورمرئی در آب دریا می­باشند. نرخ تضعیف نور خورشید در آب بر حسب عمق اندازه گیری می­شود. بیش­ترین جذب نور در آب دریا توسط پیگمنت­ها[10] و مولکول­های آب و بیش­ترین پراکندگی به­وسیله ذرات معلق در آب صورت می­گیرد (3)‌ .

 

 

 

شکل 1- a) طیف جذبی بخشی از امواج الکترومغناطیس در آب بر حسب طول موج

b) طیف جذبی نور مرئی در آب بر حسب طول موج (1)


 

مطالعه نور مرئی در آب دریا از جهات مختلف حایز اهمیت است. ازکاربردهای نظامی نور مرئی در آب دریا می­توان به مانع­یابی در زیر آب توسط سنسور­های لیزری در ربات­های هوشمند

زیر­آبی ، نشانه­گذار لیزری در زیر آب و از کاربرد­های غیر­نظامی آن می­توان به اثرات نور بر روی گیاهان و جانوران آبزی در آب دریا ، عمق­یابی دریاها و اقیانوس­ها، مشخص­کردن شکل اشیاء در زیر آب و انتخاب مسیر­های بی­خطر برای کشتیرانی به­وسیله پرتوهای لیزری اشاره کرد.

جذب و پراکندگی نور مرئی در آب دریا

تضعیف انرژی نورمرئی در آب دریا وابسته به دو اثر پراکندگی و جذب نور در آب است.

این دو اثر بستگی به طول موج نوری، موجودات میکروسکوپی آبزی فعال در آب، ذرات جامد در آب و رسوبات[11] داخل آب دارد. بنابراین، تضعیف نور مرئی در آب دریا ناشی از دو عامل جذب و پراکندگی نور است که به صورت زیر تعریف می­شوند:

(1)                          a(l,x) + b(l,x)  C(l,x)=

که در رابطه بالا،  a(l,x)را ضریب جذب نور و b(l,x) را

ضریب پراکندگی نور و C(l,x) را ضریب تضعیف نور در آب می­باشد. ضریب تضعیف نور مرئی برای آب­های شفاف اقیانوسی

 

دور از ساحل، با غلظت ذرات کمتر از100 میکروگرم بر لیتر برابر  m-1)) 0.15 و برای آب­های ساحلی کدر، با غلظت ذرات 140 میلی گرم بر لیتر برابر  m-1)) 21 است. با توجه به مطالعات و آزمایشات انجام شده به صورت تجربی برای آب­های

تمیز اقیانوسی برای طول موج­هایی که بیش­ترین نفوذ را در آب دارند، ضریب پراکندگی تقریبا 4/1 ضریب تضعیف است. 6 % این پراکندگی ناشی از مولکول­های آب و 94% آن ناشی از ذرات معلق در آب است. 4/3 باقی­مانده ناشی از جذب است که 50 % ناشی از مولکول­های آب و 13% ناشی از ذرات و 37% ناشی از مواد ارگانیک محلول در آب است (4).

شکل (2) جذب نور مرئی را در آب­های طبیعی در اثر عوامل مختلف را نشان می­دهد. عوامل جذب کننده اصلی نور مرئی در آب­های اقیانوسی عبارت­اند از مولکول­های آب خالص، پیگمنت[12]های موجود درکلروفیل II فیتوپلانکتون­ها، مواد زرد رنگ و اسیدای آلی (5).

 

 

 

 

 

شکل 2 - نمودارهای جذب نور مرئی در آب­های طبیعی (6)‌

 

 

همان­طوری که می­دانیم هر چه نور مرئی بیش­تر در آب دریا نفوذ کند­، از انرژی آن بیش­تر کاسته شده و شدت پرتو نوری در اعماق پایین­تر آب دریا، کم­تر می­شود. با فرض ثابت بودن ضریب تضعیف برای نور در آب دریا، تضعیف نور بر حسب فاصله به صورت عمقی متناسب با درخشندگی[13] بوده و رابطه آن به صورت زیر است:

 (2) dI/dx = -cI                                                    در رابطه بالاx  (بر حسب سانتی­متر یا متر) مسافتی است که پرتو نوری در آب نفوذ می کند­، c ضریب تضعیف[14] (بر حسب عکس سانتی­متر یا متر)  و I تابندگی یا درخشندگی (بر حسب وات بر متر مربع) می­باشد.


شدت نور[15] به­طور نمایی[16] با فاصله کاهش می­یابد و به صورت رابطه زیر بیان می شود :

(3)I2 = I1 exp(-cx)                                             

در رابطه بالا I1 درخشندگی پرتو نوری اولیه و I2 درخشندگی یا تابندگی نور بعد از تضعیف می­باشد. رابطه بالا به قانون بیر- لامبرت[17] معروف است. از طرف دیگر نفوذ نور در آب­های مختلف متفاوت است. هر چه آب تمیزتر و طول موج نور کوتاه­تر باشد، میزان نفوذ نور در آب دریا بیش­تر است. شکل­های زیر نفوذ نور با یک طول موج خاص و نفوذ نور را در آب­های مختلف بر حسب طول موج نشان می­دهد

 

 

 

 

شکل 3- سمت راست: نفوذ نور با طول موج 452 نانومتر در آب های مختلف اقیانوسی بر حسب درصد

سمت چپ: نفوذ نور در آب­ها ی مختلف بر حسب طول موج(Stewart , 2008)

 

 

در نمودار سمت چپ آب­های مناطق مختلف رانشان می­دهد که میزان نفوذ نور مرئی بر حسب طول موج نور را بیان می­کند. منحنی I آب­های تمیز، منحنی II آب­های استوایی[18] و نیمه استوایی کدر، منحنی III آب­های عرض­های میانی، منحنی 1 الی 9 آب­های ساحلی است که کدورت آن­ها در حال افزایش است. با توجه به نمودار سمت چپ، نور مرئی در آب­های نوع یک نفوذ بیش­تری دارد. در نمودار سمت راست، نوری با طول موج 465 نانومتر را نشان می­دهد که در آب­های مختلف نفوذ کرده است. با توجه به نمودار، 0.5درصد از این نور تا عمق 160 متری در آب­های تمیز اقیانوسی نفوذ کرده است. در مناطق گرمسیری و در عرض­های میانی، در داخل آب دریا فیتوپلانکتون­های زیادی وجود دارد. رنگدانه موجود در داخل کلروفیل II این فیتوپلانکتون­ها، باعث جذب نور و این گیاهان شناور باعث پراکندگی نور در آب دریا می­شوند. خیلی از آب­های مولد، دارای تراکم زیادی از فیتو پلانکتون­ها هستند که به رنگ­های آبی- سبز یا سبز در آب دیده می­شوند. درآب­های

ساحلی[19]، نفوذ نور نسبت به آب­های دور از ساحل از تمیزی و دور از ساحل کمتر است. این نوع آب­ها در شکل بالا از شماره 1 الی 9 نشان داده شده­اند. این آب­ها شامل پیگمنت­های از مناطق خشکی می­باشند. رنگ این مواد زرد رنگ بوده و از آب­های گل­آلود[20] رود­خانه­ها از طریق حرکت امواج در آب­های کم عمق[21] وارد دریا می­شوند. نور به مقدار خیلی کمی در این نوع آب­ها نفوذ می­کند ‌‌(7). اقیانوس­ها، برای امواج الکترومغناطیس به غیر از ناحیه­ی باریکی در مرکز طیف امواج الکترومغناطیس که طول موج­های نوری می­باشند، غیر شفاف هستند. در همین ناحیه باریک، عبور انرژی محدود بوده و میزان نفوذ هر یک از طول موج­ها در داخل آب، با هم فرق می­کند. در اعماق بیش­تر از 300 متر، قوی­ترین نور­ها مربوط به آبزیانی است که از خود نور تابش می­کنند. با توجه به آزمایشات انجام شده نور خورشید حد اکثر تا عمق 200 متری در آب­های شفاف اقیانوسی نفوذ می­کند. طول موج­های مربوط به رنگ آبی و سبز بیش­ترین نفوذ و طول موج­های مربوط به امواج فرو سرخ کم­ترین نفوذ را در آب دریا دارند (8).

 

جذب نور در آب دریا توسط مولکول­های آب خالص

مولکول­های آب بیش­ترین نقش جذب انرژی نورانی خورشید را دارند. افزایش دما باعث جنبش سریع­تر مولکول­های آب می­شود­. تقریبا 96 درصد مولکول­های آب دریا در این فرایند موثر هستند. این جذب ناشی از برتری مولکول­های آب نسبت به مولکول­های دیگر مواد در داخل آب است. برای هر 100 مولکول آب 4-3 مولکول از مواد دیگر وجود دارد. مولکول­های

آب یک جذب­کننده قوی امواج الکترومغناطیس در ناحیه نور مرئی هستند. این فرایند باعث گرم شدن سطح آب اقیانوس­ها

می­شود. نتیجه این گرم­شدن تبخیر­، گرم­شدن و چرخش آب دریاها است­. ضریب جذب در آب خالص بستگی به دما و نمک

در آب دریا دارد­.

 

 

هرچه دما آب بالاتر رود، مقدار انرژی نوری جذب شده کم­تر می­شود. ضریب جذب نور در طول موج 750 نانومتر به ازای هر درجه سانتی­گراد 0.009 و برای طول موج600 نانومتر برابر 0.0015 است. شکل (4) جذب نور توسط مولکول­های آب خالص را نشان می­دهد. با توجه به نمودار اگر ما فقط آب خالص داشته باشیم با به­دست آوردن ضریب تضعیف نور با استفاده از قانون بیر- لامبرت و قرائت ضریب جذب نور از روی نمودار­، می­توان ضریب پراکندگی نور را برای طول موج­های نور مرئی در آب دریا به­دست آورد (2)‌

 

جدول 1- ضریب تضعیف و ضریب پراکندگی  نور برای آب های شفاف اقیانوسی (3)

ضریب پراکندگی (1/m)

ضریب تضعیف (1/m)

طول موج (nm)

ضریب پراکندگی (1/m)

ضریب تضعیف (1/m)

طول موج (nm)

0019/0

0648/0

550

151/0

14/3

200

0014/0

245/0

600

0575/0

588/0

250

001/0

35/0

650

0262/0

154/0

300

0007/0

65/0

700

0134/0

053/0

350

0005/0

47/2

750

0076/0

0209/0

400

0004/0

07/2

800

0045/0

0168/0

450

 

 

 

0029/0

0271/0

500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4- ضریب جذب نور به­وسیله مولکول­های آب خالص در دمای 22 درجه سانتی­گراد

 


جذب نور توسط مواد ارگانیک در آب دریا

مواد ارگانیک حل شده در آب دریا، یکی از بزرگ­ترین مواد معدنی ارگانیک روی سطح زمین هستند. این مواد، مواد خاکی ارگانیک و گیاهان بیو مس[22] که ناشی از بقایای موجودات زنده و گیاهان بوده­، که در دراز مدت وارد خاک شده اند، می باشند. این مواد محلول، از طریق آب­های روی زمین و سواحل دریا­ها که قابلیت زیست در آن­ها وجود دارد و هم­چنین از طریق رود­خانه­ها وارد آب دریا می­شوند. رنگ این مواد معمولا زرد رنگ می­باشد. اسید­های چرب، آمینو اسید­ها، کربو هیدرات­ها، هیدرو­کربن­ها وغیره، از این گونه مواد هستند. ضریب طیف جذبی ناشی از مواد زرد رنگ یکی از خواص نوری اساسی از بدنه آب است، که تاثیر زیادی بر روی انعکاس نور دارد. یک تحقیق آزمایشگاهی در مصب رودخانه مروارید، در سال 2002 در منطقه­ای از کشور چین توسط محققان دانشگاه فلوریدا در خصوص مواد زرد رنگ انجام شده است. در این تحقیق از طول موج­های200 الی 850 نانومتر استفاده شده است. بعد از انجام آزمایش مشخص شد که در طول موج 400 نانومتر، ضریب جذب نور برابر ( m-1) 15بوده است. مواد ارگانیک درآب­های

 

 

 

 

 

 

طبیعی یکی از بیش­ترین مواد کربنی ارگانیگ در برکه­های روی زمین می­باشد. این ترکیبات از هزاران ترکیب با وزن­های مولکولی متفاوت تشکیل شده است که به آن­ها مواد زرد رنگ[23] گفته می­شود. این ترکیبات در گروه­های شیمیایی متعددی قرار دارند. این مواد زرد رنگ درآب­های ساحلی از تفکیک شدن مواد ارگانیک در روی زمین و حرکت آن­ها به داخل آب از طریق مصب رودخانه­ها انجام می­شود (2).

جذب نور توسط فیتوپلانکتون­ها

 فیتوپلانکتون­ها جزو اولین موجوداتی هستند که نور خورشید را در آب جذب می­کنند. پیگمنت[24]­های موجود درکلروفیل a­ی فیتوپلانکتون­ها باعث جذب نور در آب می­شوند. فیتو­پلانکتون­ها موادی ارگانیک یا آلی هستند که به صورت میکروسکوپی به­طور آزادانه در داخل آب شناور بوده و به گیاهان شناور معروف­­اند. این مواد به­وسیله حرکات لایه­های آب به راحتی در داخل آب جابجا می­شوند­. اندازه این مواد از 2 میکرومتر هم کوچک­تر می­باشد­. واحد اندازه­گیری آن­ها بر حسب میلی­گرم بر متر مکعب می­باشد. شکل (5) ضریب جذب نور بر حسب طول موج به وسیله فیتوپلانکتون­ها را نشان می­دهد (2).


 


 

 

شکل 5- ضریب جذب نور بر حسب طول موج برای فیتوپلانکتون­ها (10)


 


جذب نور توسط مواد غیر ارگانیک در آب دریا

مواد غیر ارگانیک در آب دریا به دو دسته مواد محلول و غیر­محلول تقسیم­بندی می­شوند. نمک­های دریایی مواد غیر ارگانیک محلول در آب دریا بوده و رسوبات معلق داخل آب دریا که ناشی از ذرات ریز خاک و سنگ و مواد تشکیل دهنده بستر رود­خانه­ها که در اثر فرسایش زمین وارد آب دریا شده­اند، مواد غیر­محلول می­باشند. واحد اندازه­گیری مواد غیر­ارگانیک در آب دریا گرم برکیلوگرم می­باشد. جذب نور و اشعه فروسرخ به­وسیله ذرات معلق در آب دریا قابل مقایسه با مولکول­های آب خالص نیست­. ضریب جذب امواج فرابنفش به­وسیله ذرات معلق در دریا معمولا کمتر از مواد ارگانیک محلول در آب یا همان مواد زرد رنگ است (2).

جذب نور توسط نمک­های محلول و غیر محلول در آب دریا

نمک­های محلول و غیرمحلول در آب دریا بخش مهمی از مواد جاذب امواج الکترومغناطیس هستند. این مواد جزو مواد غیر ارگانیک در آب دریا هستند. در دریاهای آزاد غلظت این نمک­ها به طور متوسط 7/34گرم بر دسی­متر مکعب است. نمک­های دریا امواج فرو­سرخ را بیش­تر از امواج نوری جذب می­کنند. از طرف دیگر این نمک­ها امواج نوری را بیش­تر پراکنده می­کنند. نمک­های دریا به­طور کلی بر روی امواجی که طول موج آن­ها بین 900 الی 1500 نانومتر است، از طریق جذب و یا پراکندگی موثرترند (2).

جذب نور توسط گاز­ها و حباب­ها در آب دریا

درطی فعل و انفعالات بین دریا و هوا، گاز­های اتمسفر مانند اکسیژن، نیتروژن، دی­اکسیدکربن، آرگون وگازهای دیگر بالای سطح دریا، در آب دریا حل شده و به صورت حباب­های معلق در آب دریا یافت می­شوند. مقدار کمی از این گاز­های حل­شده در آب دریا نیاز اولیه موجودات دریایی می­باشد. گاز­ها با مقادیر مختلف در آب­ها حل می­شوند. مقدار گاز حل شده در آب به فشار گاز و نوع گاز از یک سو و از سوی دیگر به دمای آب، مواد موجود در آب و اسیدیته آب بستگی دارد. از طرف دیگر بیش­تر

فرایندهای شیمیایی در دریا به وسیله این گاز­ها کنترل می­شود.

این گاز­ها اثرات خیلی کمی بر روی خواص نور در آب دارند. برای اکسیژن محلول در آب یک استثناء وجود دارد. جذب امواج در ناحیه فرا­بنفش در طول موج زیر 260 نانومتر توسط اکسیژن صورت می­گیرد. اثرات جذب نور توسط گاز­ها در لایه سطحی رخ می­دهد ‌(2).

پراکندگی ناشی از مولکول­های آب خالص دریا

آب ماده­ای است که در روی زمین می­تواند به صورت سه حالت جامد (یخ) ، مایع (آب) و گاز (بخارآب) وجود داشته باشد. پراکندگی نور به­وسیله هر یک از این حالت­ها با هم متفاوت است. برای مثال، اگر شدت نور پراکنده شده تحت زاویه φ درجه ، 100 واحد برای آب به صورت بخار باشد، پراکندگی برای حالت مایع 2 واحد است و وقتی آب به صورت یخ باشد، پراکندگی نزدیک صفر است. کاهش شدت پراکندگی نتیجه تداخل سازنده است. برای یخ خالص به صورت کریستالی، درخشانی ناشی از نور در یک طول موج خاص صورت می­گیرد. در حالت جامد (یخ) نور پراکندگی ندارد. زیرا ممکن است دو پراکندگی داشته باشیم که با هم تداخل ویران­گر انجام دهند. وقتی نور به­طور جهت­دار منکسر می­شود و طول موج پرتو ورودی برابر فاصله صفحات پرکننده نور است­، نور تحت زوایای براگ به­صورت تداخل سازنده، پراکنده می­شود.  در این حالت مطابق قانون براگ داریم:

(4)                                                    2/sφ =nl/2d

در رابطه بالا­،l  طول موج، d فاصله صفحات (فضای خالی بین اتم ها) و n یک عدد صحیح یا ضریب بازتاب است. برای بخار آب یا به­طور عمومی برای گازها، پراکندگی ذرات ناشی از برهم­کنش یک مولکول با دیگر مولکول­ها به­طور تصادفی و از فاصله دور است. پراکندگی برای گاز­ها در اثر برخورد مستقیم و افزایشی مولکول­ها­ی گاز با ذرات نور بوده­، بدون این­که پرتو­های نوری با هم تداخل داشته باشند. پراکندگی نور به­وسیله آب خالص اغلب توسط مولکول­های آب رخ می­دهد (11).

پراکندگی نور با ذرات معلق در آب دریا

ذرات معلق در آب دریا به­طور کلی شامل دو دسته ذرات ارگانیک، مانند میکروارگانیسم و ذرات غیر ارگانیک، مانند مواد معلق در آب ناشی از خاک­رس مثل کوارتز­ها و نمک­های محلول در آب می­باشند. منبع این ذرات، فرسایش و خوردگی صخره­ها، وزش باد­ها، فعالیت­های زیستی موجودات در روی زمین، فعالیت­های آتش­فشانی در روی زمین یا در بستر دریا و فرایند­های شیمیایی در داخل آب دریا می­باشد. ذرات معلق نزدیک سطح آب دریا نور خورشید را پراکنده می­کنند. درآب­های ساحلی گل­آلود و کدر­، پراکندگی بیش­تر از جذب نمایان می­شود. پراکندگی فرایندی مهم در آب دریا است زیرا باعث می­شود که نور در اعماق آب دریا نفوذ نکند. به­طور معمول، پراکندگی با تمرکز ذرات پراکنده کننده، افزایش می­یابد.  اندازه­گیری پراکندگی نور با اندازه­گیری خصوصیات ذرات موجود در آب دریا وابسته است. ضریب پراکندگی نور در آب دریا بستگی به طبیعت ذرات پراکنده کننده از قبیل اندازه ذرات، شکل ذرات، رنگ ذرات و چگالی آب دارد. رنگ ذرات معلق موجود در آب تاثیر به­سزایی در پراکندگی نور در آب دریا دارد. برای لایه­های سطحی آب دریا، طول موج­های کوتاه­تر

 (مانند رنگ آبی که از ذرات آبی رنگ در اثر برخورد نور به آن­ها منتشر می­شوند) بیش­تر پراکنده و طول موج­های بلند­تر (رنگ قرمز) بیش­تر جذب می­شوند (12).

پراکندگی نور با نمک دریا

نمک­های دریایی ذراتی هستند که به صورت محلول در آب دریا وجود دارند. این ذرات باعث پراکندگی نور در آب می­شوند. هر چه غلظت این ذرات در آب بیش­تر باشد، پراکندگی نور هم بیش­تر است. در سال 1968 آقای مورلی به این نتیجه دست یافت که پراکندگی در آب خالص با اضافه کردن شوری در محدوده ( 39-35 (قسمت در هزار، باعث افزایش پراکندگی تقریبا 30 درصدی، بیش­تر از آب خالص می­شود ‌(5).

روش تحقیق

دو نمونه آب از منطقه چالوس و کپورچال واقع در بندر نوشهر در سواحل خزر جنوبی در طی روزهای21-18 بهمن­ماه در سال 1389 جمع‌آوری شد. در نمونه‌برداری پارامترهای فیزیکی هم­چون دمای آب دریا، شوری، دمای هوا و طول و عرض جغرافیایی منطقه مورد مطالعه ثبت شدند. شکل 6 موقعیت جغرافیایی ایستگاه­های نمونه‌برداری را نشان می‌دهد.

 

 

.

شکل 6- موقعیت بندر نوشهرو ایستگاه‌های نمونه‌برداری

 

 

جدول 2 -  ‌مشخصات ایستگاه‌های نمونه‌برداری در فصل زمستان

دمای  آب دریا (°C)

شوری (g/kg)

عرض جغرافیایی شرقی

طول جغرافیایی شمالی

شماره ایستگاه

95/5

4/9

²96 ¢39 36

²32 ¢33 51

کپور چال

07/12

7/8

²03 ¢41 36

²88 ¢26 51

چالوس

 

 

نمونه‌برداری از آب دریا توسط دستگاه نمونه‌بردار آب نسکین (Nesskin) از عمق نیم‌­متری جهت مطالعه خواص نوری انجام شد. مختصات جغرافیایی ایستگاه­های نمونه‌برداری و مقادیر پارامترهای فیزیکی مرتبط در جدول 2 آورده شده است.

نمونه‌های آب دریا به آزمایشگاه منتقل شده و تحت تابش نور لیزر در یک محفظه شیشه­ای به ابعاد 10×10×25 سانتی­متر قرار گرفته­اند. در این تحقیق از نور لیزر هارمونیک دوم سبز (second harmonics Nd-YAG) با طول موج 532 نانومتر، لیزر دیودی قرمز با طول موج 659 نانومتر و مادون قرمز با طول موج 980 نانومتر استفاده شد. توان خروجی لیزر Nd-Yag هارمونیک دوم، لیزر دیودی و مادون قرمز مورد استفاده در این تحقیق به‌ترتیب 100، 110 و 105 میلی‌وات می‌باشد. توان دستگاه‌های لیزر به­وسیله توان سنج مدل 11S.1.2 کالیبره شد. طول موج لیزرهای مورد استفاده به روش اسپکتروسکوپی اندازه‌گیری شد. بر­اساس نتایج این آزمایش میزان ضریب تضعیف نور برای دو نمونه آب دریا در طول موج‌های مختلف محاسبه شد.

بحث

نمونه آب­های مورد مطالعه پس از نمونه برداری به آزمایشگاه منتقل شدند و تحت تابش نور لیزر قرار گرفتند. نتایج به­دست آمده مطابق جدول3 می باشد. برای محاسبه مقادیر ضریب تضعیف نور از قانون بیر - لامبرت استفاده شد.

 

 

 

جدول 3-  مقادیر ضریب تضعیف نور طول موج­های متفاوت لیزر برای ایستگاه­های خزر جنوبی

C (1/m)

l (nm)

چالوس

C (1/m)

l (nm)

کپورچال

052/0

532

05/0

532

48/0

660

48/0

660

5/2

780

41/2

780

6/12

980

4/12

980

 

 

روش­های مختلفی برای اندازه­گیری ضریب جذب و پراکندگی نور در آب دریا وجود دارد. به عنوان مثال با استفاده از نمودارها و فرمول­های به­دست آمده توسط محققان در رابطه با تضعیف نور درآب دریا، ضرایب جذب و پراکندگی قابل محاسبه می­باشد.

در این تحقیق ضریب جذب نور در را در دو ایستگاه از آب­های خزر جنوبی با استفاده از داده­های جمع­آوری شده از آب­های مورد نظر در طول موج­های مختلف و با استفاده از جدول شماره (1) به­دست آورده شده است. این جدول ضرایب تضعیف و پراکندگی را برای آب­های شفاف اقیانوسی در طول موج­های


مختلف نشان می­دهد. با مقایسه ضرایب تضعیف به­دست آمده از داده­های آزمایشگاهی در خصوص نمونه آب­های مورد مطالعه در طول موج­های ذکر شده، مشخص گردید که این آب­ها از نظر شفافیت با آب­های شفاف اقیانوسی تقریبا مشابه بوده و لذا از مقادیر پراکندگی نور در جدول 1 می­توان برای آب­های مورد مطالعه استفاده کرد و مقادیر ضریب جذب نور را در این آب­ها محاسبه نمود. مقادیر به­دست آمده با توجه به داده­های آزمایشگاهی و استفاده از مقادیر جدول شماره 1 در جدول 4 ارایه شده است.

 

 

 

جدول 4 - ضریب جذب نور در طول موج­های مختلف

ضریب جذب (1/m)

ضریب پراکندگی (1/m)

ضریب تضعیف (1/m)

طول موج (nm)

نام ایستگاه

0481/0

00183/0

05/0

532

کپورچال

478/0

00101/0

48/0

660

41/2

00052/0

41/2

780

0501/0

00183/0

052/0

532

چالوس

478/0

00101/0

48/0

660

49/0

00052/0

5/2

780

 

 

با توجه به نتایج به­دست آمده از اندازه­گیری ضریب تضعیف نور لیزری در آب­های شمالی کشور در ایستگاه­های مورد­نظر، امواج نوری با طول موج بلند نسبت به امواج نوری با طول موج کوتاه

 

 

دارای ضریب تضعیف بزرگ­تر و ضریب پراکندگی کوچک­تری

هستند. بیش­ترین جذب نور در آب دریا توسط پیگمنت­ها[25] و مولکول­های آب و بیش­ترین پراکندگی به­وسیله ذرات معلق و

 

 

 

 

 

نمک در آب صورت می­گیرد. برای لایه­های سطحی آب دریا، طول موج­های کوتاه­تر (مانند رنگ آبی که از ذرات آبی رنگ در اثر برخورد نور به آن­ها منتشر می­شوند) بیش­تر پراکنده و طول موج­های بلند­تر (رنگ قرمز) بیش­تر جذب می­شوند. در دو ایستگاه مورد بررسی به دلیل پایین بودن شوری آب­دریا پراکندگی هم کم­تر می­باشد. هم­چنین به دلیل این­که نمونه برداری در لایه سطحی از آب انجام شده است، میزان نفوذ  نور مرئی در طول موج­های مختلف تقریبا یکسان می­باشد. طول موج­های کوتاه­تر بیش­تر پراکنده و طول موج­های بلند­تر بیش­تر جذب می­شوند. هم­چنین باتوجه به این­که میزان شوری در هر دو ایستگاه تقریبا یکسان و تاثیرات دما بر نفوذ نور در آب نسبت به شوری کم­تر است­، ضریب تضعیف برای هر دو ایستگاه تقریبا برابر است.

نتیجه گیری

- عواملی که باعث تضعیف نور مرئی در آب دریا می­شود جذب و پراکندگی نور می­باشد.طیف نور مرئی (طول موج 450 نانومتر) کم­ترین تضعیف را در آب دریا دارد. برای طول موج­های بالاتر و پایین­تر ضریب تضعیف نور در آب دریا افزایش می­یابد.

- امواج نوری با طول موج­های کوتاه­تر (آبی – سبز) بیش­تر از امواج نوری با طول موج­های بلند­تر (قرمز) در آب دریا نفوذ می­کنند.

-در لایه­های سطحی آب دریا امواج نوری با طول موج کوتاه، بیش­تر از امواج نوری با طول موج بلند، پراکنده می­شوند.

- در لایه­های سطحی آب دریا امواج نوری با طول موج بلند (نور قرمز) بیش­تر از امواج نوری با طول موج کوتاه (نور آبی)

جذب می­شوند.

- نفوذ در آب­های اقیانوسی با شوری و کدورت خیلی کم و دمای بالاتر، بیش­تر از سایر آب­ها می­باشد. درآب­های مورد مطالعه با توجه به پایین بودن نمک­، این نوع آب­های را می­توان در رده آب­های شفاف اقیانوسی قرار داد.

منابع

1- حسینی.ه ،1390 ، مطالعه تغییرات ضریب تضعیف نور با طول موج، توسط اندازه‌گیری‌های میدانی در سواحل خزر جنوبی (بندر نوشهر)، پایان نامه کارشناسی ارشد ، دانشگاه آزاد اسلامی- تهران شمال، دانشکده علوم وفنون دریایی.

2-Bogdan wozniak and Jerzy dera, 2007,  Light absorption in sea water , Atmospheric and oceanographic Seiences library (33) ,  Springer.      

3- Knauss .J, 1997, Introduction to physical Oceanography, Prentice Hall, Second Edition.

4-Emery.W.J and Richard E.Thomson , 2004 ,  Data Analysis Methods In Physical Oceanography , Elsevier. 

5-Kokhanovsky A.A, 2006, Light Scattering Reviews, Springer.

6-Alexander, L. V., et al., 2006, Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation, J. Geophys. Res., 111.

 7- Stewart.R.H, 2008, Introduction to physical oceanography, Department of oceanography

Texas A & M University.

8-ایزدی  .د، 1385 ، بررسی تضعیف نور در آبهای دریای عمان ، پایان نامه کارشناسی ارشد ، دانشگاه آزاد اسلامی- تهران شمال ، دانشکده علوم وفنون دریایی.                                9- Tam. A. C., C. K. N. Patel, and R. J. Kerl,1979, Measurement of small absorptions in liquids,Optics Letters,Vol. 4,Issue 3,pp. 81-83

10-Bricaud, A., M. Babin, A. Morel, and H. Claustre, 1995, Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of naturnal phytoplankton: Analysis and parameterization, J. Geophy. Res., 100, 13321-13332.

11- Owen.R.W., 1973, The effect of particles on light Scattering in the sea.Springer.

12-Miroslaw Jonasz and Georges R. Fournier, 2007, Light Scattering by Particles in water, Elsevier.

 

 



[1] -کارشناس ارشد فیزیک دریا، گروه صنایع مهام،  صنایع شهید ستاری.

[2] *- دانشیار دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال (مسئول مکاتبات).

[3]- M.Sc of Physical Oceanography, MOHAM Industrial group, Shahid Sattari Industry.

[4]- Associate Prof.  Islamic Azad university, North Tehran Branch.

[5]-Visible light

[6]-Attenuation

[7]-Sunlight

[8]-Surface sea

[9]- Aerosol

[10]- Pigments

[11]- Sediment

[12]- Pigment

[13] -Radiance

[14]- Attenuation coefficient

[15]- Light intensity

[16]- Exponentially

[17]- Beer –Lambert

[18]-Tropical

[19]-Coastal waters

[20]- Muddy

[21]- Shallow waters

[22]-Biomass

[23]-Yellow substance

[24]- Pigment

[25]-Pigments

- حسینی.ه ،1390 ، مطالعه تغییرات ضریب تضعیف نور با طول موج، توسط اندازه‌گیری‌های میدانی در سواحل خزر جنوبی (بندر نوشهر)، پایان نامه کارشناسی ارشد ، دانشگاه آزاد اسلامی- تهران شمال، دانشکده علوم وفنون دریایی.

2-Bogdan wozniak and Jerzy dera, 2007,  Light absorption in sea water , Atmospheric and oceanographic Seiences library (33) ,  Springer.      

3- Knauss .J, 1997, Introduction to physical Oceanography, Prentice Hall, Second Edition.

4-Emery.W.J and Richard E.Thomson , 2004 ,  Data Analysis Methods In Physical Oceanography , Elsevier. 

5-Kokhanovsky A.A, 2006, Light Scattering Reviews, Springer.

6-Alexander, L. V., et al., 2006, Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation, J. Geophys. Res., 111.

 7- Stewart.R.H, 2008, Introduction to physical oceanography, Department of oceanography

Texas A & M University.

8-ایزدی  .د، 1385 ، بررسی تضعیف نور در آبهای دریای عمان ، پایان نامه کارشناسی ارشد ، دانشگاه آزاد اسلامی- تهران شمال ، دانشکده علوم وفنون دریایی.                                9- Tam. A. C., C. K. N. Patel, and R. J. Kerl,1979, Measurement of small absorptions in liquids,Optics Letters,Vol. 4,Issue 3,pp. 81-83

10-Bricaud, A., M. Babin, A. Morel, and H. Claustre, 1995, Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of naturnal phytoplankton: Analysis and parameterization, J. Geophy. Res., 100, 13321-13332.

11- Owen.R.W., 1973, The effect of particles on light Scattering in the sea.Springer.

12-Miroslaw Jonasz and Georges R. Fournier, 2007, Light Scattering by Particles in water, Elsevier.