海水中不同鹽分對水下光傳輸影響的研究.pdf

1、由于海水中不僅含有各種千奇百怪、大小不等、形狀不一、結構不同的有機物質，還含有大量的無機物質，而且所有物質都是隨機分布的。因此光在海水中的傳播比在空氣中傳播時復雜得多。海水對光的衰減主要包括兩個方面:海水對光的吸收和海水對光的散射。海水的衰減系數(shù)是海洋環(huán)境健康狀況的晴雨表，也是評價水下通信質量的重要指標之一。鑒于此背景，研究海洋中各種物質對光傳輸?shù)挠绊懀约把芯糠治銎洚a(chǎn)生的機理對水下激光通信、海洋光學遙感、環(huán)境監(jiān)測以及海洋水文勘察等許多

2、領域都有著十分重要的意義。
　　本文從光在海水中的吸收效應和散射效應兩個方面入手，對海水中主要無機海鹽水溶液的光學性質進行了深入研究。主要包括以下幾個方面:
　　首先，為了弄清海水對光散射、吸收的機理，本文從離子水合的微結構出發(fā)，依據(jù)量子分子動力學理論，采用溶劑化模型，研究海水中不同離子的水合過程，掌握不同離子的水合結構，在此基礎上采用離子散射模型結合密度起伏理論研究了極稀海水中不同鹽分對光散射的影響。采用該方法對海水的光散

3、射進行研究尚屬首次。
　　其次，通過實驗測量，觀察并詳細分析了海水中不同鹽分在可見光波段對光的吸收特性影響，并建立了電導率與吸收系數(shù)關系的經(jīng)驗模型。在該研究中我們發(fā)現(xiàn)，鎂鹽不同于鈉鹽和鉀鹽，具有更為特殊的光學特性，值得進一步的深入研究。
　　再次，實驗觀測磁場作用下離子水合結構的各項異性，揭示了磁場環(huán)境對海水中不同鹽分的光學特性影響機理。實驗結果表明，當采用不同偏振方向的入射光時，相同濃度相同磁場強度下，經(jīng)磁場作用后的溶液的

4、透射率在不同方向上呈現(xiàn)明顯差異，采用P偏振光得到的透射率總是大于采用S偏振光得到的透射率;溶液濃度越大，透射率越低;當入射光為P偏振光時，磁場的強度越強，磁處理后的溶液的透射率越大;但當入射光為S偏振光時，磁場的強度越強，磁處理后的溶液的透射率越低。
　　通過分析純水和不同鹽分水溶液的中紅外光譜發(fā)現(xiàn)，磁場改變了水的紅外吸收性質，純水的紅外光譜吸收強度隨磁場強度的增長而增加。盡管如此，磁場僅僅使吸收峰強度增加了，卻并沒有改變峰的位置

5、。換言之，隨著磁場強度的增加，水分子的極化特性和分子偶極矩增大，分子磁矩發(fā)生改變，但水的分子結構并沒有發(fā)生改變。對不同鹽分溶液而言，隨著磁場的增強O-H帶寬寬度增加，吸收峰位置向低波數(shù)移動，鹽離子對水具有明顯的結構破壞效應;相比氯鹽，硫酸鹽對水結構的影響更大，并且不同鹽分溶液的紅外吸收光譜也反映出溶液中陽離子和陰離子對水分子結構的擾動。
　　最后，利用阻抗分析儀實驗研究了磁場對不同海鹽水溶液電導率的影響。通過研究分析，我們建立了關

6、于濃度與電導率的經(jīng)驗關系式，該式子不僅適用于低濃度溶液，也適用于高濃度溶液。不僅如此，新建的關系式既適用于磁化溶液，又適用于未磁化溶液。另外，通過分析發(fā)現(xiàn)，磁場對電導率的影響在一定程度上是由于離子周圍水合層厚度及水分子分布的變化引起的，這種變化也導致了水合半徑發(fā)生了變化。該發(fā)現(xiàn)為進一步開展水下磁性目標探測等探索一種新途徑、新方法，同時也為海洋水文監(jiān)測等相關領域提供科學依據(jù)。
　　目前，有關海水光學性質的研究主要通過理論模擬和實驗的

7、方法，而且實驗研究特別是實地觀測的方法具有很大的地域局限性，另外很少有從離子水合等微觀機理上來研究和分析海水的光學現(xiàn)象。本文從理論和實驗出發(fā)，提出采用離子散射的概念，針對海水中的幾種主要鹽分對光散射的影響進行了研究，與采用分子散射模型研究海水的光散射相比，在淡海水中該新建模型具有更好的適用性;建立了可見光波段吸收系數(shù)與電導率的經(jīng)驗關系式，該關系式對各種無機鹽水溶液具有普適性，為下一步進行理論研究提供參考;擬合出不僅適用于低濃度溶液，也適