Среди всех разделов физики моря оптика моря занимает несколько особое место потому, что все основные этапы в ней были заложены отечественной наукой.
В истории изучения морей и океанов уже говорилось о кругосветных плаваниях маленьких кораблей русского (военного флота, во время которых фактически были начаты первые измерения прозрачности океанской воды посредством белых и цветных дисков, опускаемых в глубину на линьке до тех пор, пока они не исчезают в своеобразной световой завесе. Глубина исчезновения принималась за характеристику прозрачности воды. Впоследствии такие определения были несправедливо опорочены, как «грубые, не дающие представления о значении оптических констант океанской воды». В настоящее время мы знаем, на основании работ Р. Н. Иванова и других, что глубину исчезновения диска можно связать с величиной коэффициента рассеяния света в морской воде, а, следовательно, этот важный коэффициент можно определять посредством простого приспособления.
Окраска поверхности океанов, морей зависит от двух главных явлений, происходящих в воде: от рассеяния света молекулами воды, а также пузырьками газов и крупными частицами, взвешенными в ней, и от поглощения света в воде. В наиболее чистых областях океана — в Саргассовом море, в Бенгальском заливе — можно считать, что рассеяние света обратно пропорционально четвертой степени длины световой волны. Например, фиолетовые лучи, которым соответствует длина волн 0,44 микрона, рассеиваются приблизительно в 5 раз сильней, чем красные, которым соответствует длина волн 0,66 микрона.
Поглощение света не может быть описано никакой математической формулой и обычно характеризуется диаграммой, показывающей связь между длиной световой волны и коэффициентом поглощения.
В фиолетовой части спектра отсутствует поглощение — здесь ослабление света происходит только за счет рассеяния. В синей части спектра начинают появляться признаки поглощения, в зеленой оно таково, что волны длиной 0,56 микрона, пройдя через слой воды в 1 м, теряют около 4% своей энергии. Велико поглощение в красной части. Например, волны, длиной около 0,66 микрона, пройдя через тот же метровый слой воды, теряют около 28% энергии. Этим определяется все поведение солнечных лучей, вошедших в воду.
Фиолетовые и синие лучи успевают рассеяться близко к поверхности моря, и часть их отбрасывается вверх, пронизывает сравнительно тонкий слой воды, выходит в воздух, потеряв совсем немного энергии. Зеленые лучи пройдут в воде более длинные пути, прежде чем выйдут в воздух; к тому же, вода поглощает их сильнее по сравнению с синими лучами. Значит, энергия зеленых лучей, вышедших из воды, будет немного меньше, чем энергия синих и особенно фиолетовых. Еще значительно меньше окажется энергия красных лучей, которые и рассеиваются не скоро и поглощаются на путях в воде сильнее других. Автор вывел теоретическую формулу, которая выражает распределение энергии в спектре, исходящем из глубин моря. Она применима и к нашим внутренним морям, и к океанам, в которых вода значительно прозрачней. В том же 1921 году индийский физик Чандрасекхара Венката Раман вывел аналогичную формулу для частного случая — для идеально прозрачного океана.
Хорошо известно непостоянство окраски одного и того же моря в различных метеорологических условиях. Во время штиля поверхность моря светлая, по цвету напоминающая небо. Объясняется это тем, что, наблюдая поверхность издали под косыми углами, мы в сущности видим отражение неба от поверхности моря и почти не видим лучей света, исходящих из глубин. Когда по морю бегут волны, луч зрения встречает водную поверхность под более крутыми углами; при этом отраженный свет (от неба) ослабевает, а поток световых лучей из глубин моря усиливается. Именно поэтому море приобретает насыщенную синюю, зеленую или иную свойственную его водам окраску.
Рассеяние света крупными частицами коллоидальных взвесей было впервые исследовано немецким математиком Густавом Ми. Автор применил его математический метод к исследованию рассеяния света частичками грунта, пузырьками газов и другими частицами, взвешенными в морской воде. Он же показал, что при большой концентрации таких частиц или при прохождении световыми лучами больших путей в воде существенно меняется сам закон рассеяния: рассеянные лучи встречают на своих путях другие частицы и снова подвергаются рассеянию; лучи, испытавшие вторичное рассеяние, могут быть рассеяны в третий раз, и т. д. При этом теряет силу закон ослабления света, найденный французским физиком и гидрографом Буге. На некотором этапе, пройденном световыми лучами, все они оказываются полностью рассеянными по различным направлениям.
Основные выводы теории автора подтвердила В. А. Тимофеева на опытах, позволивших уточнить важнейшие параметры явлений. В. А. Тимофеева обнаружила, что полностью рассеянный свет снова начинает подчиняться закону Буге, но только с иным коэффициентом ослабления энергии, меньшим, чем тот, который характеризовал простое рассеяние света на первых его этапах. Так были установлены три этапа ослабления света в сильно рассеивающей среде:
- этап простого рассеяния, по Буге
- этап «гиперболического» закона ослабления света, по Шулейкину
- этап ослабления света, по Тимофеевой, с уменьшенным коэффициентом по сравнению с Буге.
Интересно, что по работам В. А. Амбарцумяна, рассеяние света в космическом пространстве, производимое частицами пыли, следует такому «измененному» закону Буге (примененному к полностью рассеянному потоку).