ทัศนศาสตร์ทางทะเลคือการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของแสงกับน้ำและสสารในน้ำ แม้ว่างานวิจัยส่วนใหญ่จะมุ่งเน้นไปที่ทะเล แต่สาขานี้ครอบคลุมถึงแม่น้ำ ทะเลสาบ แหล่งน้ำจืด น้ำชายฝั่ง และมหาสมุทรขนาดใหญ่ ปฏิสัมพันธ์ของแสงในน้ำมีความสำคัญต่อการทำงานของระบบนิเวศใต้น้ำ ความรู้ด้านทัศนศาสตร์ทางทะเลมีความจำเป็นใน การวิจัยการ สำรวจระยะไกลทางน้ำเพื่อทำความเข้าใจว่าสามารถดึงข้อมูลอะไรได้บ้างจากสีของน้ำที่ปรากฏจากเซ็นเซอร์ดาวเทียมในอวกาศ สีของน้ำที่เห็นจากดาวเทียมเรียกว่าสีของมหาสมุทรแม้ว่าสีของมหาสมุทรจะเป็นหัวข้อหลักของทัศนศาสตร์ทางทะเล แต่ทัศนศาสตร์เป็นคำที่กว้างกว่านั้น ซึ่งรวมถึงการพัฒนาเซ็นเซอร์ใต้น้ำโดยใช้วิธีการทางแสงเพื่อศึกษามากกว่าแค่สี รวมถึงเคมีของมหาสมุทร ขนาดอนุภาค การถ่ายภาพพืชและสัตว์ขนาดเล็ก และอื่นๆ อีกมากมาย

ในบริเวณที่มีน้ำ "ลึกทางแสง" พื้นทะเลจะไม่สะท้อนแสงอาทิตย์ที่เข้ามา และมนุษย์หรือดาวเทียมไม่สามารถมองเห็นพื้นทะเลได้^{[ 1 ]}มหาสมุทรส่วนใหญ่ของโลกมีความลึกทางแสง น้ำที่มีความลึกทางแสงอาจยังคงเป็นน้ำตื้นเมื่อพิจารณาจากความลึกทางกายภาพโดยรวม ตราบใดที่น้ำมีความขุ่นมาก เช่นในบริเวณปากแม่น้ำ

ในบริเวณที่น้ำตื้น “ทางแสง” พื้นทะเลจะสะท้อนแสงและมักจะสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าทั้งจากมนุษย์และดาวเทียม^{[ 2 ]}ในบริเวณนี้ ทัศนศาสตร์ทางทะเลยังสามารถใช้ศึกษาใต้น้ำได้อีกด้วย นักวิจัยสามารถสร้างแผนที่ประเภทที่อยู่อาศัยได้ โดยพิจารณาจากสีที่ปรากฏต่อเซ็นเซอร์ รวมถึงสาหร่ายขนาดใหญ่ ปะการัง แหล่งหญ้าทะเล และอื่นๆ การทำแผนที่สภาพแวดล้อมน้ำตื้นต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับทัศนศาสตร์ทางทะเล เนื่องจากต้องคำนึงถึงสีของน้ำเมื่อพิจารณาสีของสภาพแวดล้อมใต้ทะเล

คุณสมบัติทางแสงโดยธรรมชาติ (IOPs) ขึ้นอยู่กับสิ่งที่อยู่ในน้ำ คุณสมบัติเหล่านี้จะคงที่ ไม่ว่าแสงที่เข้ามาจะเป็นอย่างไร (กลางวันหรือกลางคืน มุมแสงอาทิตย์ต่ำหรือมุมแสงอาทิตย์สูง) ^{[ 3 ]}

น้ำที่มีสารละลายในปริมาณมาก เช่น ทะเลสาบที่มีสารอินทรีย์ละลายสี ( CDOM ) ในปริมาณมาก จะมีการดูดซับแสงสูง แพลงก์ตอนพืชและอนุภาคอื่นๆ ก็ดูดซับแสงเช่นกัน^{[ 4 ]}

พื้นที่ที่มีน้ำแข็งทะเล ปากแม่น้ำที่มี ตะกอนแขวนลอยจำนวนมาก และทะเลสาบที่มี ผงธารน้ำแข็งจำนวนมากเป็นตัวอย่างของแหล่งน้ำที่มีการกระเจิงแสงสูง อนุภาคทุกชนิดกระเจิงแสงในระดับหนึ่ง รวมถึงแพลงก์ตอน แร่ธาตุ และเศษซาก ขนาดของอนุภาคมีผลต่อปริมาณการกระเจิงที่เกิดขึ้นในสีต่างๆ ตัวอย่างเช่น อนุภาคขนาดเล็กมากจะกระเจิงแสงในสีน้ำเงินมากกว่าสีอื่นๆ อย่างมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมหาสมุทรและท้องฟ้าจึงมักเป็นสีน้ำเงิน (เรียกว่าการกระเจิงแบบเรย์ลี ) หากไม่มีการกระเจิง แสงจะไม่ "ไป" ที่ไหนเลย (นอกเหนือจากลำแสงโดยตรงจากดวงอาทิตย์หรือแหล่งกำเนิดอื่นๆ) และเราจะไม่สามารถมองเห็นโลกรอบตัวเราได้^{[ 5 ]}

การลดทอนในน้ำ หรือที่เรียกว่าการลดทอนของลำแสงหรือสัมประสิทธิ์การลดทอนของลำแสงคือผลรวมของการดูดซับและการกระเจิงทั้งหมด การลดทอนของลำแสงในทิศทางเฉพาะหนึ่งสามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือที่เรียกว่าทรานมิสโซมิเตอร์^{[ 6 ]}

คุณสมบัติทางแสงที่ปรากฏ (AOPs) ขึ้นอยู่กับสิ่งที่อยู่ในน้ำ (IOPs) และสิ่งที่เกิดขึ้นกับแสงที่เข้ามาจากดวงอาทิตย์ AOPs ขึ้นอยู่กับ IOPs มากที่สุด และขึ้นอยู่กับแสงที่เข้ามาหรือที่เรียกว่า “สนามแสง” เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ลักษณะของสนามแสงที่อาจส่งผลต่อการวัด AOP ได้แก่ มุมที่แสงตกกระทบผิวน้ำ (สูงบนท้องฟ้าเทียบกับต่ำบนท้องฟ้า และจากทิศทางเข็มทิศใด) และสภาพอากาศและสภาพท้องฟ้า (เมฆ หมอกควันในบรรยากาศ หมอก หรือสภาพทะเลหรือความขรุขระของผิวน้ำ) ^{[ 7 ]}

ค่าการสะท้อนแสงจากการสำรวจระยะไกล (Rrs) เป็นการวัดแสงที่แผ่ออกมาจากใต้ผิวมหาสมุทรในทุกสี โดยปรับให้เป็นมาตรฐานด้วยแสงอาทิตย์ที่เข้ามาในทุกสี เนื่องจาก Rrs เป็นอัตราส่วน จึงมีความไวต่อสิ่งที่เกิดขึ้นกับสนามแสง (เช่น มุมของดวงอาทิตย์หรือความขุ่นมัวของบรรยากาศ) น้อยกว่าเล็กน้อย^{[ 8 ]}

Rrs วัดโดยใช้สเปกโตรเรดิโอมิเตอร์คู่ที่วัดแสงที่เข้ามาจากท้องฟ้าและแสงที่ขึ้นมาจากน้ำด้านล่างพร้อมกันที่ความยาวคลื่นหลายช่วง เนื่องจากเป็นการวัดอัตราส่วนของแสงต่อแสง หน่วยพลังงานจึงหักล้างกัน และ Rrs มีหน่วยเป็นต่อสเตอเรเดียน (sr-1) เนื่องจากลักษณะเชิงมุมของการวัด (แสงที่ขึ้นมาจะถูกวัดที่มุมเฉพาะ และแสงที่เข้ามาจะถูกวัดบนระนาบแบนจากพื้นที่ครึ่งทรงกลมเหนือผิวน้ำ) ^{[ 9 ]}

K _dคือสัมประสิทธิ์การลดทอนแสงแบบกระจาย (หรือแบบส่องลง) (K _d ) หรือเรียกง่ายๆ ว่าการลดทอนแสงสัมประสิทธิ์การดับแสงในแนวตั้งหรือสัมประสิทธิ์การดับแสง [ ^{10 ] K} d _{อธิบาย}อัตราการลดลงของแสงตามความลึกในน้ำ ในหน่วยต่อเมตร (m ⁻¹ ) “d” หมายถึงแสงส่องลง ซึ่งเป็นแสงที่มาจากด้านบนของเซ็นเซอร์ในรูปทรงครึ่งทรงกลม (หรือครึ่งลูกบาสเก็ตบอล) บางครั้งนักวิทยาศาสตร์ใช้ K _dเพื่ออธิบายการลดลงของแสงที่มองเห็นได้ทั้งหมดสำหรับพืชในแง่ของรังสีที่กระตุ้นการสังเคราะห์แสง (PAR) – เรียกว่า “K _d (PAR)” ในกรณีอื่นๆ Kd สามารถอธิบายการลดลงของแสงตามความลึกในช่วงสเปกตรัมของสีหรือความยาวคลื่น โดยปกติจะเขียนเป็น “K _d (λ)” ค่า Kd ที่สีเดียว (ความยาวคลื่นเดียว) สามารถอธิบายการลดลงของแสงตามความลึกของสีเดียวได้ เช่น การลดลงของแสงสีฟ้าที่ความยาวคลื่น 490 นาโนเมตร เขียนได้ว่า “K _d (490)”

โดยทั่วไป K _dจะถูกคำนวณโดยใช้กฎของเบียร์และชุดการวัดแสงที่รวบรวมจากใต้ผิวน้ำลงไปถึงระดับความลึกต่างๆ ของน้ำ^{[ 11 ] [ 12 ]}

“การปิด” หมายถึงวิธีที่นักสมุทรศาสตร์เชิงแสงวัดความสอดคล้องของแบบจำลองและการวัด แบบจำลองหมายถึงสิ่งใดก็ตามที่ไม่ได้วัดในน้ำอย่างชัดเจน รวมถึงตัวแปรที่ได้จากดาวเทียมซึ่งประมาณค่าโดยใช้ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ (ตัวอย่างเช่น ความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์-เอที่ได้จากดาวเทียมประมาณค่าจากอัตราส่วนระหว่างการสะท้อนแสงจากระยะไกลสีเขียวและสีน้ำเงินโดยใช้ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์) การปิดรวมถึง การปิดการวัด การปิดแบบจำลอง การปิดแบบจำลอง-ข้อมูล และการปิดมาตราส่วน ในกรณีที่การทดลองการปิดแบบจำลอง-ข้อมูลแสดงให้เห็นความไม่สอดคล้องกันระหว่างข้อมูลและแบบจำลอง สาเหตุของความไม่สอดคล้องกันอาจเกิดจากข้อผิดพลาดในการวัดปัญหาเกี่ยวกับแบบจำลอง ทั้งสองอย่าง หรือปัจจัยภายนอกอื่นๆ^{[ 13 ] [ 14 ]}

ทัศนศาสตร์ทางทะเลถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการศึกษาหัวข้อต่างๆ เช่น การผลิตขั้นต้นแพลงก์ตอนพืชแพลงก์ตอนสัตว์^{[ 15 ] [ 16 ]}แหล่งที่อยู่อาศัยในน้ำตื้น เช่นแหล่งหญ้าทะเลและแนวปะการัง^{[ 17 ] [ 18 ]}ชีวธรณีเคมีทางทะเล [ ^{19 ] การ}ให้ความร้อนของมหาสมุทรส่วนบน^{[ 20 ]}และการส่งออกคาร์บอนไปยังน้ำลึกโดยผ่านปั๊มชีวภาพในมหาสมุทร [ ^{21 ] ส่วน}ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับทัศนศาสตร์ทางทะเลโดยทั่วไปคือรังสีอัลตราไวโอเลตถึงอินฟราเรด ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 300 นาโนเมตรถึงน้อยกว่า 2000 นาโนเมตร^{[ 22 ]}

เซ็นเซอร์ทางสมุทรศาสตร์เชิงแสงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ได้แก่เซ็นเซอร์PARเซ็นเซอร์การเรืองแสงคลอโรฟิลล์-เอ ( ฟลูออโรมิเตอร์ ) และทรานมิสโซมิเตอร์ เครื่องมือทั้งสามนี้มักจะติดตั้งบนเครื่องเก็บตัวอย่าง CTD (ค่าการนำไฟฟ้า-อุณหภูมิ-ความลึก) แบบโรเซ็ ต เครื่องมือเหล่านี้ถูกใช้บน CTD-โรเซ็ตมานานหลายปีในการสำรวจทางสมุทรศาสตร์ซ้ำทั่วโลก เช่น แคมเปญ CLIVAR GO-SHIP ^{[ 23 ] [ 24 ]}

เครื่องมือทางแสงมักใช้ในการวัดขนาดของอนุภาคในมหาสมุทร ตัวอย่างเช่น แพลง ก์ตอนพืชมีขนาดตั้งแต่ไม่กี่ไมครอน (ไมโครเมตร, μm) ไปจนถึงหลายร้อยไมครอน การวัดขนาดของอนุภาคมักใช้เพื่อประเมินว่าอนุภาคจะจมลงเร็วแค่ไหน และด้วยเหตุนี้จึงสามารถประเมินประสิทธิภาพในการดูดซับคาร์บอนของพืชในระบบชีวภาพ ของ มหาสมุทร ได้

นักวิทยาศาสตร์ศึกษาวัตถุขนาดเล็กแต่ละชิ้น เช่น แพลงก์ตอนและอนุภาคเศษซากโดยใช้ระบบโฟลว์ไซโตเมตรี และระบบกล้องในสถานที่ โฟลว์ไซโตเมตรีวัดขนาดและถ่ายภาพอนุภาคแต่ละตัวที่ไหลผ่านระบบท่อ เครื่องมือชนิดหนึ่งคือ Imaging FlowCytoBot (IFCB) ^{[ 26 ]}ระบบกล้องในสถานที่ถูกติดตั้งไว้ด้านข้างของเรือวิจัย ไม่ว่าจะติดตั้งเดี่ยวๆ หรือติดกับอุปกรณ์อื่นๆ และจะถ่ายภาพน้ำเพื่อสร้างภาพอนุภาคที่มีอยู่ในน้ำ เครื่องมือชนิดหนึ่งคือ Underwater Vision Profiler (UVP) ^{[ 27 ]}เทคโนโลยีการถ่ายภาพอื่นๆ ที่ใช้ในมหาสมุทร ได้แก่โฮโลแกรม^{[ 28 ]}และการวัดความเร็วภาพอนุภาค (PIV) ซึ่งใช้ภาพวิดีโอ 3 มิติเพื่อติดตามการเคลื่อนที่ของอนุภาคใต้น้ำ^{[ 29 ]}

การวิจัยด้านทัศนศาสตร์ทางทะเลที่ดำเนินการ “ ในสถานที่ ” (จากเรือวิจัยเรือเล็ก หรือบนท่าเทียบเรือ) สนับสนุนการวิจัยที่ใช้ข้อมูลจากดาวเทียม การวัดทางแสงในสถานที่ช่วยให้สามารถ: 1) ปรับเทียบเซ็นเซอร์ดาวเทียมเมื่อเริ่มเก็บข้อมูล 2) พัฒนาอัลกอริทึมเพื่อหาผลิตภัณฑ์หรือตัวแปร เช่น ความเข้มข้นของคลอโรฟิลล์-เอ และ 3) ตรวจสอบความถูกต้องของผลิตภัณฑ์ข้อมูลที่ได้จากดาวเทียม การใช้ข้อมูลจากดาวเทียม นักวิจัยประเมินสิ่งต่างๆ เช่น ขนาดอนุภาค คาร์บอนคุณภาพน้ำความใสของน้ำและประเภทของพื้นทะเลโดยอาศัยโปรไฟล์สีที่เห็นจากดาวเทียม การประเมินทั้งหมดเหล่านี้ (หรือที่เรียกว่าแบบจำลอง) ต้องได้รับการตรวจสอบความถูกต้องโดยการเปรียบเทียบกับการวัดทางแสงที่ทำในสถานที่^{[ 30 ]}ข้อมูลในสถานที่มักมีให้ใช้งานจากคลังข้อมูลที่เข้าถึงได้โดยสาธารณะ เช่นคลังข้อมูล SeaBASS

นักสมุทรศาสตร์ นักฟิสิกส์ และนักวิทยาศาสตร์อื่นๆ ที่มีส่วนสำคัญในสาขาทัศนศาสตร์ทางทะเล ได้แก่ (รายชื่อไม่ครบถ้วน):

เดวิด อองตวน, มาร์เซล บาบิน , พอลล่า บอนเทมปี, เอ็มมานูเอล บอส, แอนนิค บริโคด์, เคนดัลล์ คาร์เดอร์, อิโวน่า เซตินิค, เอ็ดเวิร์ด ฟราย, ไฮดี้ ไดเออร์สเซ่น, เดวิด ด็อกซารัน, จีน คาร์ล เฟลด์แมน, ฮาวเวิร์ด กอร์ดอน, ชวนมิน ฮู, นีลส์ กุนนาร์ เจอร์ลอฟ , จอร์จ คัตต้าวาร์, จอห์น เคิร์ก, จงปิง ลี, ฮิวเบิร์ต ลอยเซล, สเตฟาน มาริโตเรน่า, ไมเคิล มิชเชนโก้, เคอร์ติส โมบลีย์, บรูซ มอนเกอร์, อังเดร โมเร ล , ไมเคิล มอร์ริ ส , นอร์ม เนลสัน, แมรี่ เจน เพอร์รี่, รูดอล์ฟ เพรเซนดอร์เฟอร์, หลุยส์ ไพรเออร์, จันดราเซคารา รามัน , คอลลิน โรสเลอร์, รูดิเกอร์ เริตต์เกอร์ส, เดวิด ซีเกล, เรย์มอนด์ สมิธ, ไฮดี โซซิก, ดาริอุสซ์ สตรัมสกี, ไมเคิล ทวอร์ดอฟสกี้, ทัลบอต วอเตอร์แมน, เจเรมี แวร์เดลล์, เคน วอสส์, ชาร์ลส์ เยนต์สช์ และ โรนัลด์ ซาเนเวลด์.

แม้ว่าทัศนศาสตร์ทางทะเลจะเป็นสาขาวิชาสหวิทยาการที่ครอบคลุมหัวข้อหลากหลาย แต่ก็ไม่ค่อยมีการสอนเป็นหลักสูตรในหลักสูตรระดับบัณฑิตศึกษาด้านวิทยาศาสตร์ทางทะเลและสมุทรศาสตร์ มีการพัฒนาหลักสูตรภาคฤดูร้อนสองหลักสูตรสำหรับนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากสถาบันต่างๆ มากมาย ประการแรก มีชุดการบรรยายภาคฤดูร้อนที่ดำเนินการโดยกลุ่มประสานงานสีมหาสมุทรระหว่างประเทศ (IOCCG) ซึ่งมักจัดขึ้นในประเทศฝรั่งเศส^{[ 31 ]}ประการที่สอง มีหลักสูตรต่อเนื่องในสหรัฐอเมริกาที่เรียกว่า “ชั้นเรียนทัศนศาสตร์ทางทะเล” หรือ “ชั้นเรียนทัศนศาสตร์ทางทะเล” ในรัฐวอชิงตัน และต่อมาในรัฐเมน ซึ่งดำเนินการอย่างต่อเนื่องมาตั้งแต่ปี 1985 ^{[ 32 ]}

เพื่อการเรียนรู้ด้วยตนเอง Curt Mobley, Collin Roesler และ Emmanuel Boss ได้เขียนOcean Optics Web Bookขึ้นมาในรูปแบบคู่มือออนไลน์ที่เปิดให้เข้าถึงได้ฟรี

สาขาและหัวข้อที่เกี่ยวข้อง:

• ทัศนศาสตร์บรรยากาศ
• สีของน้ำ
• สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
• ประวัติศาสตร์ของทัศนศาสตร์
• สมุทรศาสตร์
• สีของมหาสมุทร
• ความลึกเชิงแสง
• สีสเปกตรัม
• ความโปร่งใสและความโปร่งแสง
• สเปกตรัมที่มองเห็นได้
• ความใสของน้ำ
• การสำรวจระยะไกลของน้ำ
• คุณภาพน้ำ

คุณสมบัติทางแสงโดยธรรมชาติและที่ปรากฏ และวิธีการในน้ำ:

• การดูดซับ (รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า)
• อาร์โก (สมุทรศาสตร์)
• สัมประสิทธิ์การลดทอน
• กฎหมายเบียร์-แลมเบิร์ต
• ทุ่นแสงทางทะเล
• การกระเจิง
• ดิสก์เซคคี

วิธีการสำรวจระยะไกลและวิธีการวัดรังสี:

• อัลเบโด
• การแก้ไขบรรยากาศ
• วิทยาศาสตร์โลกของ NASA
• สเปคตรอลอน

• หนังสือเว็บ Ocean Optics ^{[ 1 ] [ 2 ]}