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.
KB = 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.
Большое влияние на видимость подводных объектов вообще, и в частности диска, оказывают условия освещения. Они определяют как яркость объектов, так и фона, на котором те проектируются. Известно, что с падением уровня яркости способность зрения различать контраст ухудшается. То же самое происходит и в случае значительного увеличения яркости. При наблюдении диска более важным является первое, так как с очень большими яркостями наблюдателю здесь не приходится иметь дела. Поэтому, чтобы правильно оценить глубину исчезновения диска, измерения производят тогда, когда поверхность моря достаточно хорошо освещена.
Обычно очень мешает свет, отражающийся от поверхности моря и попадающий в глаз наблюдателя. Кроме того, даже небольшое волнение на поверхности моря также резко ухудшает видимость. Из-за различия в крутизне волн световые лучи, идущие от диска, по-разному преломляются, переходя из воды в воздух, и изображение диска все время мелькает.
Все эти неблагоприятные факторы могут в значительной степени исказить данные измерений глубины видимости диска и затруднить сопоставление результатов, полученных в разных морях и океанах. Существует ряд правил, которые надо соблюдать, работая с диском.
Так, измерения всегда ведутся с теневого борта, чтобы не мешали блики от света, отраженного поверхностью моря. При волнении больше трех баллов наблюдения вообще не проводятся.
Иногда, чтобы избавиться от этих бликов, за диском наблюдают через зачерненный изнутри ящик, частично погружая его под поверхность моря.
На рассвете и в сумерки наблюдения не проводят, а приурочивают их к светлому времени суток.
В метеорологии существует понятие «метеорологическая дальность видимости». Под этим обычно понимают расстояние, начиная с которого под воздействием дымки утрачивается видимость черного объекта, проектирующегося на фоне неба и имеющего на расстоянии дальности видимости угловые размеры не менее 20 минут.
В оптике моря, хотя и гораздо реже, чем в метеорологии, встречается такое понятие, как «гидрологическая дальность видимости». Правда, строгого определения его не существует. Иногда под этим подразумевается глубина исчезновения стандартного белого диска, а иногда черного.
Американские гидрооптики гидрологической дальностью видимости считают расстояние, на котором первоначальный контраст уменьшается до 1/50 своей величины. Для измерения гидрологической дальности они предложили устройство, состоящее из двух соосных дисков, один из которых белый, а другой, меньшего диаметра, — серый. Расстояние по вертикали между дисками (регулируемое с палубы судна) подбирается так, чтобы яркость их казалась одинаковой для наблюдателя, стоящего на палубе. Естественно, при этом белый диск находится глубже серого. Зная коэффициенты отражения обоих дисков и разницу в их глубине нахождения, нетрудно рассчитать гидрологическую дальность видимости.
Интересные наблюдения можно проводить и с черным диском.
Существует очень простая формула, позволяющая по глубине его исчезновения довольно точно определить величину показателя ослабления ε.
Эта формула имеет вид:
где zчд — глубина исчезновения черного диска (м); ε — показатель ослабления направленного излучения (м-1); П — порог контрастной чувствительности глаза.
Если величину П принять равной 0,02, то
Такой метод определения показателя ослабления называют методом черного экрана.
Изучение видимости под водой представляет собой один из интереснейших и практически важных вопросов оптики моря.
Оптика моря и подводная съемка
Фотокамера опускается на дно
В 1893 г. в заливе Баньюль-сюр-Мэр на Средиземном море французскому ученому Луи Бутану удалось получить первые подводные фотоснимки. Специально для съемки под водой он сконструировал фотокамеру — громоздкое сооружение, погружавшееся на морское дно и управлявшееся водолазом (рис. 55).
В то время снимки делались на неудобных мокроколлодийных пластинках; не было ни легких фотокамер, ни достаточно сильных малогабаритных источников света. Поэтому после Луи Бутана предпринимались лишь единичные попытки фотосъемки под водой, а написанная им в 1900 г. книга «La Photographie sous Marine» («Подводная фотография») оставалась мало известной широкому кругу читателей.
Массовое увлечение подводной фотографией началось лишь в 30-х годах, когда появились малоформатные фотоаппараты, работающие на кинопленке. Для съемок на мелководье используется обычный фотоаппарат, заключенный в водонепроницаемый корпус с выведенными наружу через сальники ручками управления. Фотографирование на больших глубинах, куда человек не может проникнуть даже в глубоководном скафандре, осуществляется с помощью автоматических фотокамер.
Хотя конструкцию подобной камеры Луи Бутан разработал еще в 1899 г., технические возможности того времени не позволили ему использовать изобретение на практике.
Лишь в 1940 г. американцам Юингу, Вайну и Ворзелю удалось получить первые удачные фотографии морского дна на большой глубине. Во время войны их фотокамера успешно использовалась для поисков затонувших судов. В послевоенные годы метод подводного фотографирования начал широко применяться для геологического и биологического изучения морского дна. Это дает возможность ученым детально рассмотреть микрорельеф поверхности дна, выяснить характер слагающих его осадков, обнаружить выходы коренных пород. Следы ряби на морском дне, запечатленные на фотографии, служат доказательством наличия придонных течений. Морские «зверюшки», попавшие в поле зрения объектива, позволяют биологам судить о качественном и количественном составе донной фауны и условиях ее обитания. Фото- и киносъемка являются, пожалуй, единственным средством для изучения следов жизнедеятельности донных животных, не сохраняющихся обычно в дночерпательных и траловых пробах.
Рис. 55. Первые подводные фотосъемки
Быстро вырос мировой рекорд глубины погружения подводной фотокамеры. В 1951 г. американский ученый Давид Оуэн получил фотографию дна океана с глубины 5500 м. Его соотечественнику Гарольду Эджертону в 1959 г. удалось сфотографировать морское дно на глубине 8500 м. Советский исследователь Н. Л. Зенкевич, опустив фотокамеру на дно желоба Кермадек в Тихом океане глубиной 9960 м, получил лишь неясные фотографии мути, так как дно желоба было целиком покрыто жидким илом, в который, по-видимому, полностью погрузилась фотокамера. Удачные фотографии океанского дна Зенкевич получил в Тихом океане на глубинах до 6150 м. Им была сконструирована и изготовлена двухобъективная подводная фотокамера для стереоскопической съемки морского дна. Помимо объемности изображения стереофотографии дают возможность увидеть гораздо больше деталей, нежели обычные фотоснимки. На рис. 56 показано скалистое дно, почти лишенное осадочного покрова. Лишь в небольших углублениях видны скопления белого глобигеринового песка. На поверхности дна лежит несколько крупных офиур. Обычные приборы для взятия проб грунта с такого дна приходят, как правило, пустыми.
