Подводная киносъемка
Особенности водной среды, влияющие на проведение подводной киносъемки. Свойства водной среды. Преломление света в воде.
ГЛАВА I.
Относительно чистая вода, так же как и относительно чистый воздух, являются средами прозрачными для световых лучей и поэтому пригодными для киносъемок.
Чем же отличается водная среда от воздушной с точки зрения возможностей производства киносъемок? Различия в физических свойствах обеих сред велики. Прежде всего вода представляет собой жидкость, в то время как воздух — есть смесь газообразных веществ. Вес одного литра морской воды равен 1,03 кг, а вес одного литра воздуха равен всего лишь 1,3 г. Следовательно, плотность морской воды в 770 раз превышает плотность воздуха.
Взгляните на нырнувшего пловца через волнистую поверхность водной глади (рис. 1), и вы увидите изломанные линии человеческого тела.
Или опустите в воду палку, она покажется вам сломанной на границе вода — воздух, а предмет, лежащий на дне водоема, покажется расположенным ближе, чем на самом деле. Причина этих явлений в большом различии в плотностях этих двух сред.
Веществам с различной плотностью присущи различные показатели, или, как иногда говорят, коэффициенты преломления света. Если для воздушной среды показатель преломления близок к единице, то для морской воды он равен 1,33. Это приводит к тому, что световые лучи при переходе из воздушной среды в воду, или наоборот, меняют свое направление, что и вызывает оптические искажения при наблюдении предметов и явлений через поверхность воды. Если мы погрузимся в воду и откроем глаза, то ничего, кроме расплывчатых пятен, не увидим.
Причина опять-таки в различии показателей преломления воды и воздуха.
Оптическая система глаза человека, состоящая из хрусталика и глазных сред, хорошо приспособлена для фокусирования оптического изображения на светочувствительной сетчатке глаза в воздухе и оказывается совершенно непригодной при наблюдении в воде без специальных защитных приспособлений. Это объясняется тем, что показатели преломления среды оптической системы глаза и воды близки друг другу (для глазных сред 1,3) и хрусталик не в состоянии преломить световые лучи так, чтобы изображение на сетчатке было в фокусе. Исключение составляют лишь люди, страдающие близорукостью,— они плохо видят в воздухе и для компенсации недостатков глаз им приходится применять очки.
Таким образом, глаза приспособлены для наблюдений в воздухе, поэтому для наблюдения в воде требуется наличие воздушной прослойки между глазом и водной средой.
Воздушная прослойка обеспечивается применением специальных защитных очков или масок. Но и в этом случае разница в показателях преломления воды и воздуха приводит к оптическим искажениям.
Все предметы в воде кажутся увеличенными по размеру и приближенными к наблюдателю примерно на одну треть истинного расстояния до них. При использовании плоских стекол в защитных масках происходит искажение масштаба изображения в пределах поля зрения. Так получается потому, что лучи, падающие перпендикулярно на поверхность стекла маски, при прохождении через стекло и воздушный промежуток не преломляются, а лучи, падающие наклонно^преломляются тем больше, чем больше угол падения этих лучей.
Для того чтобы в воде можно было наблюдать все предметы и явления точно так же, как и на воздухе, и иметь правильное представление о размерах этих предметов, нужно применять для масок не обычные плоские стекла., а выпуклые, специальным образом рассчитанные линзы, которые устраняют оптические искажения, возникающие из-за различной оптической плотности сред.
Объективы обычных киноаппаратов, рассчитанные для применения в воздушной среде, могут быть использованы и для съемки под водой. Однако надо иметь в виду, что плотность водной среды влияет на киносъемочный объектив так же, как и на оптическую систему человеческого глаза. Поэтому обычный киносъемочный объектив аппарата, приспособленного для подводной съемки, должен быть отделен от воды воздушной прослойкой. Если для этого применить иллюминатор из плоского стекла, то при переходе лучей из водной среды в воздушную возникает их преломление. Преломление лучей приводит к тому, что угол зрения объектива уменьшается. Объекты на киноизображении получаются более крупным планом, и, таким образом, фокусное расстояние объектива при съемке под водой как бы увеличивается.
Применение наиболее доступных кинолюбителю плоскопараллельных иллюминаторов приводит к различию масштабных искажений в разных точках поля изображения. Для устранения оптических искажений при подводной киносъемке в качестве иллюминаторов защитных боксов нужно использовать специальные корректирующие линзы (подробней об этом см. в главе III).
ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ВОДЕ.
Вода в природных водоемах никогда не бывает абсолютно чистой. Она растворяет различные соли и другие вещества. Кроме того, в воде всегда присутствует множество мельчайших и крупных частиц, которые имеют различный размер, форму, материал и физические свойства. Ими могут быть пылинки, осевшие в воду из атмосферы, частицы грунта, поднявшиеся со дна, останки погибших живых организмов, частицы ила, мельчайшие животные и растительные организмы, так называемые зоо- и фитопланктон, мелкие пузырьки воздуха и различных газов. Одни частицы, плавая, как бы парят в воде в силу того, что их удельный вес равен удельному весу воды, другие — подхватываются потоками водных масс.
В результате соприкосновения верхних, более прогретых солнцем слоев с более холодными нижними слоями воды в морях и озерах существуют конвекционные потоки; ветры вызывают волнения водных масс и поверхностные течениц; атмосферные явления усиливают водообмен между сушей и морями или озерами. Все эти явления способствуют насыщению воды природных водоемов взвешенными частицами. Особенно большое количество взвесей присутствует в реках. Впадая в море, реки несут с собой такое обилие мути, что в местах их впадения морская вода на значительных акваториях становится малопрозрачной. В прибрежных районах моря во время шторма с грунта также поднимаются частицы песка и ила, которые подолгу не оседают.
Инородные частицы и растворенные непрозрачные вещества приводят к поглощению и рассеянию световых лучей в водной среде.
Световой луч какого-либо источника света, идущий прямолинейно в водной среде и встречающий на своем пути инородную частицу, претерпевает ряд изменений. Часть энергии этого луча поглощается частицей, а другая — рассеивается в разные стороны. Как это происходит?
Если частица соизмерима с длиной волны упавшего на нее луча света,- она начинает совершать вынужденные колебательные движения с частотой световой волны и, таким образом, сама становится источником колебаний световой энергии. Часть энергии при этом расходуется на нагревание среды в результате трения и является поглощенной частью световой энергии, а другая часть рассеивается в разные стороны.
Размер частиц сильно влияет на характер рассеяния. Когда частицы настолько малы, что их диаметр много меньше длины световой волны и равен сотым и тысячным долям микрона, луч света, упавший на такую частицу, рассеивается во все стороны практически одинаково. При этом количество света, отбрасываемое частицей назад, равно количеству света, распространяющегося в направлении упавшего луча. Такое рассеяние иногда называют релеевским— по имени ученого, исследовавшего этот тип рассеяния света.
Размер рассеивающей частицы и длина волны упавшего на нее луча света могут быть одинаковыми, тогда количество световой энергии, рассеиваемой в направлении падения светового луча, возрастает примерно в 2,4 раза по сравнению с количеством световой энергии, отброшенной назад.
С дальнейшим ростом диаметра частицы относительно длины световой волны количество света, рассеиваемого в направлении луча, еще более увеличивается.
На рис. 2 приведены диаграммы рассеивания светового луча, упавшего на частицы различных размеров по отношению к длине волны. На этом рисунке изображен луч света, падающий на частицу, находящуюся в точке О. Длина лучей, расходящихся веером от точки О, показывает в масштабе, какая часть энергии светового луча рассеивается в ту или иную сторону.
Но не только та вода, в которой присутствуют посторонние взвешенные частицы, поглощает и рассеивает свет. Оказывается, таким свойством обладает и вода,»совершенно свободная от всяких взвесей. Как бы ни была чиста водная среда, явления поглощения и рассеяния света выражены в ней во много раз сильнее, чем в воздухе. От этих явлений не свободна даже абсолютно чистая, дистиллированная вода.
Почему же абсолютно чистая и совершенно однородная и прозрачная среда рассеивает свет?
Это происходит потому, что водная среда состоит из отдельных мельчайших частиц — молекул. Под действием тепла молекулы непрерывно двигаются, перемещаются с места на место и, сталкиваясь друг с другом, меняют направление движения.
В результате в какой-то момент времени в одном единичном объеме, например в 1 куб мм воды, молекул оказывается несколько больше, чем в соседнем точно таком же объеме. Плотность воды, а следовательно, и показатель преломления в этих двух объемах оказываются немного различными.
Таким образом возникает оптическая неоднородность, которая и приводит к некоторому искривлению светового луча. Движение молекул происходит непрерывно во всей массе воды, и поэтому все время образуются зоны плотные и разреженные, лучи света претерпевают многократное искривление, что приводит к рассеянию света. Такой вид рассеяния света называется молекулярным.
При прохождении света через чистую воду часть его тоже поглощается, т. е. идет на нагревание воды. Особенно сильно поглощаются инфракрасные и красные лучи, но об этом будет подробней сказано ниже.
ПОДВОДНЫЙ ТУМАН. ОСЛАБЛЕНИЕ СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ.
Условия съемки в воздушной среде не всегда одинаковы. Иногда от присутствия в воздухе посторонних частиц, вызывающих оптическую неоднородность воздушной среды, съемки затрудняются или оказываются невозможными. Во время тумана, дождя, измороси, снегопада и т. д. ухудшается видимость не только удаленных, но и близлежащих объектов, меняются их цветность и контраст.
Съемки под водой происходят в еще более сложных услбвиях. Наличие в воде огромного количества всевозможных взвесей приводит к образованию своеобразного плотного подводного тумана. Частицы взвесей поглощают и рассеивают в воде световые лучи так же, как это делают мельчайшие капельки воды, образующие туман в воздухе.
Таким образом, подводную киносъемку всегда приходится проводить в условиях тумана, поэтому дальность видимости объектов под водой относительно мала и колеблется в очень ограниченных пределах, в зависимости отколичества взвесей.
В реках и прудах она составляет лишь несколько десятков сантиметров, а в открытых, наиболее прозрачных морях — несколько десятков метров.
Явления поглощения и рассеяния света под водой приводят к общему ослаблению световых лучей, распространяющихся в водной среде.
На рис. 3 приведена схема, поясняющая процесс ослабления световых лучей в воде.
Луч света, отразившийся от объекта съемки в точке А, проходит через толщу воды и через защитное стекло С, попадает в объектив киноаппарата О. При прохождении через водную толщу луч встречает на своем пути множество взвешенных частиц. Эти частицы, как мы уже знаем, поглощают и рассеивают часть световой энергии луча. Поглощенный свет превращается в тепло, а рассеянный свет распространяется в разные стороны. По мере продвижения в водной толще луч все больше и больше теряет свою энергию, и чём длиннее путь луча, тем больше он ослабляется. В конце концов может случиться, что вся световая энергия луча окажется рассеянной, а объект, отражающий этот луч, перестает быть видимым.
Действие водной толщи на световые лучи аналогично действию мутного светофильтра. Ослабление световых лучей, прошедших определенное расстояние в воде, можно подсчитать, зная коэффициент пропускания света толщей воды. Для этого нужно первоначальную интенсивность света помножить на значение коэффициента пропускания. Коэффициент пропускания света зависит от толщины слоя воды. Чем больше эта толщина, тем меньше оказывается коэффициент пропускания света. Но прямой пропорциональности между этими величинами нет, зависимость между ними более сложная.
Коэффициент пропускания водной толщи вычисляют по следующей формуле:
tL=10-EL
где tl — коэффициент пропускания слоя воды толщиной L метров, а E — показатель ослабления водной среды.
Показатель ослабления — есть оптическая плотность толщи воды, равной 1 м.
Ослабление света водой обусловлено его поглощением и рассеянием, поэтому показатель ослабления е зависит от обоих этих процессов. Его можно представить как сумму двух показателей: показателя поглощения К и показателя рассеяния а.
Таким образом: е=K+a.
Как правило, в природной воде процессы рассеяния преобладают над процессами поглощения света, поэтому показатель рассеяния значительно больше показателя ослабления.
Значение показателя ослабления видимого света для идеально прозрачной воды близко к 0,01 1/м.
Для морской воды в прибрежных районах его значение может доходить до 0,2—0,3 и даже больше.
Меньше всего ослабляют световые лучи чистые океанские воды. Они пропускают через толщу в 1 м около 70% света.Прозрачность прибрежных вод меньше. Пропускание света слоем прибрежной воды толщиной в 1 м обычно не превышает 50%, в бухтах — 20—30%, в озерах — 5— 10%, а в реках доходит до 1—2%.
Итак, световые лучи при прохождении через толщу воды претерпевают значительное ослабление. Ослабление лучей, идущих от объекта съемки, расположенного под водой, ведет к тому, что кажущаяся яркость объекта уменьшается. И чем дальше мы будем отходить от этого объекта, тем меньше будет казаться его яркость. Кажущееся различие между светлыми и темными частями объекта тоже будет уменьшаться. Все это может привести к тому, что освещенность изображения и его контраст могут оказаться недостаточными для нормального экспонирования кинопленки. В этом случае необходимо усилить освещенность объекта, чтобы повысить его истинную яркость, но практически это не всегда возможно.
Кажущееся уменьшение контраста объекта в воде происходит не только за счет ослабления света.
Наденем защитную маску и будем наблюдать под водой объект, окраска которого состоит из черных и светлых пятен. Удаляясь от объекта, мы обнаружим удивительное явление. Наряду с уменьшением яркости светлых пятен темные пятна начнут просветляться, и чем дальше мы будем отплывать от интересующего нас объекта, тем больше они будут светлеть. Наконец, наступит такой момент, когда светлые пятна потемнеют, а черные посветлеют настолько, что их яркость будет одинакова и сравняется с яркостью фона, т. е. с яркостью подводного тумана, и объект перестанет просматриваться’.
Причина, оказывается, опять-таки в рассеянии света. Пространство между объектом и наблюдателем пронизывается множеством световых лучей, приходящих с разных направлений. Сверху идут прямые солнечные лучи; снизу— лучи, отраженные от дна; с разных сторон распространяются лучи, отраженные от взвешенных частиц, образующих подводный туман.
Световые лучи, попадая на взвеси, плавающие в воде, вызывают свечение частиц взвесей. В результате образуется своеобразная световая завеса. Она имеет определенную яркость, которая, накладываясь на яркость наблюдаемых объектов, «просветляет» черные детали объектов при наблюдении их с некоторого расстояния.
Яркость световой завесы принято называть вуалирующей. Вызванная свечением взвешенных частиц, находящихся между объектом съемки и фоном, вуалирующая яркость снижает контраст объекта съемки, ухудшает условия видимости и съемки.
Представим себе, что в воде отсутствует ослабление света и мы наблюдаем объект, окраска которого состоит из белых и черных полос, как это изображено на рис. 4. Вуалирующая яркость световой завесы накладывается на яркость наблюдаемых черных и белых полос; при этом видимая яркость тех и других полос, казалось бы, должна возрасти.
Однако в связи с ослаблением света в воде яркость белых полос не увеличивается, а уменьшается, и контраст снижается.
Попробуйте на воздухе осветить объекты, смутно видимые в тумане, с помощью автомобильной фары и посмотреть на них вдоль пучка света. Вы ничего не увидите, объекты скроются за световой завесой. Погрузимся с киноаппаратом в воду в тихой неглубокой бухте с отвесными скалистыми берегами. В солнечный день часть водной глади будет освещена прямыми солнечными лучами, а на другую часть будет падать тень от нависшей скалы. Оказывается, видимость под водой, освещенной прямыми солнечными лучами, будет меньшей, чем в затененной части бухты. Поэтому при съемках под водой нужно стремиться к тому, чтобы наряду с достаточной освещенностью снимаемого объекта водное пространство между киноаппаратом и объектом как можно меньше освещалось посторонним светом. Очень хорошие кадры получаются, например, при съемке подводного пейзажа, освещенного солнцем, из подводного затененного грота.
Ослаблением световых лучей и образованием световой завесы не исчерпывается действие рассеяния света в водной среде.
Обратимся снова к нашему испытательному объекту, раскрашенному в белые и черные полосы (см. рис. 4), и посмотрим на него внимательно с разных расстояний. Мы обнаружим, что с увеличением расстояния вместе с уменьшением видимого контраста будет уменьшаться четкость границ между белыми и черными полосами. Границы между ними будут как бы размываться. Если мы отплывем от испытательного объекта достаточно далеко, то можем не обнаружить полосатости нашего объекта.не обнаружить полосатости нашего объекта. Перед нами будет мерцать неясное серое пятно.
Явление размывания границ объекта в этом случае происходит за счет рассеяния лучей света, отраженных от участков поверхности объекта, расположенных в непосредственной близости когранице двух яркостей.
Это явление приводит в конечном результате к размытости контуров деталей подводных объектбв, к уменьшению рельефности и к уменьшению четкости киноизображения.
ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ПОДВОДНАЯ ОСВЕЩЕННОСТЬ?
Для производства киносъемок под водой необходимо иметь хорошее освещение снимаемого объекта, достаточное для обеспечения нормального экспонирования кинопленки.
Подводная освещенность зависит от ряда факторов, и прежде всего от освещенности поверхности воды. Поверхность моря, озера или реки освещается солнечным светом (днем) или лунным и звездным светом (ночью) и сильно зависит от времени суток и состояния погоды.
Если на небе облака, а солнце открыто, то на водную поверхность падают прямые солнечные лучи и свет, отраженный и рассеянный от облаков и атмосферы. Если же солнце скрыто облаками, то поверхность воды освещается только рассеянным светом.Количество и характер освещения зависят от высоты солнца над горизонтом и расположения и качества облаков.
Таким образом, вариантов освещения водной поверхности так много, как много сочетаний облачности и расположения солнца на небосводе.
Как известно, освещенность является выражением плотности светового потока, падающего на единицу поверхности, и измеряется в люксах; причем освещенность в один люкс (лк) бывает при падении светового потока в один люмен (лм) на один квадратный метр поверхности.
Для представления величины освещенности в некоторых практических случаях приведена табл. 1.
Определить величину освещенности поверхности моря при абсолютно безоблачном небе можно, если знать угол наклона солнца над горизонтом. На графике рис. 5 по вертикали отложены значения освещенности в условных единицах, а по горизонтали — высота солнца над горизонтом, выраженная в значениях величины угла наклона линии, соединяющей наблюдателя и солнце, по отношению к поверхности моря.На графике приведены две кривые: ривая S — для определения освещенности поверхности моря или любой точки поверхности земли от прямых солнечных лучей и кривая N — для определения освещенности рассеянным светом от абсолютно чистого неба.
Для определения освещенности нужно измерить угол наклона солнца над горизонтом, затем найти точку, соответствующую значению найденного угла на горизонтальной шкале графика, и восстановить из этой точки перпендикуляр. От точек пересечения перпендикуляра с кривыми S и N провести горизонтальные линии и на вертикальной шкале снять отсчет освещенности в условных единицах.
Для получения освещенности в люксах нужно значение в условных единицах помножить на коэффициент, равный 140 000 лк. Для определения суммарного значения освещенности нужно сложить освещенности, создаваемые прямыми солнечными лучами и рассеянным светом от небесного свода.
Когда солнце полностью закрыто облаками, освещенность поверхности моря создается только рассеянным светом. На рис. 6 приведен график для определения освещенности поверхности моря в случае однородной и сплошной облачности. Этот график построен по таблицам Н. Н. Ка-литина; пользоваться им нужно так же, как и графиком на рис. 5. Следует только заранее знать угол наклона солнца над горизонтом в данное время и на данной широте.
Таким образом, в двух случаях — при абсолютно безоблачном небе и при небе, полностью закрытом облаками,— можно ориентировочно определить освещенность поверхности моря по графикам, изображенным на рис. 5 и 6. В то время, когда солнце или небо лишь частично закрыты облаками, пользоваться этими графиками нельзя.Следует помнить, что в облачный день при открытом солнце, если облака белые, освещенность бывает больше,чем в такое же время в безоблачный день. Это объясняется тем, что облака рассеивают упавший на них солнечный свет гораздо интенсивнее, чем атмосфера.
Падающий на поверхность моря, озера и реки солнечный свет проходит через границу воздух — вода и распространяется в глубину.
На спокойной зеркальной водной глади в облачный день мы видим в воде отражение облаков с мельчайшими подробностями, а в солнечный день из воды на нас будет ослепительно сверкать отражение солнца. Но стоит подуть ветерку, вода покроется рябью, отражение солнца в воде распадется на мелкие части, и мы увидим множество солнечных бликов. Лучи, падающие на водную поверхность, входят в воду лишь частично.
Часть их отражается от гладкой границы, разделяющей воздух и воду, обратно в атмосферу (рис. 7).
Световые лучи отражаются по-разному, в зависимости т угла их падения на поверхность воды. Лучи, падающие на воду перпендикулярно поверхности, почти полностью входят в воду, а лучи, скользящие по поверхности, почти полностью от нее отражаются.
Об отражении света от водной поверхности в зависимости от наклона световых лучей можно судить по данным табл. 2, где показано количество световой энергии прямых солнечных лучей, выраженное в процентах, и отражаемых поверхностью спокойного моря при различной высоте солнца над горизонтом (см. рис. 7).
Как видно из таблицы, количество света прямых солнечных лучей, отраженного от поверхности моря, начинает заметно возрастать при высоте солнца над горизонтом меньше 20°. Это приводит к тому, что при заходе солнца сумерки под водой начинаются значительно раньше, чем над водой. При рассеянном свете, отраженном от облаков и атмосферы, можно считать, что в среднем световой энергии входит в 95% воду и только 5% — отражается.
Если поверхность воды неспокойна и ветер разгоняет волны, угол падения отдельных световых лучей по отношению к элементам поверхности воды меняется. Одни из них будут падать почти перпендикулярно на передний фронт волны, а другие — скользить по заднему фронту, как это показано на рис. 8, и, отражаясь от него, снова падать на поверхность соседней волны. Количество света, входящего в воду, в этом случае возрастет.
При вхождении в воду световые лучи, как мы знаем, преломляются. Если посмотреть на дно прозрачного и неглубокого водоема в солнечный день, то мы увидим на дне подвижные полосы или блики. Эти блики получаются при преломлении световых лучей на волнистой поверхности воды. Волны при этом являются своеобразными собирающими световые лучи линзами, а впадины между ними — рассеивающими линзами (рис. 9).
Проникший под водную поверхность свет, распространяясь в глубину, постепенно ослабевает в результате ослабления световых лучей за счет явлений поглощения.
Наденем акваланг и ласты, войдем в воду и поплывем над морским дном, полого уходящим в глубину. Будем внимательно смотреть за характером освещенности предметов, ле~ жащих на грунте. Вначале, до глубин 5—10 м, на этих предметах будут играть световые «зайчики» солнечных лучей — блики. Затем блики становятся все менее заметными. Окраска предметов бледнеет, и наступают пасмурные сумерки. Посмотрев в этот момент наверх, мы не увидим ни поверхности воды, ни бликов от солнечных лучей. Над нами будет светлый ровный фон. С увеличением глубины яркость фона становится все меньше и меньше, его окраска изменится. Свет на такой глубине будет полностью рассеянным.
роисходит это из-за многократного рассеяния световых лучей молекулами воды и взвешенными частицами.
Каждый бесконечно малый объем морской воды рассеивает часть светового потока, а другая часть им поглощается. Рассеянная часть светового потока попадает на соседние объекты, где, в свою очередь, происходит вторичное поглощение и рассеяние (рис. 10).
Происходит многократное рассеяние света. С увеличением глубины количество прямых солнечных лучей становится меньше и, наконец, весь свет превращается в рассеянный. Часть световых лучей, вошедших в воду, постепенно полностью поглощается в ней; другая часть, после значительного ослабления, выходит обратно в атмосферу, создавая так называемый внутренний свет моря, придающий поверхности моря ту или иную окраску. Скорость превращения прямого света в воде света в рассеянный зависит от количества и характера взвешенных частиц, находящихся в воде. Чем больше этих частиц, тем на меньшей глубине свет становится полностью рассеянным, тем скорее он ослабляется с глубиной и тем меньше прозрачность воды.
Для характеристики прозрачности морской воды употребляют коэффициент вертикального ослабления света с глубиной. Этот коэффициент аналогичен показателю ослабления световых лучей, но несколько отличается от него, так как учитывает многократное рассеяние света, происходящее в толще воды.
Показатель ослабления световых лучей, или, как его еще называют, коэффициент экстинкции, определяет ослабление прямого луча при прохождении через толщу воды, а коэффициент вертикального ослабления света характеризует изменение освещенности с глубиной, которая создается в какой-либо точке водной толщи с одной стороны прямыми лучами, а с другой стороны рассеянными лучами, попадающими в эту же точку с разных направлений.
Коэффициент вертикального ослабления света несколько меньше коэффициента эцстинкции, так как прямые лучи всегда убывают с глубиной быстрее, чем рассеянный свет.
ля практики знание коэффициента вертикального ослабления света с глубиной очень важно, так как с его помощью можно рассчитать освещенность на любой глубине при известной величине освещенности поверхности моря. Физический смысл этого коэффициента — удельное ослабление света морской водой. Его можно, получить практически, измерив подводным люксметром ослабление освещенности слоем воды толщиной в 1 м.
На практике для оценки прозрачности воды пользуются величиной относительной прозрачности, определяемой с помощью специального стандартного белого диска (рис. 11).
Держась за свободный конец линя, опустим диск в воду. Благодаря грузу он займет горизонтальное положение. При погружении диска в глубину видимость его будет ухудшаться и наконец диск перестанет совсем просматриваться. Глубина исчезновения белого диска и будет характеризовать относительную прозрачность воды в данном месте.
Диск опускают обычно с теневой стороны судна или шлюпки и замечают глубину, на которой он перестает быть виден, сливаясь с фоном окружающей среды. Среднее из двух отсчетов (глубина исчезновения и глубина появления диска) принимается за прозрачность моря.
На величину относительной прозрачности влияет количество взвесей, находящихся в воде.
Как правило, при удалении от берега прозрачность морской воды увеличивается.
Для того чтобы представлять себе прозрачность различных водоемов, приведем значения относительной прозрачности в различных частях мирового океана (табл. 3).
Относительная прозрачность по белому диску тесно вязана со значением коэффициента вертикального ослабления света.
с Зависимость между относительной прозрачностью и коэффициентом вертикального ослабления света (по Аткинсу и Грехему) приведена на графике рис. 12.
На горизонтальной шкале графика отложены значения относительнои прозрачности по стандартному белому диску, а на вертикальной шкале —значения коэффициента вертикального ослабления света, который обозначен греческой буквой у.Кривая на графике близка к гиперболе.
Прозрачность морской воды влияет на подводную освещенность. Еще в прошлом веке французский ученый Бугер, наблюдая проникновение световых лучей под воду, нашел, что свет убывает с увеличением глубины по так называемому экспоненциальному закону. Для расчета освещенности на какой-либо глубине обычно пользуются следующей формулой:
Ех=Е0*e-yх,
где Е0 — освещенность под водой на глубине 0 метров, т. е. наружная освещенность с учетом отраженного от поверхности моря света, х — глубина в метрах, Ех — освещенность на глубине х метров, е — основание натуральных логарифмов (е= 2,7183), у — коэффициент вертикального ослабления света, который имеет размерность — (обративные метры).
Чтобы рассчитать по этой формуле подводную освещенность, нужно проделать следующие операции:
1) с помощью стандартного белого диска определить относительную прозрачность воды в данном месте;
2) по графику на рис. 12 найти соответствующее данной относительной прозрачности значение коэффициента вертикального ослабления света у;
3) по графикам на рис. 5 и 6 определить наружную освещенность поверхности моря, или воспользоваться для этой цели фотоэкспонометром или люксметром;
4) определить освещенность под водой на глубине 0 ж, для чего учесть отражение световых лучей по табл. 2;
5) подставить найденные значения в формулу Подводной освещенности и найти ее значение.
Рассчитаем подводную освещенность для водной среды с прозрачностью по белому диску 7 м и наружной освещенностью 100 000 лк. Эти условия могут иметь место на Балтийском море летом в безоблачный день около полудня. Будем считать, что 10% светового потока отражается от поверхности моря. По графику рис. 12 находим значение у—0,3.
Как мы видим из табл. 4, освещенность на глубине 10 м при у=0,3 равна 4,4% от наружной и еще достаточна для производства киносъемок, а на глубине 20 м освещенность уже мала и недостаточна для киносъемок.
На рис. 13 приведены кривые ослабления естественной освещенности с глубиной, измеренные с помощью подводного фотометра в Черном, Каспийском и Норвежском морях. На горизонтальной шкале отложено значение глубины в метрах, а на вертикальной—значения подводной освещенности, выраженной в процентах от наружной.
1 —в одном из районов вблизи Анатолийского побережья Черного моря; II —в районе банки Викинг в Норвежском море; III — в районе Кзыл-Узень на Каспийском море
В природе встречаются водоемы, где прозрачность воды неодинакова на разных глубинах. В них имеются или пласты, или струи вод с различными оптическими характеристиками. Обычно изменению прозрачности воды сопутствуют изменения и других свойств воды, например солености и температуры.
В условиях одного и того же места прозрачность различна во времени и в течение года она может значительно меняться. Чаще всего это бывает связано с развитием микроорганической жизни в воде, т. е. с развитием планктона—мельчайших растительных или живых существ. Когда начинается бурное развитие планктона, говорят: «вода зацветает».
Это цветение может быть неодинаковым на равных глубинах, и иногда поверхностный слой воды бывает прозрачнее, чем слои, лежащие глубже. В таких случаях измерить подводную освещенность можно с помощью подводного фотометра, так как расчетным путем при неоднородной прозрачности определить освещенность на какой-либо глубине трудно.
ИЗМЕНЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ЕСТЕСТВЕННОГО СВЕТА С ГЛУБИНОЙ
Подводный мир хотя и не богат разнообразием красок, но замечателен своеобразием цветов и фантастичностью оттенков. Чтобы это заметить, достаточно надеть защитные очки или маску, а на ноги — плавники-ласты, набрать в легкие воздух и нырнуть со скалистого отвесного берега в море. Окраска фона и подводных объектов окажется совершенно отличной от того, что мы видим на берегу.
Необычность зрительных впечатлений захватывает дух и пробуждает интерес. Тот подводный туман, о причинах образования которого мы уже знаем, ничегр общего не имеет с белесовато-серым атмосферным туманом. Цвет его вначале зеленовато-желтый или сине-зеленый, в зависимости от того места, где мы ныряем, постепенно с ростом глубины меркнет, и, наконец, мы попадаем в сине-фиолетовый полумрак, из которого проглядывают серо-фиолетовые острые уступы скалы. Вокруг — необыкновенная мягкость тонов и переходов. Контрастных объектов нет.
Подводный пейзаж, запечатленный на простую черног белую пленку, теряет свою прелесть. Все очарование подводного пейзажа заключается в необычной окраске самого пространства и подводных объектов, как бы подернутых полупрозрачной цветной вуалью.
Если бы поглощение и рассеяние света в воде было одинаковым для различных лучей спектра, то морская вода была бы похожа на разбавленное водой молоко. С ростом глубины, в результате того, что все лучи одинаково бы поглощались, молочный цвет постепенно превращался бы в серый. Но этого не происходит вследствие того, что лучи различных длин волн по-разному поглощаются и рассеиваются. Обычный белый свет состоит из цветных лучей, смешанных в строго определенной пропорции. Стоит только нарушить эту пропорцию, как белый цвет приобретает цветную окраску. Именно это и происходит в воде.
Обычный белый солнечный свет, попадая под поверхность моря, претерпевает поглощение и рассеяние. Красные и желтые лучи сильно поглощаются уже в верхних, довольно тонких слоях воды. Синие и фиолетовые лучи поглощаются значительно меньше и проникают значительно глубже красных и желтых. В результате в спектре^ света, проникающего на глубины, начинают преобладать синие лучи. Вода приобретает зеленовато-синюю окраску. Наряду с поглощением лучей происходит их рассеяние.
Характер рассеяния для различных цветных лучей сильно зависит от размера и характера взвешенных частиц; на которых происходит рассеяние.
Обычно в морской воде сильнее всего рассеиваются синие лучи и слабее всего — красные. А так как синие лучи медленнее ослабляются, чем красные, и быстрее рассеиваются, они могут быть отброшены назад, поэтому свет, выходящий из моря обратно, имеет недостаток красных лучей. Это является причиной сине-голубой окраски моря.
На рис. 14 приведен график зависимости энергии лучей для света, падающего на поверхность моря, и света, проникающего в воду на глубину 10 сму 1, 10 и 100 м от длины волны. Естественная солнечная лучистая энергия, состоящая из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения, в первых же сантиметрах терпит большие изменения по составу лучей. Очень быстро поглощаются инфракрасные лучи и ослабевают красные.
Медленнее идет поглощение в ультрафиолетовой части спектра. Наименьшее ослабление имеют сине-зеленые лучи.
Но разные воды по-разному поглощают и рассеивают лучи, из которых состоит белый свет. Одно и то же море меняет свой цвет в зависимости от сезона года. Оно может быть ярко-синим, похожим на раствор анилинового красителя, или зеленым, буро-зеленым, а иногда даже коричневым и красным. Все зависит от состава рассеивающих свет взвесей.
Как правило, цветение планктонных организмов сопровождается резким снижением прозрачности воды.
На рис. 15 изображен график, показывающий распределение лучей спектра для света, проникшего на глубину 100 м в чистой океанской воде и для света на глубине 10 м в прибрежной мутной воде (по Свердрупу). Мы видим, что наибольшей энергией обладают в чистой воде синие лучи, а в прибрежной мутной — желто-зеленые лучи. Это придает участкам моря соответствующую окраску.
Отличие спектрального состава света, проникающего на глубины, от спектрального состава естественного белого света, по-видимому, является причиной своеобразной окраски морских животных. Окраска морских животных бывает двух типов: часть обитателей глубин имеет окраску дополнительную по отношению к свету, проникающему на эти глубины, другая часть имеет приспособительную маскирующую окраску.
Дополнительная окраска, при которой поверхность освещается каким-либо цветным светом, воспринимается глазом как серая. В этом случае отраженный от поверхности свет состоит из цветных лучей, состоящих в пропорции белого света, и за счет пониженной яркости кажется серым.
Так как в глубины моря проникают лишь сине-зеленые лучи, то дополнительной к этим лучам будет красная окраска морских животных. И действительно, очень многие ители глубины, извлеченные из воды, имеют ярко-красную окраску, а в глубине в сине-фиолетовом сумраке они не бросаются в глаза и кажутся серыми. К ним относятся морские звезды, морские языки, некоторые виды рыб и множество видов кораллов.
Другая часть животных, имеющая приспособительную окраску, маскируется на фоне морского дна, подводных скал или толщи воды. К ним относятся различные моллюски, раковины которых имеют грязно-серый цвет — на илистых грунтах и яркий желтый цвет — на песчаном дне. Рыбы, имеющие темные спинки, при наблюдении сверху сливаются с фоном глубины. Некоторые рыбы, например камбала, могут менять свою окраску в зависимости от окраски среды, а креветки прозрачны, и это является их маскирующим приспособлением. Серо-грязно-зеленый бычок трудно заметен среди такого же цвета камней, а тепловодные тропические полосатые рыбки прячутся среди причудливых зарослей водорослей.
Под водой мало ярких предметов. Все живое чаще всего старается в целях самозащиты от многочисленных хищников стушеваться с окружающим фоном. Яркие цветные предметы встречаются под водой лишь в теплых водах на отмельных местах, куда проникает прямой солнечный свет, имеющий много желтых лучей. И яркая окраска подводных существ имеет приспособительный характер: яркие актинии привлекают и захватывают своими обжигающими щупальцами мелких животных, то же самое делают и коралловые, полипы, живущие в ярких коралловых колониях.
А на глубинах, где естественный свет становится рассеянным, все блекнет и растворяется в сине-фиолетовой дымке. Лишь изредка встречаются блестящие осколки лежащих на дне раковин. Изображение, получающееся на цветных пленках, в этом случае имеет холодный синеголубой колорит. Но попробуйте при очередном погружении в глубину взять с собой электрический фонарь и осветить им окружающие предметы, и вы увидите, как все заиграет и приобретет свою окраску. Оказывается, на глубине не хватает красных лучей, которых много в искусственном свете электрического фонаря.
Цветное изображение на пленке при съемке с искусственным освещением кажется сочным, насыщенным и необыкновенно эффектным.
