El documento habla sobre la oceanografía óptica y cómo la luz interactúa con el agua del océano. Explica que el color azul del océano se debe principalmente a la dispersión de Rayleigh de la luz por las moléculas de agua, y que la absorción mínima en longitudes de onda azules permite que la luz viaje grandes distancias en el agua. También describe procesos como la dispersión de Mandelstam-Brillouin y Raman que involucran desplazamientos en la frecuencia de la luz, y cómo estas

1. ” Año de la Promoción de la Industria Responsable y Compromiso
Climático
UNIVERSIDAD NACIONAL
DEL CALLAO
FACULTAD DE CIENCIAS
NATURALES Y MATEMÁTICA
FÍSICA TEÓRICA COMPUTACIONAL I
“DIFUNDIENDO NUEVA LUZ ACERCA DE LA LUZ EN EL
OCÉANO”
ALUMNO:
MARCO ANTONIO ALPACA CHAMBA
ESCUELA PROFESIONAL DE:
FÍSICA
Ciudad universitaria, 20 de Noviembre del 2014

2. Difundiendo nueva luz acerca de la luz en el océano.
Los recientes avances están haciendo posibleque los oceanógrafos ópticos resuelvan
un gran número oprimido de problemas ambientales.
La luz del océano impulsa a la física, a la química y a la biología. Sin la luz en el
océano, la vida en la Tierra no podríaexistir, ni habría combustible para la maquina
térmica que impulsa las corrientes oceánicas y la circulación de la atmósfera.
Además, la luz y el sonido sonlos dos principales medios disponibles para sondear
el océano. La oceanografía óptica, el cual tiene que ver con todas las facetas de la
luz, sus interacciones con el agua de mar, y su destino final, es fundamental para
muchos estudios importantes. Es vital para mencionar los problemas de la
fotosíntesis, la dinámica de los ecosistemas, la salud de los océanos, la claridad del
agua de mar , las imágenes bajo el agua, los ciclos biogeoquímicos, los presupuestos
de carbono, la termodinámica de la parte superior del océano y el cambio climático.
El futuro del océano y sus habitantes dependen de nuestra capacidad para aprender
cómo la actividad antropogénica los afecta.
Interacción de la Luz
¿Cómo interactúa la luz conel agua demar? Las interacciones ópticas más sencillas,
que se producen en el límite de la atmósfera y el océano, son gobernados por la ley
de Snell y las ecuaciones de Fresnel. Pero incluso aquellos efectos ópticos:
geométricos directos se complican por la rugosidad superficial. Una vez que la luz
entra en el océano, interactúa conlas moléculas de agua y con una gran variedad de
otros constituyentes, orgánicos e inorgánicos. Modelar con exactitud aquellas
interacciones complejas requiere de métodos de transferencia radiactiva y de la
medición exacta de muchos constituyentes con altas variables y parámetros en el
agua. Sería conveniente pensar en el océano simplemente como un cuerpo
homogéneo de agua. Pero el océano es de hecho más que un brebaje de brujas
estratificado, con muchos diferentes ingredientes sólidos y disueltos. Las
interacciones de la luz en el océano implican muchos procesos y mecanismos de
retroalimentación. Considere el fitoplancton, algas microscópicas que se desplazan
y que forman la base de la cadena alimenticia del océano mediante la realización de
la fotosíntesis. Ellos absorben la luz, captan el CO2, y liberan el oxígeno. Ellos
También emiten fluorescencia, alguna parte de la luz regresa al interior del océano,
y pueden exhibir bioluminiscencia: emisión de luz mediante procesos químicos. El
Fitoplancton varía en tamaño, forma y propiedades ópticas, y ellos contribuyen al
color del agua de mar.
Ellos afectan el calentamiento y la estratificación del océano superior mediante sus
interacciones con la luz. Y aquellos procesos, a su vez afectan el crecimiento de su
medio ambiente. Anand Gnanadesikan y compañeros de trabajo en la Universidad
de Princeton han sugerido recientemente que el fitoplancton puede incluso afectar a
la frecuencia de tifones. Se han sugerido en 2004 que los huracanes, los cuales al
incrementar la disponibilidad de nutrientes para las plantas en la capa superior,
pueden estimular el florecimiento de fitoplancton y de este modo acelerar el
descenso de CO2 en el océano.

3. ¿Por qué es azul el océano?
Las especulaciones acerca del color azul del océano, tal como se ve de lo anterior,
partiendo de atrás. Lord Rayleigh afirmó que era simplemente reflexión del cielo
azul. La explicación correcta requiere la combinación de las ideas del siglo XIX de
Robert Bunsen, quien consideró que el color depende de la absorción de luz por el
agua, y Jacques-Louis Soret, quien consideró que el color era totalmente debido a la
dispersión. CV Raman, señaló la importancia de la dispersión molecular, y en 1923
Vasily Shuleikin combinó estas ideas para desarrollar una explicación completa del
color del mar. En aguas abiertas y muy claras con pocas partículas, llamadas
hidrosoles, las propiedades ópticas oceánicas dependen principalmente de las
propiedades de dispersión y absorción de las moléculas del agua en sí. Vamos
primero abordar la absorción. Uno podría pensar que la longitud de onda depende
del coeficiente de absorcióndelagua para calcular el colorintrínseco oceánico como
una función de la profundidad que se conocecongran precisión. Pero sería erróneo.
La Figura 1 muestra la historia reciente delcoeficiente de absorciónmedido en agua
pura. La propiedad principal es el incremento del orden de mil que asciende desde
el mínimo de absorciónen longitudes de onda del azul hacia un máximo en el rojo.
La muy poca absorción sobre una escala de metros en el azul es por qué se ha
obtenido discrepancias tan grandes en las medidas de ese lado del espectro visible.
La absorciónmínima surge principalmente a partir de los modos devibración de los
enlaces O-H de las moléculas del agua. Los modos de vibración fundamentales se
presentan en longitudes de onda infrarrojas cerca de 3 μm. Porlo tanto, la absorción
en el azul requiere de la excitación de estados superiores vibrantes en altos
sobretonos delfundamental. Debido a que la densidad detales estados es baja, existe
poca absorción para longitudes de onda azules. Es extraordinario que el color azul
intrínseco del agua se deba principalmente a las vibraciones moleculares y no a las
interacciones electrónicas directas, los cuales son los principales determinantes del
color en casi todas las otras sustancias.

4. Figura 1. Varias medidas del coeficiente de absorción de la luz en el agua pura.
Considerable discrepancia es evidente cerca del mínimo de absorción a 420 nm en
la región azul del espectro visual, donde la luz puede viajar de más de 100 metros
con poca absorción, haciendo difícil la medición en el laboratorio. Las mediciones
más precisas cerca del mínimo hasta la fecha son por el grupo de Edward Fry en
Texas A & M University.
La dispersión en el agua.
La dispersión de la luz en el océano puede ser elástica (con ningún desplazamiento
de frecuencia en la radiación incidente) o inelástica (con desplazamiento de
frecuencia). Ambos tipos sonfrecuentemente llamados dispersión de Rayleigh. Pero
Rayleigh ciertamente nunca describió la dispersión inelástica en líquidos
volumétricos, ese fenómeno no fue comprendido antes de la muerte de Rayleigh en
1919.
La dispersión de la luz en el agua líquida es principalmente debido a las
fluctuaciones de densidad, el cual puede ser descompuesto en dos tipos diferentes,
mecánico y térmico (ver figura 2a). Las perturbaciones mecánicas crean
fluctuaciones de presión isoentrópico que se propagan como fonones con celeridad

5. del sonido en el agua. La luz de frecuencia incidente ω0 dispersada a partir de uno
de estos fonones sufre un par de desplazamientos de frecuencias para producir un
denominado doblete de Mandelstam-Brillouin (MB), como se muestra en la figura
2b. En el lenguaje de la teoría de la dispersión Raman, el corrimiento hacia el rojo y
el corrimiento hacia el azul de las líneas espectrales del Doblete se llaman,
respectivamente, las líneas de Stokes yanti-Stokes. La línea más débil no desplazada
en el espectro dela luz dispersada, descubierta porEvgenii Gross en1930, es debido
a la dispersión a partir de que no se propagan, las fluctuaciones de entropía
isobáricas.
La dispersión de Bragg a partir de ondas de fonones y desplazamientos Doppler
debido al movimiento deaquellas ondas, como semuestra en la figura 2b, determina
los desplazamientos de frecuencias MB.
ω= ω0± ωMB.
ωMB/ω =2nseno(ϴ/2) vs /c, donde n, elíndice de refracción del agua, dependede ω0,
la salinidad, y la temperatura; teta es el ángulo de dispersión con la cual las ondas
dispersadas se observan, y vs y c son, respectivamente, la celeridad del sonido en el
agua y la celeridad de la luz en el vacío.
Observe que no hay desplazamientos de frecuencias en la dirección hacia adelante,
y que el máximo desplazamiento ocurre a 180° de la retrodispersión. Para el agua
pura, el desplazamiento de frecuencia en la retrodispersión es alrededor de 7,5 GHz,
que es también la frecuencia de las ondas sonoras que produce la dispersión de la
luz.

7. Figura 2.
Difusión de la luz en el agua por fluctuaciones en la densidad o en el índice de
refracción, (a) las perturbaciones mecánicas generan fonones que dispersan la luz
incidente de frecuencia ω0 para producir un doblete de Mandelstam-Brillouin (MB)
de líneas espectrales desplazadas hacia el rojo y hacia el azul por ωMB, dada por la
ecuación 1 en el texto. Los generados térmicamente por fluctuaciones de entropía,
en cambio dispersan la luz, sin corrimiento de sus frecuencias, lo que da como
resultado una línea de Gross en el espectro de la luz dispersada, (b) Uno puede
derivar la ecuación 1, al imaginar la dispersión de Bragg de fotones incidentes con
momento k a partir de ondas de fonones (que se muestran como estriaciones) con
momento incidente ± q. Difusión aproximadamente a partir de frentes de ondas
aproximándose (+q) o retrocediendo (-q) al fotón con desplazamiento Doppler,
respectivamente, hacia el azul o hacia el rojo. La orientación del frente de onda de
los fonones pertinentes sededuce a partir del ángulo de dispersión teta con la cual el
observador está mirando.
La relación de la intensidad de la línea de Gross sin corrimiento a la suma de las
intensidades de las líneas de doblete MB en el espectro de luz reflejado es (Cp / Cv)
-1, donde CP y Cv son, respectivamente, los calores específicos del agua a presión
constante y a volumen constante. Debido a que la relación a 25°C es sólo

8. aproximadamente de0.01, el espectro dela luz dispersadaen agua pura muestra muy
poca intensidad en la longitud de onda sin corrimiento; casi toda la luz dispersada
aparece en las líneas de Stokes y anti-Stokes.
Este resultado tiene consecuencias enormes para mejorar la calidad de imagen en el
océano, porque la luz dispersada a partir de hidrosoles u objetos bajo el agua no
experimenta desplazamiento de frecuencia.
Otro proceso inelástico en el agua es la dispersión Raman, dondelas vibraciones de
la molécula del agua modulan la polarizabilidad del líquido y por lo tanto generan
desplazamientos Raman Stokes y anti-Stokes de la luz incidente. Siempre hay una
competencia entre la dispersión Raman de moléculas de agua individuales y de
cadenas poliméricas de moléculas de agua mantenidas unidas por puentes de
hidrógeno. El equilibrio resultante es muy sensible a la temperatura, y puede alterar
la forma de la banda Raman. Este efecto ha sido explotado para medir perfiles de
profundidad dela temperatura del agua consistemas de deteccióndeluz y dealcance
(lidar).
Aunque el coeficiente de dispersión Raman sea aproximadamente la misma que el
coeficiente de dispersión de MB, existen importantes diferencias entre los dos
procesos. Utilizado en conjunto, proporcionan una poderosa herramienta para
monitorizar remotamente la velocidad del sonido, la temperatura y la salinidad en el
océano como una función de la profundidad. Al igual que la dispersión de Rayleigh
en la atmósfera, ambos procesos tienen una dependencia aproximadamente en λ-4
sobrela longitud de onda, lo cual contribuye al color azul del océano, como lo hace
con el cielo azul. Con una absorción mínima cerca de 420 nm, en algunos muy
claros, ubicaciones limpias, principalmente cercade la Isla de Pascuaen el Giro del
Pacífico Sur, el agua parece casi púrpura.
Es útil definir dos tipos de propiedades ópticas del agua: propiedades ópticas
inherentes (IOPs), que caracterizan a la dispersión y la absorción espectral
independiente de la estructura de dirección del campo de radiación ambiente, se
puedemedir en el laboratorio. Propiedades ópticas Aparentes (AOPs), porotraparte,
dependen del campo de radiación y sólo se puede medir en situ. Cantidades
radiométricas incluyen la radiancia L, definida como la potencia de luz incidente
sobreun detector sumergido por unidad de superficie, frecuencia y el ángulo sólido
de aceptación. Depende, por supuesto, de la posición sumergida del detectory de la
dirección que está apuntando, y de la posición del sol. (Irradiancia es la integral de
la radiancia con respecto a algún determinado ángulo sólido, por ejemplo, todo el
hemisferio hacia abajo.) Para predecir la radiancia e Irradiancia para efectos de
comparación con las mediciones de radiación una utiliza modelos de transferencia
radiactiva que toma en cuenta todas las cosas que le puede pasar a un fotón en
camino desde el Sol hasta el detector, utilizando las IOPs como entradas.
Radiancia e Irradiancia así calculados y comparados conlas mediciones se utilizan
a menudo para la determinación del AOPs. Porejemplo, el coeficiente deatenuación
espectral difusa en una determinada longitud de onda óptica que se define como el
negativo del gradiente vertical de Irradiancia hacia abajo. En el agua de mar natural,

9. muchos factores modifican las propiedades ópticas, y porlo tanto, el color aparente.
Ellos incluyen materia orgánica disuelta, que absorbe preferentemente en el UV,
modificando así el color del agua hacia el verde y rojo. Ese cambio es a menudo
muy evidente en los charcos o zonas de agua estancada en la que las hojas están en
descomposición.