Кафедра термогидромеханики океана МФТИ
преподаватель: Копелевич Олег Викторович доктор физико-математических наук
Цель курса
Формирование базовых знаний по оптике океана для использования в областях и дисциплинах океанологии и дистанционных методов исследования и мониторинга морей и океанов, формирование исследовательских навыков и способности применять знания на практике.
Задачи курса
- дать студентам базовые знания в области оптики океана;
- научить студентов на примерах и задачах использовать данные контактных и дистанционных оптических измерений, самостоятельно анализировать полученные результаты.
Содержание курса, структурированное по темам (разделам)
- Введение в оптику океана. Основные направления исследований. Термины и определения
Три основных направления исследований. оптики океана. История возникновения и развития. Основные процессы, определяющие распространение светового излучения в морской среде специфика морской среды. Основные фотометрические величины. Характеристики оптических свойств морской воды. Закон Бугера. Характеристики подводного светового поля. Спектральные характеристики восходящего потока излучения. Световые величины. Учет поляризации. - Факторы, формирующие оптические свойства морской воды.
Оптические свойства чистой воды и чистой морской воды. Спектральное поглощение окрашенным органическим веществом «желтым веществом»). Рассеяние света взвешенными частицами..Модель рассеяния света морской водой. Поглощение света пигментами фитопланктона. Поглощение морской водой. Флуоресценция морской воды. - Природное разнообразие оптических свойств морской воды. Основные закономерности их пространственной и временной изменчивости.
Глобальное распределение оптических свойств. Климатическая и циркумконтинентальная изменчивость. Вертикальная зональность. Сезонная и мезомасштабная изменчивость. Диапазоны изменения оптических характеристик. Связь между оптическими свойствами поверхностных и глубинных вод. Тонкая вертикальная структура. Синоптическая изменчивость. Влияние речного стока и оптические свойства вод в прибрежных апвеллингах. Влияние внутренних волн. - Уравнение переноса излучения
Физический смысл уравнения переноса излучения (УПИ) для рассеивающей среды. Нестационарное УПИ. Строгие методы решения УПИ. Плоско-параллельная среда. Двухпотоковое приближение. Глубинный режим. Теорема взаимности. Функция Грина. Квазиоднократное и малоугловое приближения решения УПИ. - Распространение солнечного излучения в атмосфере
Структура и состав земной атмосферы. Атмосферный аэрозоль. Вертикальные профили различных характеристик. Солнечное излучение на верхней границе атмосферы и на поверхности моря. Распределение яркости и поляризации дневного неба при безоблачной и облачной атмосфере. - Распространение солнечного излучения в водной среде
Угловое распределение подводной яркости и его изменение с глубиной.
Спектральное распределение подводной облученности на разных глубинах. Малопараметрическая модель показателя вертикального ослабления облученности. Поглощение солнечной энергии в водной толщи.
Фотосинтетически активная радиация. Свет и первичная продукция.
Эффекты, связанные с неупругим рассеянием. Поляризация солнечного излучения под водой. Флуктуации подводной облученности - Световое поле от искусственных источников излучения
Стационарные источники излучения. Характеристики узкого светового пучка.
Импульсные лазеры. Условия стационарности. Узкий и широкий пучки. - Океанографические лидары
Типы лидаров и их физические основы. Применения лидаров (характеристики поверхностного волнении, нефтяные пленки, дистанционные определения биооптических характеристик морской воды и их вертикальных профилей, лазерная батиметрия - Видимость под водой и через поверхность моря
Специфика видения под водой. Характеристики качества изображения. Перенос изображения в рассеивающей среде. Системы подводного видения. Видимость белого диска. Видение подводных объектов через взволнованную поверхность и методы улучшения качества изображения. - Истинный и видимый цвет океана
Восприятие цвета человеческим глазом. Системы цветности. Цветность излучения, выходящего из водной толщи. Различия цвета для разных вод. Спутниковые изображения в видимом цвете. - Обратные задачи теории рассеяния
Использование оптических методов в океанологических исследованиях. Прямая и обратная задачи теории рассеяния. Трудности решения обратных задач. Методы определения количественного и качественного состава морской взвеси. - Факторы, формирующие яркость восходящего излучения на верхней границе атмосферы
Составляющие яркости восходящего излучения на верхней границе атмосферы. Рэлеевское и аэрозольное рассеяние. Система AERONET. Оптическая модель атмосферного аэрозоля. Отражение от взволнованной морской поверхности. Направленное и диффузное пропускание атмосферы. Вклады разных составляющих в суммарную яркость восходящего излучения, измеряемую спутниковым датчиком. - Атмосферная коррекция данных спутниковых сканеров цвета
Главные этапы обработки спутниковых данных. Задача атмосферной коррекции. Схема атмосферной коррекции НАСА. Требования к спектральным каналам спутникового сканера цвета. Региональные алгоритмы атмосферной коррекции. Учет вклада солнечных бликов и отражения пеной. - Биооптические алгоритмы
Связь между спектральными коэффициентами яркости моря и водной толщи. Толщина водного слоя, в котором формируется яркость восходящего излучения. Полуаналитический и регрессионный биооптические алгоритмы. Валидация алгоритмов по данным натурных измерений. Региональные алгоритмы. Учет неупругого рассеяния. Коррекция на отражение от дна на мелководье. - Спутниковые сканеры цвета
Физические основы спутниковых наблюдений цвета океана. Необходимые условия получения качественных геофизических продуктов. Организация получения, обработки и верификации данных. Основные параметры и характеристики различных спутниковых сканеров цвета. Зарубежные и российские спутниковые сканеры цвета, действующие и планируемые на период до 2025 г. - Использование данных спутниковых наблюдений цвета
Преимущества и недостатки спутниковых наблюдений цвета океана. Биооптические параметры, определяемые по данным спутниковых сканеров цвета. Примеры результатов использования спутниковых данных в различных морях.
Основная литература
- Оптика океана. Т.1. Физическая оптика океана. М.: Наука, 1983а
- Оптика океана. Т.2. Прикладная оптика океана. М.: Наука, 1983.
- Копелевич О.В. Оптические свойства вод океанов и морей // Монография: Мировой океан. Т.
Дополнительная литература
- Шифрин К.С. Введение в оптику океана. М. ЛЕНАНД.2014. 280с.
- Л.С.Долин, И.М.Левин «Справочник по теории подводного видения». Л. Гидрометеоиздат, 1991.
- Э.П. Зеге, А.П.Иванов «Перенос изображения в рассеивающей среде». Мн. Наука и техника, 1985.
- Н. Ерлов «Оптика моря» (пер. с англ.). Л. Гидрометеоиздат, 1980.
Перечень ресурсов, необходимых для освоения дисциплины
- Электронная библиотека Физтеха: http://lib.mipt.ru/
- Сайт сети публикации геоданных и данных по окружающей среде: http://www.Pangaea.de
- Сайт ЕСИМО: http://www.data.oceaninfo.ru
- Коллекции исходных данных для Ocean Data View: атлас Мирового океана изд. Левитуса 2004г, коллекция исторических данных Rayd-Mantyla, доступны на сайте Полярного университета им. А.Вегенера http://odv.awi.de
- Сайт научной океанографической литературы: http://www.oceanographers.ru
