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Hydrooptik

beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht in flüssigem Wasser in seinen natürlichen Erscheinungsformen (Meere, Flüssen und Seen). Hauptanliegen dabei ist die Wechselwirkung zwischen (natürlichem) Sonnenlicht und Meerwasser als wichtigster Form von Wasser auf der Erde. Die Hydrooptik hat damit auch Einfluss auf Geophysik, Biologie, Ökologie und Ingenieurwesen. Ende des 19. Jh. wurden die ersten hydrooptischen Messungen vorgenommen, litten jedoch zunächst noch unter unzureichenden messtechnischen Möglichkeiten. Diese verbesserten sich erst in den 60er Jahren dieses Jahrhunderts. Zu dieser Zeit wurden auch die theoretischen Ansätze weiter ausgebaut, die 1939 von Gerschun und Le Grand erstmals publiziert wurden.

In der Hydrooptik unterscheidet man zwischen inhärenten optischen Eigenschaften (IOE), die bei gegebener Wasserzusammensetzung nur von der Wellenlänge des Lichts (l) abhängen, und »scheinbaren« Eigenschaften, die zusätzlich vom Strahlungsfeld, also z.B. Sonnenstand, atmosphärischer Transmission etc. abhängen. Wichtigste IOE sind Abschwächungskoeffizient c (in m-1) und Volumenstreufunktion b (in m-1sr-1):

Hydrooptik

Hydrooptik

mit P0 eingestrahlte Leistung, DP Verlustleistung durch Streuung und Absorption, Dl Weglänge, q Beobachtungswinkel und DW beobachtetes Raumwinkelelement. Der Streukoeffizient b ist gegeben als das Integral der Volumenstreufunktion

Hydrooptik

Die Volumenstreufunktion ist - wie auch der Absorptionskoeffizient a - im allgemeinen abhängig von der Wasserzusammensetzung. In der Abbildung ist der Absorptionskoeffizient a bzw. die spezifische Absorption für verschiedene Inhaltsstoffe des natürlichen Wassers dargestellt (reines Seewasser mit definiertem Salzgehalt ohne weitere organische oder mineralische Stoffe, Phytoplankton und Gelbstoffe). Die Abbildung zeigt, dass a von der Zusammensetzung des Wasser abhängt, der Gelbstoff-bezogene Absorptionskoeffizient aG schwankt z.B. zwischen ca. 0,01 m-1 im offenen Meer und 0,7 m-1 in Küstennähe. Die Tabelle listet die Lage und Grösse des Minimums von a für verschiedene ozeanische Standorte auf. Neben Absorption und Streuung beobachtet man in natürlichem Wasser auch Raman-Streuung, Fluoreszenz und Biolumineszenz.

Theoretische Untersuchungen in der Hydrooptik konzentrieren sich vor allem auf die Volumenstreufunktion, die physikalisch (über die getrennte Betrachtung reinen Seewassers und verschiedener (an)organischer Schwebeteilchen) oder empirisch (über die Betrachtung verschiedener Proben natürlichen Wassers) modelliert wird. Hieraus kann dann die sog. Secchi-Tiefe z (z = 7,5 / c) als Mass für die Transparenz abgeleitet werden.

In grösserem Massstab dient die Lösung der Strahlungstransport-Gleichung der Beschreibung des Lichtfeldes unter Wasser. Die Änderung des Lichtspektrums mit der Wassertiefe und die Änderung der Strahlung mit dem Sonnenstand oder veränderter Oberflächenform (Wellen) hat Auswirkungen auf Photosynthese, Unterwasser-Kommunikation und Beobachtung ozeanischer Vorgänge durch Fernerkundung. Neben der analytischen Lösung der Strahlungstransport-Gleichung werden hier auch numerische Simulationen eingesetzt (Monte-Carlo-Methode).

Moderne Fernerkundungs-Verfahren messen Strömungen und Windgeschwindigkeiten aus photographischen Aufnahmen der Ozeanoberfläche, Meerestemperaturen durch spektral aufgelöste Satellitenmessungen der Lichtrückstreuung oder Raman-Streuung, den Gehalt an Phytoplankton durch die charakteristische Fluoreszenz des Chlorophylls bei 685 nm.

Hydrooptik: Wellenlänge und Grösse des Absorptionsminimums von natürlichem Wasser an verschiedenen Standorten.

Probe

lmin (nm)

amin (m-1)

Reines

 

 

Tiefenwasser

470-490

0,003-0,01

Oberflächenwasser

 

 

(offenes Meer)

510

0,01-0,04

Getrübtes

 

 

Küstenwasser

550

0,04-0,07

Stark getrübtes Wasser (Ostsee)

570

0,15-0,25

 

Hydrooptik

Hydrooptik: Spektrale Absorption von Seewasser: Reines Seewasser (W), Phytoplankton (P) und Gelbstoff (S, relative Einheiten).

 

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