hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(3)-1hydrophysics-1366Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSНовый подход к определению спектрального поглощения света морской водой в конической отражающей кювете с интегрирующей сферойA New Approach to Determining the Spectral Light Absorption of Seawater by a Conical Reflecting Cuvette with an Integrating Spherehttps://orcid.org/0000-0002-2292-1877ЛиМ. Е.LeeM. E.

Ли Михаил Ен Гон, главный научный сотрудник ФГБУН ФИЦ МГИ, доктор физико-математических наук, профессор

WoS ResearcherID: R-4344–2018

Scopus Author ID: 56142710400

ул. Капитанская д. 2, Севастополь, 299011

Kapitanskaya st., bldg 2, Sevastopol, 299011

michael.lee.mhi@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7943-305XШибановЕ. Б.ShybanovE. B.

Шибанов Евгений Борисович, ведущий научный сотрудник ФГБУН ФИЦ МГИ, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник

WoS ResearcherID: ABB-9097–2021

Scopus Author ID: 6507075380

ул. Капитанская д. 2, Севастополь, 299011

Kapitanskaya st., bldg 2, Sevastopol, 299011

e-shybanov@mail.ruМорской гидрофизический институт РАНРоссияMarine Hydrophysical Institute RASRussian Federation202428112024173920Copyright © Ли М.Е., Шибанов Е.Б., 20242024Ли М.Е., Шибанов Е.Б.Lee M.E., Shybanov E.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1366

Определение спектрального поглощения света в море всегда сталкивается с трудностями сбора на приемном устройстве одновременно как лучей, прошедших определенное расстояние в среде после поглощения, так и всех рассеянных на этом пути фотонов. В применяющихся в настоящее время методах сбор всех рассеянных лучей осуществить не удается, поэтому приходится учитывать влияние потерянных фотонов на величину поглощения путем теоретического моделирования с последующей коррекцией значений. Предложен новый подход к определению спектрального поглощения света морских вод пропусканием расходящегося пучка сквозь измеряемую среду, помещенную в двустенную коническую отражающую кювету с интегрирующей сферой в качестве светоприемного коллектора. Применением расходящегося пучка можно увеличить длину конической кварцевой кюветы и, за счет повышения чувствительности, обеспечить определение спектрального поглощения света в большем диапазоне прозрачности морских вод. Для компенсации влияния возвращающегося в двустенную кювету диффузного излучения сферы на величину поглощения предложена двухлучевая схема с нормировкой по опорному потоку. Показано, что новый подход позволяет перенаправить к приемнику практически весь рассеянный свет и таким образом минимизировать ошибки определения поглощения света в слабо поглощающей среде. Для количественной оценки преимуществ нового способа были проведены расчеты геометрических параметров распространения рассеянного света для двустенной конусной кварцевой кюветы.

Determining the light spectral absorption in the sea always encounters difficulties in collecting at the receiving device simul taneously both the rays that have traveled a certain distance in the medium after absorption and all the photons scattered along this path. In the currently used methods, it is not possible to collect all the scattered rays, so it is necessary to take into account the effect of lost photons on the absorption value through theoretical modeling and subsequent correction of the values. A new approach to determining the seawaters spectral absorption of light is proposed by passing a diverging beam through the measured medium placed in a double-walled conical reflecting cuvette with an integrating sphere as a light-receiving collector. By using a diverging beam in a conical quartz cuvette, it was possible to extend it and, thus, ensure the determination of spectral absorption of light in a larger range of seawaters transparency. To compensate the influence of the diffuse radiation of the sphere returning to the double-walled cuvette on the absorption value, a two-beam scheme with normalization to the reference flux was used. It is shown that the new approach makes it possible to redirect almost all scattered light to the receiver and thus minimize errors in determining light absorption in a weakly absorbing medium. To quantify the advantages of the new method, calculations were carried out of the geometric parameters of the scattered light propagation for a double-walled conical quartz cuvette.

поглощение светарассеивающая средаполное внутреннее отражениедвустенная конусная кюветаугол рассеянияход лучейинтегрирующая сфераlight absorptionscattering mediumtotal internal reflectiondouble-walled conical cuvettescattering angleray pathintegrating sphereРабота выполнена при финансовой поддержке государственного задания Морского гидрофизического института РАН № 0827-2021-0002, № FNNN-2024-0012 «Анализ, диагноз и оперативный прогноз состояния гидрофизических и гидрохимических полей морских акваторий на основе математического моделирования с использованием данных дистанционных и контактных методов измерений (шифр «Оперативная океанология»).The work was carried out with the financial support of the state assignment of the Marine Hydrophysical Institute of RAS No. 0827-2021-0002, No. FNNN-2024-0012 “Analysis, diagnosis and operational forecast of the state of hydrophysical and hydrochemical fields of marine areas based on mathematical modeling with using data from remote and contact measurement methods (code “Operational Oceanology”).ReferencesGordon H.R., Morel A. Remote assessment of ocean color for interpretation of satellite visible imagery, a review // Lec ture notes on coastal and estuarine studies, vol. 4. New York: Springler Verlag, 1983. 114 p.Gordon H.R. and Morel A. Remote assessment of ocean color for interpretation of satellite visible imagery, a review. Lecture notes on coastal and estuarine studies, vol. 4. New York: Springler Verlag; 1983. 114 p.Ronald J., Zaneveld V., Bartz R. Beam attenuation and absorption meters // Proc. SPIE0489, Ocean Optics VII, (27 September 1984). doi:10.1117/12.943318Ronald J., Zaneveld J.R.V., Bartz R. Beam attenuation and absorption meters. Ocean Optics VII, Proc. Soc. Photo Opt. Instrum. Eng. 1984;489:318–324. doi:10.1117/12.943318Левин И.М., Копелевич О.В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в спектральном диапазоне около 550 нм // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 374–379.Levin I.M. Correlations between the inherent hydrooptical characteristics in the spectral range close to 550 nm. Ocean ology. 2007;47(3):344–349. doi:10.1134/S000143700703006XSmith R.C., Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm) // Applied Optics. 1981. Vol. 20, Iss. 2. P. 177–184. doi:10.1364/AO.20.000177Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters (200–800 nm). Applied Optics. 1981;20(2):177–184. doi:10.1364/AO.20.000177Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements // Applied Optics. 1997. Vol. 36, Iss. 33. P. 8710–8723. doi:10.1364/AO.36.008710Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements. Applied Optics. 1997;36:8710–8723. doi:10.1364/AO.36.008710Nelson N.B., Prezelin B.B. Calibration of an integrating sphere for determining the absorption coefficient of scattering suspensions // Applied Optics. 1993. Vol. 32, Iss. 33. P. 6710–6717. doi:10.1364/AO.32.006710Nelson N.B., Prezelin B.B. Calibration of an integrating sphere for determining the absorption coefficient of scattering suspensions. Applied Optics. 1993;33:6710–6717. doi:10.1364/AO.32.006710Roos A. Interpretation of integrating sphere signal output for nonideal transmitting samples // Applied Optics. 1991. Vol. 30, Iss. 4. P. 468–474. doi:10.1364/AO.30.000468Roos А. Interpretation of integrating sphere signal output for nonideal transmitting samples, Applied Optics. 1991;30: 468–474. doi:10.1364/AO.30.000468Shibata K., Benson A.A., Calvin M. The absorption spectra of suspensions of living micro-organisms // Biochimica et Biophysica Acta. 1954. Vol. 15, Iss. 4. P. 461–470. doi:10.1016/0006-3002(54)90002-5Shibata K., Benson A.A., Calvin M. The absorption spectra of suspensions of living micro-organisms. Biochimica et Bio physica Acta 15. 1954;461–470. doi:10.1016/0006-3002(54)90002-5Latimer P. Apparent shifts of absorption bands of cell suspensions and selective light scattering // Science. 1958. Vol. 127. N 3288. P. 29–30. doi:10.1126/science.127.3288.29Latimer P. Apparent shifts of absorption bands of cell suspensions and selective light scattering. Science. 1958;127:29–30. doi:10.1126/science.127.3288.29Amesz J., Duysens L.N.M., Brandt D.C., Methods for measuring and correcting the absorption spectrum of scattering suspensions // Journal of Theoretical Biology. 1961. Vol. 1, Iss. 1. P. 59–74. doi:10.1016/0022-5193(61)90026-1Amesz J., Duysens L.N.M., Brandt D.C. Methods for measuring and correcting the absorption spectrum of scattering suspensions. Journal of Theoretical Biology. 1961;1(1) 59–74. doi:10.1016/0022-5193(61)90026-1Latimer P., Eubanks C.A.H. Absorption spectrophotometry of turbid suspensions: a method of correcting for large systematic deviations // Archives of Biochemistry and Biophysics. 1962. Vol. 98, Iss. 2. P. 274–285. doi:10.1016/0003-9861(62)90184-4Latimer P., Eubanks C.A.H. Absorption spectrophotometry of turbid suspensions: a method of correcting for large sys tematic deviations. Archives of Biochemistry and Biophysics. 1962;98(2):274–285. doi:10.1016/0003-9861(62)90184-4Bruls W.A.G., J.C. van der Leuin. The use of diffusers in the measurement of transmission of human epidermal lay ers // Photochemistry and Photobiology. 1982. Vol. 36, Iss. 6. P. 709–713. doi:10.1111/j.1751–1097.1982.tb09493.xBruls W.A.G., J.C. van der Leuin. The use of diffusers in the measurement of transmission of human epidermal layers. Photochemistry and Photobiology. 1982;36:709–713. doi:10.1111/j.1751-1097.1982.tb09493.xNaqvi K. Razi, Melø T.B., Raju B. Bangar, Javorfi T., Garab G. Comparison of the absorption spectra of trimers and ag gregates of chlorophyll a/b light-harvesting complex LHC II // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolec ular Spectroscopy. 1997. Vol. 53, Iss. 11. P. 1925–1936.Razi Naqvi K., Melø T.B., Bangar Raju B., Javorfi T., Garab G. Comparison of the absorption spectra of trimers and aggregates of chlorophyll a/b light-harvesting complex LHC II. Spectrochim. Acta Part A. 1997;53:1925–1936.Погосян С.И., Дургарян А.М., Конюхов И.В., Чикунова О.Б., Мерзляк М.Н. Абсорбционная спектроскопия ми кроводорослей, цианобактерий и растворенного органического вещества: измерения во внутренней полости интегрирующей сферы // Океанология. 2009. Т. 49, № 6. С. 934–939.Pogosyan S.I., Durgaryan A.M., Konyukhov I.V., Chivkunova O.B., Merzlyak M.N. Absorption spectroscopy of mi croalgae, cyanobacteria, and dissolved organic matter: Measurements in an integrating sphere cavity. Oceanology. 2009; 49(6):866–871. doi:10.1134/S0001437009060125Глуховец Д.И., Шеберстов С.В., Копелевич О.В., Зайцева А.Ф., Погосян С.И. Измерения показателя поглощения морской воды с помощью интегрирующей сферы // Светотехника. 2017. № 5. С. 39–43.Glukhovets D.I., Sheberstov S.V., Kopelevich O.V., Zaycheva A.F., Pogosyan S.I. Measurements of seawater absorp tion factor using an integrating sphere. Light Engineering. 2018;26(1):120–126. doi:10.33383/2016-079Fry E.S., Kattavar G.W., Pope R.M. Integrating cavity Absorption Meter // Applied Optics. 1992. Vol. 31. P. 2055–2065. doi:10.1364/AO.31.002055Fry E.S., Kattavar G.W., Pope R.M. Integrating cavity Absorption Meter. Applied Optics. 1992;31:2055–2065. doi:10.1364/AO.31.002055Ли М.Е., Шибанов Е.Б. Исследование преимуществ определения спектрального поглощения света в море в кварцевой кювете конусной формы // Труды XII Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы оптики естественных вод». М.: Издательство «ИО РАН», 2023. 267 с. С. 33–40. doi:10.29006/978-5-6051054-4-2-2023Lee М.Е., Shybanov E.B. Issledovanie preimuschestv opredeleniya pogloscheniya sveta v more v kwarchevoy kyuvete konusnoy // Trudy XII Vserosiyskoy konferenchiyi s mezhdunarodnym ucastiem «Sovremennye problemy optiki estest vennyh vod», Sankt-Peterburg 2023, P. 33–40. doi:10.29006/978-5-6051054-4-2-2023, (In Russian).Ли М.Е., Шибанов Е.Б. Концепция нового подхода к определению спектрального поглощения света в прозрачной морской воде // Труды XII Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы оп тики естественных вод». М.: Издательство «ИО РАН», 2023. 267 с. С. 118–123. doi:10.29006/978-5-6051054-4-2-2023Lee М.Е., Shybanov E.B. The concept of a new approach to the determination of the spectral absorption of light in clear seawater. Proceedings of the XII All-Russian Conference with international participation “Current problems in optics of natural waters”. М.: Shirshov Institute Publishing House; 2023. P. 97–102. doi:10.29006/ 978-5-6051054-4-2-2023 (In Russian).Маньковский В.И. О соотношении между интегральным показателем рассеяния света морских вод и показателем рассеяния в фиксированном направлении // Морские гидрофизические исследования. 1971. № 6 (56). С. 145–154.Man’kovskiy V.I. On the relationship between the integral light scattering index of sea waters and the scattering index in a fixed direction. Morskie gidrofizicheskie issledovaniya. 1971;6(56):145–154 (In Russian).Takashima T. A new approach of the adding method for computations of emergent radiation of an inhomogeneous plane parallel atmosphere // Astrophysics and Space Science. 1975. Vol. 36. P. 319–328. doi:10.1007/BF00645257Takashima T.A. New Approach of the Adding Method for Computations of Emergent Radiation of an Inhomogeneous Plane Parallel Atmosphere/T.A. Takashima. Astrophysics and Space Science. 1975;36:319–328. doi:10.1007/BF00645257Маньковский В.И., Соловьев М.В., Маньковская Е.В. Гидрооптические характеристики Черного моря. Справоч ник. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2009. 90 с.Man’kovskiy V.I., Solov’ev M.V., Man’kovskaya E.V. Hydro-optical characteristics of the Black Sea. A Handbook. Sev astopol: ECOSI-Gidrofizika; 2009. 90 p. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.