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正文內(nèi)容

物理學(xué)簡(jiǎn)史讀書心得五篇(編輯修改稿)

2024-11-10 01:25 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 學(xué)參數(shù),并研究其相互的關(guān)系;美國(guó)普賴森多費(fèi)爾提出了比較系統(tǒng)的海洋光學(xué)理論,發(fā)展了海洋輻射傳遞理論;一些學(xué)者對(duì)水中能見度理論、海洋光學(xué)測(cè)量模型、光輻射場(chǎng)與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系,進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)60年代中期以后,是海洋光學(xué)的發(fā)展階段。隨著近代光學(xué)、激光、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)遙感和海洋科學(xué)的發(fā)展,開拓了海洋光學(xué)研究的新領(lǐng)域。特別是結(jié)合信息傳遞的要求,理論上用蒙特卡羅法定量地計(jì)算各種復(fù)雜模型的海洋輻射傳遞過(guò)程,使海洋輻射傳遞基礎(chǔ)研究日趨完善,并較好地解決了激光在水中的傳輸、海面向上光輻射與海水固有光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系等問(wèn)題。目前,海洋光學(xué)已發(fā)展成為一門內(nèi)容豐富、有相當(dāng)應(yīng)用價(jià)值的光學(xué)分支學(xué)科,使海洋光學(xué)從傳統(tǒng)的唯象研究轉(zhuǎn)入物理的和技術(shù)的研究。海洋光學(xué)的研究?jī)?nèi)容海洋光學(xué)主要研究海洋水體對(duì)光輻射的散射、吸收、光譜等性質(zhì)及光輻射在海洋中的傳播規(guī)律。海水對(duì)光具有強(qiáng)散射和強(qiáng)吸收,其散射系數(shù)比大氣約高4~6個(gè)數(shù)量級(jí)。其散射函數(shù)前向性很強(qiáng),海水的光譜透射分布主要決定于吸收。海中光傳播規(guī)律主要決定于多次散射,研究海中光傳播規(guī)律的海洋輻射傳遞理論是海洋光學(xué)的核心問(wèn)題。已知海洋水體的散射函數(shù)和吸收系數(shù),對(duì)海洋輻射傳遞方程求解,即可得到日光、人工光源和激光在海水中的傳播規(guī)律。反之,由輻射場(chǎng)確定海水基本性質(zhì),是遙測(cè)海洋技術(shù)的基本方法。海洋光學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究主要包括水中對(duì)比度及圖像傳輸研究,海洋水體光學(xué)傳遞函數(shù)研究,激光與海洋水體相互作用研究和探測(cè)海洋的光學(xué)遙感模式研究等。激光與海洋水體的相互作用主要是研究海水激光熒光光譜、受激喇曼散射。海洋激光雷達(dá)所激起的海水激光熒光光譜是探測(cè)海水化學(xué)組分的基本遙測(cè)方法。海水受激喇曼散射隨溫度增高而紅移,這種物理現(xiàn)象是激光雷達(dá)遙測(cè)海洋表層溫度剖面的有效方法,精度可達(dá)177。利用多光譜遙感資料,根據(jù)海水中葉綠素強(qiáng)吸收光譜和透射光譜的比值,探測(cè)海洋葉綠素含量的方法稱為光譜比值法。根據(jù)海水光譜透射特性及淺水海底反射光反映在多光譜遙感信息的差異,可大面積獲取淺水水深的資料。河口泥沙分布、海區(qū)峰面運(yùn)動(dòng)、水團(tuán)分布等都可由多光譜遙感信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲取。對(duì)海洋光學(xué)的開發(fā)研究也稱為海洋光學(xué)工程。60年代以來(lái)比較活躍的領(lǐng)域有:水下攝影系統(tǒng),包括潛水員操縱的水下攝像系統(tǒng)、水下照相系統(tǒng)以及深潛球裝備的水下觀察系統(tǒng);海洋探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng),包括激光測(cè)深儀、激光熒光光譜儀、激光喇曼光譜儀等;海洋光學(xué)儀器,包括水中照度計(jì)、水中準(zhǔn)直光透射率計(jì)、水中光散射儀、水中分光光度計(jì)等。海洋光學(xué)與物理海洋學(xué)的研究密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)定海水的光學(xué)性質(zhì),為研究海流、上升流、海洋峰、水團(tuán)等海洋細(xì)微結(jié)構(gòu)提供了一種有效的手段;隨機(jī)海面的光學(xué)研究,為遙測(cè)海浪方向譜建立了物理模型,并為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定海浪要素提供了快速而又有效的手段。海洋生物初級(jí)生產(chǎn)力的研究和調(diào)查,與海中輻照度的分布、海水輻射能密度分布海中輻射能的貯存等有直接的關(guān)系。例如,探測(cè)海洋的光學(xué)遙感傳感器的波段、視場(chǎng)角和動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù),都要根據(jù)海面光譜輻射的數(shù)據(jù)來(lái)確定。海洋光學(xué)的發(fā)展與近代光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān),光電子學(xué)方法是海洋光學(xué)測(cè)量的主要手段。激光技術(shù)的發(fā)展,例如可調(diào)諧激光、水中新型藍(lán)綠激光、高時(shí)間分辨率激光技術(shù)等,已成為海水激光光譜研究的重要手段,是發(fā)展海洋探測(cè)激光雷達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)。近代光學(xué)信息處理和信息傳遞理論,為海洋中光信息傳遞的研究及隨機(jī)量的統(tǒng)計(jì)分析研究奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)代海洋光學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的研究中,還有不少課題有待于深入研究。例如,鑒于單色光輻射傳遞模型已不能滿足多光譜水色遙感的要求,必須進(jìn)一步研究海洋輻射傳遞的逆問(wèn)題,尤其是淺海和表層光譜輻射傳遞、非均勻水體光譜輻射傳遞、海氣系統(tǒng)光譜輻射傳遞逆問(wèn)題的物理模型和計(jì)算方法;激光在水中單程的平衡態(tài)的傳輸過(guò)程的研究,已不能滿足激光雷達(dá)探測(cè)海洋的要求,必須深入研究窄光束反向多次散射的輻射傳遞,和非平衡態(tài)輻射傳遞模型及其計(jì)算方法。再如,傳統(tǒng)的船測(cè)方法已不能滿足近代海洋光學(xué)發(fā)展的要求,必須發(fā)展海洋光學(xué)參數(shù)的遙測(cè)方法,研究新的海洋光學(xué)測(cè)量模型,以發(fā)展新的測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器。同時(shí),應(yīng)著重加強(qiáng)應(yīng)用研究,在海洋光學(xué)中不斷引入近代光學(xué)方法和激光新技術(shù),繼續(xù)開拓海洋光學(xué)在海洋開發(fā)、海洋要素的探測(cè)及海洋技術(shù)中的應(yīng)用。海洋光學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究不斷沿用現(xiàn)代光學(xué)方法,應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。海洋光學(xué)是許多學(xué)科的交叉點(diǎn),其發(fā)展將與現(xiàn)代光學(xué)、海洋學(xué)、空間遙感技術(shù)、信息科學(xué)等密切相關(guān)。海洋光學(xué)所取得的成就及其發(fā)展,使它已成為一門新的光學(xué)分支學(xué)科。海洋聲學(xué)海洋聲學(xué)是研究聲波在海洋中傳播的規(guī)律,和利用聲波探測(cè)海洋的科學(xué),是海洋學(xué)和聲學(xué)的邊緣學(xué)科。1826年,瑞士物理學(xué)家科拉東和法國(guó)數(shù)學(xué)家斯圖謨?cè)谌諆?nèi)瓦湖測(cè)量聲在水中傳播的速度,開始了現(xiàn)代水聲學(xué)的研究。1911年,有人用炸藥筒作聲源,進(jìn)行了最初的水下回聲測(cè)探實(shí)驗(yàn),并記錄到海底的回聲。1912年,美國(guó)科學(xué)家費(fèi)森登設(shè)計(jì)并制造的一種新型動(dòng)圈換能器,是第一臺(tái)水下發(fā)信和回聲測(cè)探設(shè)備。第一次世界大戰(zhàn)中,由于潛艇在水下作戰(zhàn)的需要而研制出聲吶,從而發(fā)展了聲波在海洋中傳播的理論。在不同海區(qū)、不同季節(jié)和晝夜使用聲吶時(shí),發(fā)現(xiàn)聲吶的作用距離與海洋水文要素、波浪、海流、內(nèi)波、海底地質(zhì)地貌、海洋環(huán)境噪聲和海中浮游生物等有密切關(guān)系。因此,20世紀(jì)50年代以后,逐漸形成了研究聲波在海洋中傳播的規(guī)律,和利用聲波探測(cè)研究海洋的新的學(xué)科分支海洋聲學(xué)。此后,聲波被廣泛應(yīng)用于探測(cè)海底沉積物和地層結(jié)構(gòu),海底的地形地貌,海水的流動(dòng),海水的溫度和流速的不均勻性,海水中各種物體如魚群、深海散射層、冰山和沉船,海面的波浪和水下的內(nèi)波等,并可用于臺(tái)風(fēng)和海嘯等自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)。此外,它還用于水下導(dǎo)航、定位、信號(hào)傳遞和遙控等技術(shù)中。聲波能在海洋中遠(yuǎn)距離傳播,但在傳播的過(guò)程中,海水的溫度分布和鹽度分布、海面和海底的狀況、海水的運(yùn)動(dòng),海中包含的各種不均勻體如氣泡和生物等,都能產(chǎn)生很大的影響。海水由于受太陽(yáng)輻射加熱和風(fēng)力攪拌等的影響,其溫度的垂直分布一般呈分層結(jié)構(gòu),加上壓力的影響,使海洋中的聲速呈垂直分布。從聲速最低的地方發(fā)射的聲波,由于上下層的聲速不同而發(fā)生折射,反映聲波傳播途徑的聲線,總是彎向聲速最低的地方。大部分聲波在海水中經(jīng)過(guò)這樣的往復(fù)彎曲折射,而不與海面和海底接觸,故能量損失很小,這種現(xiàn)象稱為聲道現(xiàn)象,聲速最低的地方稱為聲道軸。低頻聲波在聲道中能傳播到很遠(yuǎn)的地方,例如一千克TNT炸藥的爆炸聲,能在聲道中傳播一萬(wàn)公里以上,故可以利用聲道的這種特性,傳送失事的飛機(jī)和船只的呼救信號(hào),監(jiān)測(cè)水下的地震、火山爆發(fā)和海嘯等。風(fēng)浪的攪拌,使表層海水形成等溫層。其中的靜壓力,使聲速隨深度的增加而略有增加。等溫層內(nèi)自聲源出發(fā)的聲線總是彎曲向上,經(jīng)海面反射而向前傳播,也可以傳播到較遠(yuǎn)的地方,稱為表面聲道。在無(wú)風(fēng)浪攪拌的條件下,表層海水經(jīng)日光照曬,往往出現(xiàn)上層的溫度和聲速都比下層高的情況,使聲速呈負(fù)梯度的垂直分布。在這種情況下,聲波傳播的曲線,總是彎曲向下,在聲能達(dá)不到的地方產(chǎn)生聲影區(qū)。另外,如果海比較淺,則聲線會(huì)碰到海底。由于海底的反射損失大,聲能衰減很大,因此不能傳播得很遠(yuǎn)。海底對(duì)聲波傳播的影響很大,所以聲在淺海中的傳播特征主要依賴于海底的反射本領(lǐng)。海底對(duì)聲波的反射損失,與海底物質(zhì)的密度、聲速和聲波的入射角有關(guān)。一般說(shuō)來(lái),海底的密度愈大,聲速愈高,反射損失愈?。宦暡l率愈高,海底的反射損失愈大。聲波在海水中傳播時(shí),由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)和粘滯性,使部分聲能被吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。在聲波作用下,水分子的結(jié)構(gòu)有從比較松散變得比較緊密的弛豫過(guò)程,使海水對(duì)聲的吸收量增加。對(duì)頻率更低的聲波而言,其聲能的衰減是由于湍流引起的聲散射所造成的,海中的氣泡、海洋生物和懸浮體,都會(huì)散射和反射聲波。散射或反射系數(shù)與物體的大小、介質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān),不同的物體有不同的散射頻率響應(yīng)。海中存在由生物體構(gòu)成的、能強(qiáng)烈散射聲波的深海散射層,它們遍布各大洋,往往分成幾層,其深度隨晝夜和季節(jié)不同而變化,這反映了生物的趨光性。海底底質(zhì)的不均勻和不平整,也會(huì)增加聲波的散射。聲波受波動(dòng)海面的反射,或者穿過(guò)溫度呈微觀不均勻的水團(tuán)時(shí),其信號(hào)強(qiáng)度和相位都會(huì)發(fā)生起伏。海洋內(nèi)波對(duì)聲的傳播影響很大,會(huì)引起聲波大幅度的緩慢起伏。由于海面波浪、渦流、海洋生物發(fā)聲,水下火山爆發(fā)或地震,海水分子的熱運(yùn)動(dòng)和航船來(lái)往等原因,使海洋中存在噪聲,它是聲吶的一種強(qiáng)干擾。利用海洋水文要素對(duì)聲傳播的影響,可以反推海洋的特性,這是海洋聲學(xué)的重要課題。海水中的溫度、鹽度、壓力和流速,都影響著海水中的聲速。聲波在海流中傳播時(shí),順流則聲速增加,逆流則反之。利用這種現(xiàn)象,在兩定點(diǎn)之間相對(duì)發(fā)出聲信號(hào),測(cè)量聲波到達(dá)的時(shí)間差,就可以求得海水的流速。在若干點(diǎn)之間進(jìn)行這種測(cè)量,可以監(jiān)視海洋中的中尺度渦等現(xiàn)象,這是聲學(xué)遙測(cè)的重要方法,稱為海洋聲學(xué)層析術(shù)。水中的懸浮體,隨著水流而運(yùn)動(dòng),故應(yīng)用聲學(xué)技術(shù)觀察這種散射體的運(yùn)動(dòng),就可以了解海水的運(yùn)動(dòng)情況。利用這種方法,還可以觀察內(nèi)波的規(guī)律,了解沉積物的搬運(yùn)情況,也可以測(cè)量海水的流速。此外,利用聲波起伏規(guī)律來(lái)研究?jī)?nèi)波譜的方法,已很受重視;利用深海散射層的散射頻率響應(yīng),可以進(jìn)行深海生物的區(qū)系劃分,其結(jié)果和一般的區(qū)系劃分一致;利用魚類對(duì)聲波的散射和反射,可以探測(cè)魚群和了解魚類資源的分布。由波浪產(chǎn)生的500~5000赫的噪聲,與海面的風(fēng)級(jí)和海況有關(guān)。利用此頻率的噪聲,可以監(jiān)測(cè)海面的風(fēng)級(jí)和海況。利用海嘯產(chǎn)生的水下噪聲,可以預(yù)報(bào)海嘯。海洋生物發(fā)出的聲音,與其種類和生活狀態(tài)有關(guān)。監(jiān)聽這種聲音的特征以區(qū)分生物的種類,可以掌握其生活規(guī)律,為研究漁業(yè)資源提供信息。此外,有可能利用聲信號(hào)控制海洋生物的活動(dòng),以滿足人類的需要。在海洋開發(fā)中,聲技術(shù)是勘探海底唯一有效的手段,廣泛應(yīng)用的地震勘探儀便是聲技術(shù)應(yīng)用的一例。海底的界面不平整,底質(zhì)內(nèi)部的顆粒大小不一,以及分層和水千方向的不均勻性,都影響著聲波的散射和反射。使用高頻窄水平波束的測(cè)掃聲吶,可以得出海底凸出部分對(duì)聲波的強(qiáng)烈散射和凹下部分的聲陰影區(qū)所構(gòu)成的地貌聲圖。海底沉積物一般都是分層的。因各層的聲學(xué)特性不同,故可以利用聲學(xué)方法測(cè)定海底沉積物的分層情況和各層中的聲速。常用的方法有折射法和反射法,對(duì)于較淺的沉積層,也可以用淺地層剖面儀進(jìn)行測(cè)量。利用聲學(xué)遙感技術(shù)對(duì)海底的底質(zhì)進(jìn)行分類的工作,已得到迅速發(fā)展。它與最新的微電子學(xué)、微計(jì)算機(jī)和換能技術(shù)結(jié)合,廣泛用于水文、地質(zhì)、地貌和生物等領(lǐng)域的測(cè)量,并用于水下定位、導(dǎo)航、通信、遙控、遙測(cè)等各方面,在海洋調(diào)查和海洋開發(fā)中起著重要的作用。聲學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,需要更深入地研究聲波在海中的傳播規(guī)律,研究溫度、鹽度、風(fēng)浪、海流、內(nèi)波、海底類型和海中懸浮物等因素對(duì)聲波傳播的影響,以便更好地獲取和識(shí)別聲信號(hào)。聲波在深海中的傳播規(guī)律,已有系統(tǒng)的理論,但在淺海中傳播時(shí),由于海底和水文條件的多變性,理論計(jì)算很困難,應(yīng)用了電子計(jì)算技術(shù)之后,一些相當(dāng)復(fù)雜的淺海傳播問(wèn)題,已得到初步解決。海洋聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大,除依靠
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