Юлен Очаковский - Свет в море

На каком же расстоянии под водой вообще можно увидеть сравнительно большой предмет, освещенный прожектором?

В широко известном романе Жюля Верна «Двадцать тысяч лье под водой» есть следующие строки: «…чтобы ориентироваться в пути, необходим свет, который рассеивал бы тьму.

…Позади рубки помещается мощный электрический рефлектор, который освещает море на расстоянии полмили» [29] Ж. Верн. Собр. соч., т. 4. М… ГИХЛ. 1956. .

Мы знаем, что Жюль Верн сумел гениально предвидеть пути развития техники на многие годы вперед. В момент издания его книги не могло быть и речи об использовании электроэнергии для движения подводных лодок. Более того, еще даже не были изобретены электрические лампочки накаливания. Но допустим, что на «Наутилусе» действительно был установлен мощный прожектор. Мог ли он осветить море на полмили от лодки и что при этом видел наблюдатель?

Попробуем произвести хотя бы весьма приближенный расчет той доли излучения прожектора, которая могла бы достигнуть поверхности предмета, находившегося от него в полумиле (0,5 морской мили = 926 м).

Допустим «Наутилус» находился ночью (чтобы исключить влияние дневного света) в очень прозрачных океанских водах. Величина показателя ослабления направленного излучения ε для таких вод близка к 0,1 м -1, а показателя ослабления рассеянного излучения α — 0,015 м -1.

Экспериментальные исследования, проведенные советскими гидрооптиками М. Н. Булхургиным и В. П. Николаевым, показали, что на расстояниях, не превышающих глубину исчезновения белого диска, ослабление интенсивности прожекторного пучка происходит по закону Бугера: I z= I 0∙10 -εz.

На больших расстояниях уже рассеявшийся прожекторный луч ослабляется также по закону Бугера, но с показателем ослабления для рассеянного света: I' z= I' 0∙10 -αz.

В чистых океанских водах глубина исчезновения белого диска примерно равна 40 м. Подставим в уравнения имеющиеся у нас данные, приняв первоначальную интенсивность прожектора (I 0) за 1:

Таким образом, на расстоянии 40 м от прожектора интенсивность его света составит всего 1/10000 первоначальной. Далее:

Практически невозможно наглядно представить себе всю ничтожность той доли света, которая даже в очень прозрачной воде дошла бы от прожектора «Наутилуса» до предмета, удаленного от него на полмили. Но и в том случае, если бы прожектор находился рядом с предметом и хорошо его осветил, все равно на таком расстоянии до наблюдателя не смог бы дойти свет, отраженный предметом.

Реальная дальность видимости в различных морях в условиях искусственного освещения определяется прежде всего отражательной способностью поверхности наблюдаемого предмета и прозрачностью воды и вряд ли может превышать 50–60 м.

Интересные данные о видимости под водой при естественном свете недавно были опубликованы американским исследователем Р. Ф. Базби. Так, в районе Майами на глубине 305 м наблюдатели в батискафе могли видеть дно с расстояния 5–6 м. У берегов Калифорнии к западу от Сан-Диего на глубине около 185 м горизонтальная видимость колебалась от 9 до 15 м. Неожиданно хорошая видимость была отмечена у берегов Флориды, где с глубины 190 м можно было различить дно, находившееся на 55 м глубже.

При наблюдениях под водой в условиях естественного освещения дальность видимости во многом зависит от угла, под которым рассматривается предмет. Вызвано это тем, что в верхних слоях моря, где свет еще не полностью рассеян, яркость фона в различных направлениях различна, что сказывается на величине контраста. Кроме того, это обусловливает и различие в яркости вуалирующей дымки в зависимости от направления.

Исследования, проведенные О. А. Соколовым на подводной лодке «Северянка», показали, что в поверхностных слоях моря дальность видимости снизу в прозрачных водах может достигать величины 100 м и более.

При изучении оптических свойств вод морей и океанов видимость погружаемых в море объектов используется весьма широко.

Первые попытки оценить прозрачность морских вод производилась с помощью погружавшихся в море дисков. В большинстве океанографических экспедиций и сейчас еще используют для определения относительной прозрачности стандартный белый диск (диск Секки). Понятие «относительная прозрачность» употреблено нами не случайно. Хотя глубина исчезновения диска зависит главным образом от прозрачности воды, она не определяет количественно ту физическую величину прозрачности, о которой мы говорили ранее. Несмотря на это, измерения с помощью диска позволяют в определенной степени судить об оптических свойствах вод различных морей и океанов. Здесь нас больше интересует вопрос видимости диска под водой. Почему наблюдатель перестает его видеть?

Прежде всего — видимый контраст между диском и фоном. Коэффициент яркости стандартного белого диска примерно равен 0,80. По уже известной нам формуле определим величину действительного контраста между диском и морем:

Чем глубже в море погружается диск, тем больше этот контраст ослабевает. Контраст, который будет видеть наблюдатель, зависит от двух величин: показателя ослабления ε (т. е. от прозрачности воды) и глубины z, на которой в данный момент находится диск, т. е.

K B= 0,39∙10 -εz

Другими словами, чем мутнее вода и тем самым больше значение ε, тем меньше глубина, на которой видимый контраст достигает величины порога контрастной чувствительности глаза (т. е. 0,02) и наблюдатель теряет способность видеть диск.

Казалось бы, по этим двум формулам очень легко точно рассчитать глубину исчезновения не только белого диска, но и вообще любого предмета, задавшись значениями действительного контраста и показателя ослабления. Однако мы совершенно не учитывали ряд моментов, отрицательно влияющих на видимость: изменения угловых размеров диска при его удалении от наблюдателя, уровня освещенности с глубиной и волнения на поверхности моря.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов подробнее.

Специально проведенные экспериментальные исследования показали, что если угловые размеры рассматриваемого предмета становятся меньше 1°, то величина порога контрастной чувствительности резко возрастает. Диаметр стандартного диска 30 см, и на глубине 17 м его угловой размер равен 1°. Но в прозрачных водах диск может быть виден гораздо дальше. Поэтому, для того чтобы результаты наблюдений действительно соответствовали видимости диска в данных водах, необходимо соблюдать определенное соотношение между размерами диска и глубиной его исчезновения. Так, в очень прозрачных океанских водах, где диск виден до глубины 50–55 м, его диаметр должен быть около 1 м.