Первые опыты по определению светопроницаемости воды были проведены с белыми дисками. Их спускают в море и следят, на какой глубине они перестают быть видимыми. Получены самые различные цифры. В Средиземном море глубины колебались от 32 до 60 метров.
Фактором, уменьшающим надежность результата, был при этом, конечно, человеческий глаз - орган далеко не объективный. Значительно более точными были опыты, при которых в море погружались высокочувствительные фотографические пластинки, хорошо защищенные от проникновения воды. Но и при этом получены не совсем одинаковые результаты. В Женевском озере на глубине 100 метров свет уже не действует на пластинку. Однако последние измерения, произведенные в Саргассовом море - одной из частей Атлантического океана между Канарскими и Антильскими островами, - показали, что до глубины 100 метров проникает свет всех цветов, до глубины 500 метров заметны лишь голубые лучи; установлено также, что свет действует на фотографическую пластинку до глубины 1000 метров. Правда, Саргассово море чрезвычайно прозрачно и опыты производились летним днем при сияющем солнце.
В Средиземном море в последнее время специальным фотоаппаратом обнаружено наличие дневного света только до глубины 500 метров. Правда, речь шла лишь о следах света, интенсивность его на этой глубине составляла только миллионную часть силы света, замеренной на поверхности.
Фотометр, который опускали в море на различные глубины в тихий день, при ярком солнечном свете, показал, что уже на глубине 1 метра интенсивность света понизилась почти на половину, на глубине 3 метров она уменьшилась до одной трети. Однако с этого момента интенсивность стала уменьшаться значительно медленнее. Водолазы и экипажи подводных лодок рассказывают, как быстро меркнет свет при погружении в воду. Уже на глубине нескольких метров свет резко ослабевает. Но во всяком случае глубины, на которых могут производиться полезные работы, например, работы по подъему судна, еще достаточно светлы, чтобы обходиться без искусственного освещения. Автор книги разговаривал в Херингсдорфе с водолазом, который на дне Балтийского моря уже много лет взрывает затонувшие корабли и прожигает в них отверстия для подъемных цепей. В то время - это было поздним летом 1954 года - он работал в 12 километрах от Херингсдорфа на глубине 16 метров на большом норвежском 8000-тонном корабле неизвестного названия, который в конце войны подорвался на мине и затонул. "Условия освещения здесь хорошие, - рассказывал он, - я видел вокруг себя примерно на 10 метров". Когда он смотрел вверх, он видел тень корабля. Солнца в форме шара не видно, но если его загораживает туча, уменьшение освещения заметно и на дне моря. Даже лунный свет достаточно ощущается на этой глубине. Наибольшая глубина, которая может быть достигнута водолазами, - 130 метров, но и она для спасательных операций фактически уже недосягаема, так как никаких работ производить на такой глубине нельзя. Глубина, на которой можно еще что-то делать - во всяком случае выполнять более или менее тяжелую работу, - не превышает 40 метров. На таком удалении от поверхности можно еще вполне обходиться естественным светом и в зависимости от условий освещения на поверхности видеть на расстоянии до 8 метров. Только с 600 метров для человеческого глаза наступает полная темнота.
Огромное значение в жизни водоемов имеет свет и его проникновение. От этого зависит жизнь растений и организмов: чем дальше свет будет проходит в толщу воды, тем глубже будут расти растения. Но при изучении вопроса о проникновении света нужно учесть множество "переменных".
Факторы, влияющие на проникновение света
Свет проникает в толщу воды на глубину, при этом освещение зависит от разных внешних факторов. Например, при закате солнца меньшее количество света проходит под слои воды, чем в полдень, а на севере он проникает хуже, чем на юге и т. д.
Вода в водоемах не бывает чистой, в ней обязательно присутствуют разные вещества: грунт, пыль, остатки разлагающихся организмов, ил, мелкие животные и растительность, пузыри воздуха, газ. А при дополнении таких факторов как ветер, конвекционные потоки, атмосферные явления, увеличивается.
Особенно крупным водоемам это достается от рек, впадающих в них. Все эти частицы поглощают иди ослабляют свет. Лучи, которые встречают на своем пути подобные препятствия, изменяются и могут рассеиваться по сторонам. От этого и зависит, проникает свет в толщу воды на глубину или нет.
Наиболее прозрачная вода была зафиксирована в Саргассовом море, там она достигала шестидесяти шести метров, а в Азовском - не более двенадцати сантиметров.
Солнечный луч
Он состоит из видимых и невидимых спектров, инфракрасные и ультрафиолетовые относятся к последнему. Вода в море по-разному вбирает в себя Так на глубине в половину метра поглощается только инфракрасное излучение, поэтому свет на такой глубине белый.
Если погрузиться на пять метров, то к свету добавляются еще другие оттенки: синий и зеленый. Чем глубже уровень, тем больше поглощаются красные и желтые, а остаются синие и зеленые цвета. Если опуститься на глубину в пятьдесят метров, море будет приобретать синюю окраску.
Одним американским ученым было проведено исследование без применения различных приборов, чтобы проверить: свет проникает в толщу воды на глубину или нет. Он был погружен в специальном аппарате на 900 метров в районе Саргассового моря. Так на уровне 50 метров он видел воду в зеленом цвете, 60 - в сине-зеленом, 180 - чисто в синем цвете, 300 м в черно-синем, 580 - был еле виден свет, а наиболее нужные для водных организмов красные и желтые лучи пропали самыми первыми.
Свет для растительности вод
С помощью разных приборов лучи можно зафиксировать и в очень глубоких местах, но для растительности этого уже мало, фотосинтезу нужно больше красного света, отсюда и скудная растительность на глубине двухсот метров, даже прозрачного моря. В Балтийском море донная флора распространяется не ниже двадцати метров, а в Средиземном - на ста шестидесяти.
Интересен тот факт, что растительность морей растет более равномерно по горизонтали, чем на земле - это говорит об одинаковом распределении солнечных лучей и минеральных веществ, необходимых для них.
Проникает свет в толщу воды на глубину или нет влияет также на окрас животного мира и растений. Если в верхних слоях живность окрашена в бурые и красные оттенки, то на глубинах преобладают черные и лишенные цвета животные.
Хотя солнечный свет не проникает в толщу воды океана до самого дна, однако глубина не совсем черная без него. В той темноте попадаются точки света - это светящиеся рыбы, которые используют свое умение для привлечения добычи. На такой глубине не солнце или малые крупицы его света - ресурс для существования: сера и кислород, которые выделяются из термальных растворов, являются источником жизни.
Проникновение света в воду и лед
Из вышесказанного понятно, что разные частицы задерживают свет и его проникновение в воду, а тем более снег и лед в зимнее время года. Так ледяной слой в 50 сантиметров пропустит менее 10 процентов света, а если он еще и покрыт снегом, проникновение будет всего в 1 процент.
До какой глубины проникает свет в толщу Байкала
При изучении вопроса о глубине проникновения света в Байкале, в 2012 году учеными случайно установлен факт, «свечения» воды в этом озере, но глазам человеческим этого увидеть не дано, это лишь подтверждается специальными приборами.
Оказывается, что вода этого озера производит свет в любом месте, но на глубине уменьшается его насыщенность. Недалеко от острова под названием Ольхон, где находится станция, был установлен факт минимального свечения - сто фотонов. Этот феномен связывают с чистотой воды, а его интенсивность - с временем года.
С середины зимы жизнь «свечения» как будто замирает, а далее возрождается. В то время, когда проводились исследования, начало возрождения пришлось на таинство Крещения. Факт свечения воды в этом месте недостаточно изучен, это еще только предстоит ученым.
Ранее при исследовании вопроса о том, как глубоко в толщину воды проникает солнечный свет в этом озере, была выдвинута цифра в 100 метров, но космические исследования показали, что дно можно увидеть на глубине в 500 метров. Отсюда предполагается, что лучи могут проникнуть до 1000 метров. И этот вопрос сегодня подлежит обширному исследованию.
Глубоководники утверждают, что, опустившись на 800 метров, можно еще увидеть дневной свет, а исчезновение его полностью при регистрации фотопластинкой происходит на 1500 метрах.
Многие исследователи часто задавали вопрос: а на какой глубине в море вообще исчезает солнечный свет? Подобную задачу в общем виде еще два века назад сформулировал Пьер Бугер: «Зная из опыта уменьшение, претерпеваемое светом при прохождении известной толщи прозрачного тела, определить толщину, которую необходимо придать телу, дабы сделать его непрозрачным» .
При этом Бугер считал, что Солнце становится полностью невидимым, если его свет ослабить в 900 млрд. раз.
Мы легко можем найти такую глубину в море, если зададимся соответствующим значением показателя вертикального ослабления?. В прозрачных водах для сине-зеленого участка спектра оптимальная величина? равна приблизительно 0,02 м -1 . Подставляя это значение? в формулу: Ф z / Ф 0 = 10 -?z , без труда находим глубину, на которой солнечный свет ослабляется в 10 12 раз: z = 12 / 0,02 = 600 м. В более мутных водах эта глубина, естественно, будет значительно меньше.
Американский биолог Биб, опустившись в батисфере почти на километровую глубину, смог собственными глазами увидеть наступление этого «царства вечной ночи»: «Тьма на глубине 750 метров казалась черней, чем можно вообразить, - и все же теперь (на глубине около 1000 м) она казалась чернее черного. Казалось, все предстоящие ночи в верхнем мире будут восприниматься только как относительные ступени сумерек. И никогда более не мог я применять слово „черный“ с твердым убеждением» .
И все же современные приемники света - фотоэлектронные умножители - позволяют фиксировать наличие солнечного света и на таких глубинах. Ведь самые чувствительные из этих приемников способны улавливать даже отдельные фотоны!
Расчет показывает, что если в ясный солнечный день опустить такой приемник на глубину 1000 м, то в прозрачных водах (со значением показателя вертикального ослабления?=0,02 м -1) он будет регистрировать попадание примерно одного фотона в секунду.
Солнечный свет проникает и на большие глубины. Глубины 1200 м достигнет лишь один фотон из каждых 10 24 , падающих на поверхность моря; здесь наш приемник фиксировал бы попадание фотона примерно один раз в сутки. На глубине 1500 м - один раз в 300 лет!
Вероятность проникнуть на дно Марианской впадины - самого глубокого места в океане - у фотона солнечного света настолько мала, что вряд ли такое событие произойдет хотя бы один раз за всю историю человечества.
П. Бугер. Оптический трактат о градации света…
В. Биб. На глубине километра. М.-Л., Детгиз. 1937.
Естественный световый поток по всей толще воды ослабляется в основном за счет поглощения.
Рассеяние света в меньшей степени ослабляет световой поток, так как направление рассеяния незначительно отклоняется от первоначального направления потока.
Глубина проникновения света в воду определяется показателем поглощения и зависит от поверхностной освещенности.
Освещенность поверхности моря в свою очередь зависит от угла подъема солнца над горизонтом и от облачности.
Проследим за лучом света, проникающим в воду. Пучок световых лучей, падая на водную поверхность, частично отражается от нее и, частично преломившись, проходит вглубь. На схеме (рис. 4) видны углы падения луча света, преломления и отражения его от поверхности воды. Угол преломления i" 1 отличается от угла падения и зависит от показателя преломления n. Угол отражения i 2 зависит от величины угла падения i и равен ему.
Рис. 4. Схема отражения и преломления луча света от водной поверхности. i 1 - угол падения светового луча на поверхность воды; i 2 - угол отражения светового луча от поверхности воды; i 1 " - угол преломления светового луча при прохождении через водную поверхность; n 1 = 1 - показатель преломления для воздушной среды, n 2 = 1,337 - показатель преломления для водной среды
Кроме напр а в ленного солнечного света, под воду попадает еще и рассеянный свет от облаков и неба. В воду проникает до 95% диффузного света. Большую роль в прохождении направленного света в воду играет состояние водной поверхности. Чем больше взволнована она, тем меньше света отражается и тем более рассеяно будет подводное освещение.
Природная вода (рис. 5) очень интенсивно ослабляет световой поток, но в то же время световые лучи в разных участках спектра поглощаются водой по-разному. Являясь хорошим светофильтром, вода интенсивно поглощает лучи красной области спектра, сравнительно слабо уменьшается в прозрачной воде количество голубых лучей.
Графики, показанные на рис. 6, наглядно иллюстрируют изменение качества света в зависимости от длины волны света в миллимикронах и от загрязненности воды. Они построены для пути света в воде, равного 3 м. Все кривые на графиках имеют минимальные значения в красной части спектра. Физическую сущность воды как светофильтра можно оценить по первому графику, построенному для чистой океанской воды.
По этой кривой видно, что чистая вода пропускает до 95% света в голубой части спектра, поглощая в то же время до 60% красного света.
Взвешенные же в воде частицы, являясь причиной рассеяния света, в то же время в значительной мере поглощают и голубые лучи. По графику для мутной прибрежной воды (рис. 6) можно заметить, что количество света в голубой части спектра поглощается такой водой до 80%. Количество света, поглощенного в красной части спектра, в этом случае будет равно 90%. Поэтому предметы в мутной воде кажутся желтыми.
Из рассмотренных графиков видно, как качественно и количественно изменяется освещенность на различных глубинах и как на нее влияют физические свойства воды и ее загрязненность. Многочисленные же опыты в свою очередь показали, что уже на глубинах 3 м в условиях прибрежной чистой воды остается только 40% яркости надводного освещения.
При цветном подводном фотографировании ослабление лучей красной части спектра значительно усложняет процесс проявления негатива и последующую цветную печать позитива. При черно-белом фотографировании на панхроматических негативных пленках, наиболее равномерно чувствительных ко всем лучам видимого спектра, ослабление или отсутствие красных лучей, нарушая цветной баланс, снижает контраст изображения.
Для уменьшения преобладающего влияния синих лучей, т. е. для снятия дымки и получения более четких снимков, при черно-белой подводной фотографии, и для получения цветного баланса, по которому сенсибилизирована * цветная пленка, при цветной подводной фотографии, необходимо пользоваться корректирующими светофильтрами.
* (Сенситометрия фотографическая - учение об измерении фотографических свойств светочувствительных слоев. Сенсибилизация - очувствление светочувствительных слоев пленки к красному свету. )
На рис. 7 приведены кривые пропускания света в воде на глубине 3 м . Кривые получены путем коррекции светового потока светофильтрами типа ПС-10 и исправления графиков с учетом этой коррекции.
Кривые пропускания света, полученные путем корректирования, имеют незначительные максимумы на границах голубой и красной частей спектра и незначительный минимум в его желтой части.
При таких соотношениях длин волн вполне возможны качественные снимки как при черно-белой, так и при цветной фотографии.
Однако, если проанализировать по кривым количество света, прошедшее через воду и корректирующееся светофильтрами, то окажется, что оно очень мало. Уже на глубине 3 м для прибрежной мутной воды суммарный коэффициент пропускания равен всего 10%, т. е. всего лишь 1 / 10 часть света может активно участвовать в процессе фотографирования. Если величину пути света, равную 3 м, брать как сумму, состоящую из пути света от поверхности воды до снимаемого объекта плюс путь света от снимаемого объекта к фотокамере, то в прибрежной воде средней мутности на глубине 1,5 л и при удалении от снимаемого объекта на расстоянии 1,5 м необходимо увеличить экспозицию в 10 раз по сравнению с надводной экспозицией.
Светофильтры типа ПС-10 корректируют световой поток, срезая коротковолновую часть спектра. При этом количество света для подводных съемок становится недостаточным.
Особенно слаба подводная освещенность в мутной воде. Работая осенью 1962 г. в Рижском порту, автор погружался в р. Даугаву. В то время обильные дожди вызвали очень сильное загрязнение речной воды. И уже на глубине 3 м совершенно невозможно было определить, где находится поверхность воды, освещенная солнцем.
При подводных съемках на черно-белую пленку для корректирования светового потока могут быть использованы оранжевые и желтые светофильтры: ОС-12, ЖС-12, ЖС-18. Эти светофильтры имеют кратность в несколько раз меньшую, чем красные светофильтры. Как уже отмечалось, в различных природных водах, при одинаковых условиях естественного освещения, подводная освещенность неодинакова.
В морской воде в ясный, солнечный день при глубине видимости белого диска Z = 20 м, на глубине 25-30 м светло, как на воздухе в пасмурный день. Свет на этой глубине зеленоватый.
Летом 1962 г. автор в составе группы подводных исследователей погружался в Татарском проливе Японского моря для осмотра легендарного фрегата "Паллада". Судно затонуло на глубине 20-25 м , и иногда в хорошую погоду его очертания проглядывались с поверхности. Спустившись в легководолазном снаряжении к останкам корабля, мы попали в холодный зеленоватый сумрак. Все яркие краски были приглушены, детали корабля, обросшие водорослями, тонули в полумраке. Морские звезды, яркие на поверхности, с оранжевыми и фиолетовыми лучами, были похожи на бесцветные куски ткани, разбросанные по дну.
Жорж Гуо и Пьер Вильм, опускавшиеся в батискафе в Средиземном море, считают, что на глубине 500 м пропадают всякие признаки света. Во время погружения около Бермудских островов они отмечали, что на глубине 200 м - свет синий, глубже - фиолетовый, а на глубине 600 м царит тьма.
При съемках подо льдом на Рыбинском водохранилище Д. С. Павлов и Д. С. Николаев собрали материал по местной подледной освещенности. Оказалось, что при поверхностной освещенности льда, равной 2000-4000 лк, освещенность на глубине 0,5-1 м от нижней поверхности льда равнялась всего нескольким сотням люкс. Толщина льда во время замеров освещенности была равна 45 см , а толщина снежного покрова колебалась от 0 до 15 см .
В. С. Лощилов в работах по морским подледным стереоскопическим съемкам указывает на то, что естественная освещенность нижней поверхности льда вполне достаточна для ее фотографирования без искусственных источников освещения. Лед толщиной в 1,5 м пропускает 20% света. При высоте стояния солнца над горизонтом, равной 20°, освещенность подо льдом в этом случае будет 1500 лк.
Практика съемок показала, что при толщине морского ледяного покрова до 1,5 м освещенность в ясный полдень подо льдом позволяет фотографировать без подсвета, однако с началом таяния снега светопрозрачность заметно уменьшается.
Также сильно понижает подледную освещенность снежный покров.
Подводный охотник с подстреленным бычком. Фотосъемка произведена в Татарском проливе Японского моря, глубина 3 м. Ширина пленки 35 мм, чувствительность 180 ед. ГОСТ, экспозиция 1/125 сек, освещение естественное. Объектив "Гидроруссар 5". Фото автора
Подводное фотографирование подо льдом и фотосъемки в загрязненных водах невозможны без применения специального фотосъемочного оборудования с устройством для искусственного освещения.
Для определения экспозиции при подводных съемках многие специалисты пользуются фотоэкспонометрами "Ленинград-1" и "Ленинград-2", помещая их в специальные изолирующие коробки. В таких коробках имеются прозрачные иллюминаторы и приводы к шкалам прибора. Однако первые опыты по использованию экспонометров во время съемок под водой выявили ошибочность их показаний в подводных условиях.
О. А. Соколов подсчитал поправки к показаниям отечественных экспонометров. Результаты их применения оказались довольно интересными. Так, в Средиземном море уже на глубине 25 м необходимо увеличить экспозицию в 2 раза по сравнению с показанием прибора, а на глубине 75 м - в 5 раз.
Такое завышение показаний экспонометра вызвано различием спектральных соотношений света под водой и на поверхности.
Обычно экспонометр корректируется в соответствии с чувствительностью пленки к естественному свету. Поэтому в каждом конкретном случае подводной фотосъемки при использовании экспонометра следует обязательно сопоставить его показания с результатами, полученными при контрольной съемке.
На большие глубины моря проникает мало солнечных лучей. Это происходит, прежде всего, потому, что не все солнечные лучи проникают в воду. Часть их отражается. При этом, чем ниже стоит солнце над горизонтом, тем больше лучей отражается от поверхности моря.
Известно, что белый свет - свет сложный. Он состоит из различных цветов. Проникая в воду, солнечный луч распадается на свои составные части; при этом лучи разных цветов проникают на различную глубину. Красные лучи полностью поглощаются первыми несколькими десятками метров воды, зелёные почти исчезают на глубине в 100 метров. Только фиолетовые лучи проникают глубже, но и они исчезают на глубине более 1500 метров. Был проведён такой опыт. В море в особом приборе - фотометре была выставлена фотографическая пластинка на глубине в 1700 метров, и, несмотря на трёхчасовую выдержку, пластинка не потемнела. Следовательно, на этой глубине нет даже признаков света.
О том, как много света поглощает вода, могут дать представление следующие цифры: на глубине в 10 сантиметров под поверхностью воды имеется только 80 процентов света, упавшего на поверхность; на глубине в 20 метров света уже остаётся 10 процентов; на глубине 50 метров - всего 1 процент и на глубине 100 метров - только 0,002 процента от света, падающего на поверхность моря.
Распространение водных растений на глубине зависит от проникновения света в воду. Они, как и растения суши, нуждаются в солнечном свете и поэтому на глубине более 200 метров не встречаются.
В океанах и морях наблюдают удивительное явление свечения моря. На суше часто можно видеть различных светляков; это - гусеницы, жуки и др. Но такого массового явления, как свечение моря, на суше не бывает. Иногда море бывает покрыто ровной пеленой молочного света. Свет то усиливается, то ослабевает. Это деятельность некоторых морских бактерий. Гораздо чаще на море можно видеть массу мелких вспышек белого, зелёного или красноватого цвета. Это светятся одноклеточные существа, называемые "ночесветками", Кроме того, в море светятся различные рыбы, раки, медузы и другие животные. Они дают яркие большие вспышки, главным образом, от механического раздражения: от удара волны, от соприкосновения с корпусом корабля и т. п.
Свечение моря представляет красивую картину. Однако во время войны светящиеся организмы могут демаскировать идущий втайне ночью корабль, расставленные мины и т. п. и вызывают законную тревогу моряка.
Загрузка...
