Основная задача этой науки — изучать оптические свойства морской воды и закономерности, определяющие проникновение и распространение света в море.
Первые исследования в этой области проводил еще в начале XVIII в. французский физик Пьер Бугер, создавший фотометрию — науку о количественных измерениях света. Академик С.И. Вавилов считал, что имя Бугера в истории оптики должно стоять наряду с именами Ньютона и Гюйгенса. В своем знаменитом «Оптическом трактате» Бугер исследовал множество вопросов, связанных с измерениями света, его отражением от гладких и шероховатых поверхностей, распространением света в различных средах. Большинство из них имеет самое непосредственное отношение к морю. Бугеру принадлежит заслуга открытия одного из главных законов, определяющих распространение света в морской среде, — закона, названного впоследствии его именем. Ученый сформулировал основные принципы теории видимости предметов через освещенную мутную среду и применил ее для расчета предельной глубины их видимости под водой. По его инициативе начались лабораторные исследования морской воды.
Однако если говорить об оптических измерениях непосредственно в море, то здесь приоритет принадлежит русскому исследователю О. Е. Коцебу, который первый измерял относительную прозрачность моря с помощью погружаемых предметов. Своими успехами в первой половине XX в. наука о свете в море обязана в основном усилиям русских ученых.
В конце прошлого столетия петербургский физик О. Д. Хвольсон сформулировал уравнение переноса излучения — основное уравнение, описывающее распространение света в мутных (светорассеивающих) средах, в частности в море. Он исходил из простых физических соображений — сохранения лучистой энергии в элементарном объеме вещества. В последнее время появились работы, в которых предприняты попытки установить связь этого уравнения с уравнениями Максвелла и обосновать его законность с точки зрения электродинамики. В послевоенные годы индийский ученый С. Чандрасекар и советский физик Г. В. Розенберг модернизировали уравнение переноса, чтобы учитывать также поляризацию излучения.
В начале 20-х годов нашего века индийскому ученому Ч. Раману и советскому физику В. В. Шулейкину удалось объяснить происхождение цвета моря. Теория Рамана пригодна лишь для прозрачных вод, формула Шулейкина более общая. Несколько позднее А. Г. Гамбурцев создал еще более общую теорию: выведенная им формула для света, выходящего из моря, включает в себя формулы Шулейкина и Рамана как частный случай.
Вклад академика Шулейкина в гидрооптику не ограничивается лишь объяснением цвета моря. Он создал теорию многократного рассеяния света в море, исследовал рассеяние света взвешенными частицами и действие света на окраску различных подводных водорослей и животных. На основанной им в 1929 г. в Кацивели Черноморской гидрофизической станции в настоящее время ведутся исследования по оптике моря, широко известные как в Советском Союзе, так и за рубежом.
Одним из основоположников современной гидрооптики является также советский ученый профессор А. А. Гершун. Он создал теорию светового поля в мутных средах, послужившую основой теоретической гидрооптики. Раньше фотометрия ограничивалась лишь рассмотрением самих излучающих и поглощающих тел, а промежуточная среда, в которой распространялся свет, исключалась из рассмотрения. Гершун ввел представление о поле лучистой энергии в среде как о физическом поле и создал его математическую теорию. Гершун первый изучил многие важные вопросы фотометрии мутных сред и разработал ряд оптических приборов для наследований в море. Написанная им в 1939 г. вместе с Вс. А. Березкиным и Ю. Д. Янишевским монография «Прозрачность и цвет моря» остается до сих пор классическим произведением, посвященным оптике моря.
Из зарубежных исследователей-гидрооптиков, работавших в 30—40-е годы, необходимо назвать имена И. Ле Грана и Г. Петтерссона. Французский ученый И. Ле Гран опубликовал несколько интересных работ, посвященных теории распространения света в море; швед Петтеросон — создатель многих гидрооптических приборов — один из первых начал проводить оптические исследования, погружая аппаратуру непосредственно в море.
Гидрооптика как наука принадлежит одному из разделов физики — оптике светорассеивающих сред (сюда же относится и оптика атмосферы). Поэтому для развития гидрооптики очень большое значение имели общетеоретические работы В. А. Амбарцумяна, В. В. Соболева, С. Чандрасекара, Г. В. Розенберга, Р. Прайзендорфера, К. С. Шифрина и Ван де Хюлста. Развитые ими методы исследования распространения излучения в светорассеивающих средах имеют прямое отношение к морю.
Уже говорилось об основном уравнении теории мутных сред — уравнении переноса излучения. Его решение позволяет получить интересующую нас информацию о световом поле в море в зависимости от условий освещения и оптических свойств морской воды в данном районе. Беда, однако, в том, что полного решения уравнения применительно к морю до сих пор еще нет. Математических трудностей, с которыми оно сопряжено, не удалось преодолеть даже с появлением электронно-вычислительных машин. Большинство современных гидро-оптических исследований основывается на результатах экспериментальных работ, которые кладутся затем в основу теоретических построений.
Особенно широкое распространение экспериментальные оптические исследования непосредственно в море получили в послевоенные годы.
В 1947–1948 гг. во время кругосветного рейса шведского научно-исследовательского корабля «Альбатрос» Н. Ерлов выполнил комплексные измерения в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. На их основе он разработал первую оптическую классификацию морских и океанских вод.
В нашей стране также широко развернулись исследования оптических свойств вод морей и океанов. В 1948–1951 гг. М. В. Козлянинов проводил обширные оптические измерения в морях, омывающих берега Советского Союза.
С вступлением в строй научно-исследовательского корабля «Витязь» в 1949 г. Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР (ИОАН) начал регулярные оптические измерения в дальневосточных морях и в Тихом океане. В это же время под руководством А. А. Гершуна и В. Б. Вейнберга в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова разрабатывались новые гидрооптические приборы.
Значительно расширило наши знания об оптических свойствах вод открытых океанских акваторий проведение Международного геофизического года и Международного геофизического сотрудничества в 1957–1959 гг. В период подготовки к этим международным исследованиям в Советском Союзе был создан первый комплект аппаратуры, предназначенный для массовых измерений оптических характеристик морей и океанов, — фотоэлектрический прозрачномер ФПМ-57, измеритель подводной освещенности ФМПО-57, спектрогидронефелометр — прозрачномер СГН-57 и гидрофотометр ФМ-46.
В эти годы интенсивно развивается раздел гидрооптики, который можно назвать оптической океанологией. Задачи оптической океанологии — изучение географического распределения и сезонной изменчивости оптических свойств вод Мирового океана и выявление связей между оптическими характеристиками, с одной стороны, и гидрологическими, биологическими и геологическими факторами — с другой.
В становлении оптической океанологии заметную роль сыграли работы И. Йозефа. На экспериментальном материале, полученном главным образом в проливах, соединяющих Северное и Балтийское моря, он показал, что между некоторыми оптическими характеристиками и гидрологическими условиями существует определенная зависимость и что различным водным массам присущи достаточно четкие оптические признаки.
В Тихом океане, кроме шведского «Альбатроса», гидрооптические измерения проводили японские, американские и австралийские исследователи.
Большой вклад в изучение оптических свойств Мирового океана внесли советские исследователи. «Витязь» в Тихом и Индийском океанах, «Михаил Ломоносов» в Атлантическом океане, «Обь» в приантарктических водах, «Академик С. Вавилов» в Средиземном и Красном морях покрыли довольно густой сетью гидрооптических станций обширнейшие акватории. На рис. 1 представлена карта Мирового океана с гидрооптическими станциями (из них почти 75 % принадлежит советским экспедициям).
Одновременно с экспедиционными работами ведутся экспериментальные и теоретические исследования светового поля, создаваемого естественными и искусственными источниками; изучаются условия видимости под водой (большая заслуга в этом принадлежит американским ученым Дантли, Тайлеру и Прайзендорферу).
Французский гидрооптик А. А. Иванов большое внимание уделяет поляризации естественного света, видимости под водой и оптическим свойствам морских вод. Широкую известность приобрели работы Ж. Ленобль. Несомненно интересны изыскания А. Мореля, изучающего процессы рассеяния в море.
Наряду с измерениями непосредственно в море широко развиваются исследования на искусственных средах, моделирующих оптические свойства морских вод. Работы, проведенные В. А. Тимофеевой в Морском гидрофизическом институте АН УССР и А. П. Ивановым в Институте физики АН БССР, позволили исследовать в лабораторных условиях многие закономерности распространения света в океане.
Оптика моря — органическая часть большого комплекса наук, изучающих физические свойства вод Мирового океана. Ее успехи неразрывно связаны с развитием океанологии в целом.
