Свет в море

В условиях сравнительно небольших освещенностей в море (когда главным образом функционируют не колбочки, способные различать цвет, а палочки) для видения гораздо большее значение имеет яркостный, а не цветовой контраст.

Величину яркостного контраста можно выразить численно простой формулой:

где Вф — яркость толщи моря (фона), а Вп — яркость рассматриваемого на этом фоне предмета.

Если яркость предмета больше яркости фона, то формула имеет следующий вид:

Эти формулы показывают, что глаз способен оценить лишь разность яркостей предмета и фона, но не в состоянии определить, во сколько раз предмет ярче фона или наоборот.

Обычно контраст оценивают в процентах. Если кусочек черного бархата, яркость которого практически равна нулю (Вп = 0). положить на лист хорошо освещенной бумаги, то

т. е. кусок бархата будет отчетливо виден. Возвращаясь к примеру с фильмом «Человек-невидимка», мы также можем количественно определить контраст (яркости комбинезона и драпировки были равны, т. е. Вп = Вф):

Практически для того, чтобы предмета не было видно на каком-либо фоне, не обязательно контраст должен равняться 0. Глаз человека перестает различать предмет, если величина контраста не превышает 2 %, так называемый порог контрастной чувствительности глаза. Величина эта не постоянная: у разных людей она различна, зависит от условий наблюдения и может меняться от степени утомления глаза и даже от настроения человека. Иногда значение порога контрастной чувствительности достигает и 5 %.

С какими же величинами контраста мы имеем дело в море? Известно, что величина коэффициента яркости моря близка к 0,02. Погрузим в море объект, выкрашенный белой краской самого высокого качества. Белая поверхность отражает большинство упавших на нее лучей, т. е. имеет коэффициент яркости, близкий к единице (допустим 0,90). Тогда

Здесь контраст определялся не по абсолютным значениям яркости, а по ее коэффициентам. Полученная величина характеризует практически предельный контраст, который может наблюдаться в море, так как все предметы, окрашенные не в белый цвет, имеют коэффициент яркости меньший, чем у белой поверхности.

Рассмотрим еще один пример. Допустим, предмет, который мы наблюдаем под водой, окрашен очень темной краской, имеющей коэффициент яркости 0,02, т. е. равен коэффициенту яркости моря. Следовательно, контраст в данном случае равен нулю и предмет нам не будет виден. А если этот предмет — подводная лодка, то выходит, что создание «лодки-невидимки» вполне реальная вещь? При всей привлекательности подобной идеи, ее осуществление возможно только в научно-фантастических романах. Не надо забывать о том, что кроме яркостного контраста существуют и цветовой. Другими словами, для того, чтобы создать «лодку-невидимку», надо ее не просто окрасить краской, коэффициент яркости которой будет равен коэффициенту яркости моря, но соблюсти еще одно условие. Спектральный состав этой краски должен абсолютно точно соответствовать спектральному составу света, идущего из глубин моря к его поверхности. Именно при этих условиях не только яркостный, но и цветовой контраст будет отсутствовать. Надо сказать, что сложность изготовления такой темной краски да еще требуемого спектрального состава превосходит современные технические возможности. Кроме того, как известно, кривые спектральных коэффициентов яркости у разных морей различны. Допустим все же, что когда-нибудь удастся изготовить краску, удовлетворяющую всем требованиям. Будет ли это означать, что окрашенные ею предметы станут полностью невидимыми в воде, т. е. будут абсолютно замаскированы? Отнюдь нет.

Дело в том, что коэффициент яркости моря беспрерывно меняется и эти, даже небольшие, изменения скажутся на величине контраста. Поэтому абсолютно замаскировать предмет, находящийся под водой, физически невозможно. Речь может идти только о создании такой окраски, которая максимально затрудняет визуальное обнаружение предмета, т. е. о максимально возможном приближении контраста к нулевому значению. Пожалуй, лучшим мастером маскировки является природа. Большинство обитателей моря наделено способностью приспосабливать свою окраску к фону (рис. 54). Естественно, и человек старается не отставать от природы. Подводные лодки всех флотов мира в целях маскировки, как правило, окрашивают краской с коэффициентом яркости, приближающимся, насколько это возможно, к спектральному коэффициенту яркости моря.

Все наши рассуждения о контрасте относились к тому случаю, когда наблюдатель находился в непосредственной близости от рассматриваемого объекта, т. е. тот контраст, который он наблюдал, был действительным. По мере удаления от объекта контраст все более и более ослабевает, т. е. наблюдатель, находящийся под водой на некотором расстоянии от объекта, будет оценивать не действительное, а видимое им различие в яркости предмета и фона, или видимый контраст. Это изменение величины контраста имеет очень большое значение для видения под водой. Экспериментально доказано, что при горизонтальном наблюдении изменение действительного контраста происходит по закону Бугера: КВ = Кд∙10-εz, где Кв — видимый контраст; Кд — действительный контраст; z — расстояние от наблюдателя до предмета; ε — показатель ослабления излучения, направленного от предмета в глаз наблюдателя.

Рис. 54. Камбала меняет окраску

Условия наблюдения в воде тем и отличаются от наблюдений в воздухе, что показатель ослабления морской воды в сотни раз превышает показатель ослабления воздуха. Рассеяние света водой приводит не только к ослаблению прямого луча, идущего от предмета к наблюдателю, но создает между ними своеобразную световую дымку, вуалирующую рассматриваемый объект и затрудняющую его видение.

Эта дымка вызывает очень большие трудности при работе под водой с искусственными источниками света. Казалось бы, чем более мощным прожектором освещен предмет под водой, тем лучше он будет виден, но это далеко не так. Увеличение мощности прожектора хотя и улучшает освещенность поверхности предмета, но одновременно с этим приводит к повышению интенсивности дымки. Поэтому при различных работах под водой используют прожекторы мощностью 1–3 квт, причем стараются приблизить источник света к рассматриваемому объекту. Кроме того, условия видимости улучшаются, если объект освещается как бы со стороны, т. е. угол между линией визирования и прожекторным пучком достаточно велик. Наиболее неблагоприятными будут условия наблюдения вдоль прожекторного пучка. В этом случае яркость дымки максимальная.

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].

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?

29

Ж. Верн. Собр. соч., т. 4. М… ГИХЛ. 1956.