hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/fpg/41ha-gn1d-hxuphydrophysics-716Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSВлияние полидисперсности гидрозоля на спектральные свойства рассеяния света морской водой в малых углахEffect of a Polydisperse Hydrosol on the Spectral Properties of Light Scattering by Seawater at Forfard Angleshttps://orcid.org/0000-0001-7943-305XШибановЕ. Б.ShybanovE. B.

Шибанов Евгений Борисович. Доктор физико-математических наук, ведущий научныйсотрудник отдела оптики и биофизики моря

WoS ResearcherID: ABB-9097-2021

Scopus AuthorID: 6507075380

elibrary AuthorID 854564

299011, ул. Капитанская, д. 2, г. Севастополь

 299011, Каpitanskaya Str., 2, Sevastopol

e-shybanov@mail.ruЛиМ. Е.LeeM. E.

Ли Михаил Ен Гон. Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом оптики и биофизики моря, главный научный сотрудник отдела оптики и биофизики моря

Scopus AuthorID: 56142710400

elibrary AuthorID: 865650

299011, ул. Капитанская, д. 2, г. Севастополь

299011, Каpitanskaya Str., 2, Sevastopol

michael.lee.mhi@gmail.comМорской гидрофизический институт РАНРоссияMarine Hydrophysical Institute, Russian Academy of SciencesRussian Federation2022091020221531826Copyright © Шибанов Е.Б., Ли М.Е., 20222022Шибанов Е.Б., Ли М.Е.Shybanov E.B., Lee M.E.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/716

Для корректной интерпретации результатов измерений спектрально-угловой структуры однократно рассеянного света в природной и в искусственной воде высокой прозрачности ставилась задача аналитически и экспериментально определить влияние изменения дисперсного состава взвешенных частиц на спектральные свойства рассеяния света в малых углах, Считалось, что в воде всегда существует определенная корреляция в положениях рассеивающих центров, вследствие чего индикатриса рассеяния света водой имеет острый пик в нуле градусов. На основе алгоритмов то теории Ми рассчитывались суммы интенсивностей и амплитуд рассеяния света полидисперсной взвесью со степенным законом распределения частиц, максимальный размер которых варьировался. Квадрат суммы амплитуд рассеяния сопоставлялся с величиной классического слагаемого. Показано, что в коротковолновой области видимого диапазона спектра с увеличением максимального радиуса частиц, начиная примерно с 0,2 мкм, происходит существенная компенсация эффекта пространственной корреляции частиц. Причем вклад дополнительного слагаемого сильнее уменьшается в области больших углов рассеяния. Измерены спектральные свойства рассеяния света морской водой при последовательной фильтрации через нуклеопоровые фильтры с диаметром пор 2, 1, 0,45 мкм. Анализировалась область углов рассеяния от 6 до 90°. Брались пробы воды с поверхности Черного моря. Относительная прозрачность морской воды варьировалась от 16 до 19 м. Было обнаружено, что после фильтрации через фильтр с порами d = 1 мкм появляются спектральные особенности рассеяния света, с выраженным характерным минимумом спектральной кривой в окрестности 30°. Наиболее отчетливо эффект проявлялся на следующем этапе фильтрации, т. е. при d = 0,45 мкм. Показано, что угловая зависимость показателя степени спектрального наклона, полученного в результате обработки экспериментальных данных, соответствует теоретическим предсказаниям.

In this paper we discuss the problem how to analyze the results of spectral volume scattering function measurements in natural waters and artificial ones. Analytical predictions and experimental proves of the remarkable changes in the properties of the light scattering at small angles after a filtration of water sample are presented. It was proposed that a certain correlations in the positions of scattering centers always exist in the water which were resulted in the volume scattering function of any natural water was strong forward peaked. Based on Mie theory the sums of scattering amplitudes and scattering radiances were calculated for a power-law particle size distribution while the maximal radius was varied. The square of the sum of the scattering amplitudes was compared with the value of the classical term. It is shown that in the “blue” a significant compensation of the effect of spatial correlation of particles occurs with an increasing of the maximum radius of particles, starting from the radius is about 0.2 μm. The contribution of the additional term decreases faster at general angles region. The spectral properties of light scattering by seawater during sequential filtration through nucleopore filters with a pore diameter of 2, 1, and 0.45 μm have been measured. The volume scattering function data at scattering angles from 6 to 90 degrees were analyzed. Water samples were taken from the surface of the Black Sea at the beginning of October. The Secchi depths are varied from 16 up to 19m. It was found that after filtration through a filter with pores diameter equaled to 1 μm, the typical deep at 30° of spectral slope of volume scattering function was appeared. Such deep becomes stronger after the next stage of filtration, when diameter of pores was equal to 0.45 µm. It is shown that the angular dependence of the exponent of the spectral slope obtained as a result of processing the experimental data is in consistent with theoretical predictions.

рассеяние светаспектральные свойстваугловой показатель рассеяниягидрозольморская водаформ-факторпространственные корреляциираспределение частиц по размерамфильтрацияlight scatteringspectral propertiesvolume scattering functionhydrosolsea waterform-factorspatial correlationsparticle size distributionfiltrationРабота выполнена в рамках гранта РФФИ № 18-45-920048 «Новый подход в исследовании характеристик рассеяния света в полидисперсных водных суспензиях прибрежных акваторий с учетом физико-химических и структурных процессов» и частично в рамках государственного задания Тема 0555-2021-0003 «Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений» (шифр «Оперативная океанология»).The work was carried out within the framework of the RFBR grant No. 18-45-920048 “A new approach to the study of the characteristics of light scattering in polydisperse aqueous suspensions of coastal waters, taking into account physicochemical and structural processes” and partly within the framework of the state task theme No. 0555-2021-0003 “Development of methods operational oceanology based on interdisciplinary studies of the processes of formation and evolution of the marine environment and mathematical modeling with the use of data from remote and contact measurements” (code “Operational Oceanology”).ReferencesВан де Хюлст. Г. Рассеяние света малыми частицами. Москва: ИЛ, 1961. 536 с.Van de Hulst H.C. Light scattering by small particles. New York: Dover, 1957. 470 p.Копелевич О.В., Буренков В.И. О нефелометрическом методе определения общего показателя рассеяния света морской водой // Известия АН СССР, ФАО. 1971. Т. 7. № 12. С. 1280–1289.Kopelevich O.V., Burenkov V.I. About nephelometric method for retrieval of total light scattering by seawater. Izvestiya AN SSSR, AOP. 1971, 7, 12, 1280–1289 (In Russian).Маньковский В.И. О соотношении между интегральным показателем рассеяния света морской водой и показателем рассеяния в фиксированном направлении // Морские гидрофизические исследования. 1971. № 6 (56). С. 146–154.Man’kovskyi V.I. The ratio between the integral light scattering if sea water and volume scattering function at solid angle. Morskiye Gidrofizicheskiye Issledovaniya. 1971, 6(56), 146–154 (In Russian).Jonasz M., Fournier G.R. Light scattering by particles in water (Theoretical and experimental foundations). Academic Press is an imprint of Elsevier, 2007. 704 p.Jonasz M., Fournier G.R. Light scattering by particles in water (Theoretical and experimental foundations). Academic Press is an imprint of Elsevier, 2007. 704 p.Petzold T.J. Volume scattering functions for selected ocean waters // SIO Ref. 72–78, Scripps Institute of Oceanography, San Diego, CA, 1972. 79 p.Petzold T.J. Volume scattering functions for selected ocean waters. SIO Ref. 72–78, Scripps Institution of Oceanography, San Diego, 1972. 79 p.Morel A. Interpretation des variations de la forme de I’indicatrice de diffusion de la lumiere par les eaux der mer // Annals of Geophysics. 1965. Vol. 21, N2. P. 157–162.Morel A. Interpretation des variations de la forme de I’indicatrice de diffusion de la lumiere par les eaux der mer. Annals of Geophysics. 1965, 21, 2, 157–162.Копелевич О.В. Малопараметрическая модель оптических свойств морской воды. Оптика океана. Т. 1. Физическая оптика океана. М.: Наука, 1983. С. 208–234.Kopelevich O.V. Low parametrical model for optical properties of seawater. Ocean optics. Vol. 1. Physical optics of ocean. M., Nauka, 1983, 208–234 (In Russian).Voss K.J., Fry E.S. Measurement of the Mueller matrix for ocean water // Applied Optics. 1984. Vol. 23. P. 4427–4439. doi:10.1364/AO.23.004427Voss K.J., Fry E.S. Measurement of the Mueller matrix for ocean water. Applied Optics. 1984, 23, 4427–4439. doi:10.1364/AO.23.004427Бункин Н.Ф., Бункин Ф.В. Бабстоны — стабильные микроскопические газовые пузырьки в сильно разбавленных растворах электролитов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1992. Т. 101, № 2. С. 512–527.Bunkin N.F., Bunkin F.V. Bubstons — stable microscopic gas bubbles in highly dilute electrolyte solutions. Soviet Physics — JETP. 1992, 101, 2, 512–527 (In Russian).Hampton M.A., Nguyen A.V. Nanobubbles and the nanobubble bridging capillary force // Advances in Colloid Interface Science. 2010. Vol. 154, Iss. 1–2. P. 30–55. doi:10.1016/j.cis.2010.01.006Hampton M.A., Nguyen A.V. Nanobubbles and the nanobubble bridging capillary force. Advances in Colloid Interface Science. 2010, 154, 1–2, 30–55. doi:10.1016/j.cis.2010.01.006Bunkin N.F. et al. Formation and dynamics of ion-stabilized gas nanobubble phase in the bulk of aqueous NaCl solutions // The Journal of Physical Chemistry. B. 2016. Vol. 120. P. 1291–1303. doi:10.1021/acs.jpcb.5b11103Bunkin N.F. et al. Formation and dynamics of ion-stabilized gas nanobubble phase in the bulk of aqueous NaCl solutions. The Journal of Physical Chemistry. B, 2016, 120, 1291–1303. doi:10.1021/acs.jpcb.5b11103Bunkin N.F. et al. Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte: I. Experimental proof // The Journal of Physical Chemistry. 2012. Vol. 137. P. 054706. doi:10.1063/1.4739528Bunkin N.F. et al. Nanobubble clusters of dissolved gas in aqueous solutions of electrolyte: I. Experimental proof. The Journal of Physical Chemistry. 2012, 137, 054706. doi:10.1063/1.4739528Шибанов Е.Б. и др. Гипотеза о пространственном согласовании оптических неоднородностей воды и ее подтверждение в экспериментах по измерению рассеяния света // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92, Вып. 10. С. 741–745.Shybanov E.B. et al. Hypothesis of the spatial adjustment of optical inhomogeneities of water and its confirmation through experiments on measurements of light scattering. JETP Letters. 2010, 92, 10, 671–675. doi: 10.1134/S0021364010220078Шибанов Е.Б. Влияние мелкодисперсной примеси на рассеяние света ы «чистой» фильтрованной воде // Морской гидрофизический журнал 2008. № 2. С. 46–56.Shybanov E.B. Effect of finely divided admixtures on the scattering of light in “pure” filtered water. Physical Oceanography. 2008, 18, 2, 86–95. doi:10.1007/s11110-008-9012-8Lee M.E., Lewis M. A new method for the measurement of the optical volume scattering function in the upper ocean // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2003. N20. P. 563–571. doi:10.1175/1520–0426(2003)20<563: ANMFTM>2.0.CO;2Lee M.E., Lewis M. A new method for the measurement of the optical volume scattering function in the upper ocean. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2003, 20, 563–571. doi:10.1175/1520–0426(2003)20<563: ANMFTM>2.0.CO;2Boss E. et al. The particulate backscattering ratio at LEO 15 and its use to study particle composition and distribution // Journal of Geophysical Research. 2004. Vol. 109. C01014, doi:10.1029/2002JC001514Boss E. et al. The particulate backscattering ratio at LEO 15 and its use to study particle composition and distribution. Journal of Geophysical Research. 2004, 109, C01014. doi:10.1029/2002JC001514

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