Свет в море - Юлен Очаковский

Гидрофотометр ФМ-46 позволяет количественно оценить распределение энергии в спектре выходящего из толщи моря излучения, а ведь именно от этого спектрального распределения и зависит, как мы видели, «собственный» цвет моря. Кривые на рис. 45 и 47 получены с помощью гидрофотометра ФМ-46. Его преимущества перед шкалой Фореля — Уле очевидны: там — субъективная оценка, здесь — физическое измерение; там одна-единственная цифра — номер пробирки, здесь — две функциональные зависимости коэффициента яркости ρ: от длины волны — ρ(λ) и угла наблюдения ρ(ϴ1φ). Совокупность этих зависимостей содержит в себе всю информацию о собственном цвете моря, причем не только при наблюдении вертикально вниз, но и по другим направлениям.

Некоторые исследователи для оценки цвета моря используют Международную колориметрическую систему, но этот метод пока еще не получил широкого распространения в гидрооптике.

Почему в воде видно хуже, чем в воздухе

Способность глаза видеть в воде

Известный американский гидрооптик С. Дантли в одной из своих работ писал: «Нигде в природе принцип защитной окраски и маскировки не проявляется лучше, чем на местах кормления в море, где жизнь как хищников, так и их жертв одинаково зависит от способности видеть. Когда человек проникает в подводный мир и всматривается через стекло в подводное окружение, его успех и его безопасность зависят в большей степени от его зрительной способности»[27].

А если человек будет всматриваться в «подводное окружение» не через стекло, увидит ли он в воде что-нибудь? Нет, он сможет только отличить темное от светлого и различать неясные, расплывчатые контуры предметов. Человеческий глаз, способный видеть звезды, находящиеся от нас на расстоянии сотен световых лет, оказывается практически беспомощным в воде. Это объясняется условиями распространения света в водной среде и физиологией человеческого глаза.

Тематика нашей книги весьма далека от проблем физиологической оптики, но для того чтобы разобраться в сложнейших физических и физиологических процессах видения под водой, придется, хотя бы кратко, остановиться на некоторых свойствах зрительных органов как человека, так и обитателей моря — рыб.

Глаз взрослого человека представляет собой почти шарообразное тело, диаметром около 25 мм (рис. 51). Снаружи глаз покрыт плотной белковой оболочкой — склерой. Передняя (несколько изогнутая) ее часть прозрачная. Это роговица глаза. Показатель преломления роговицы равен 1,37. За роговицей находится передняя камера глаза, заполненная жидкостью с показателем преломления 1,33. Под склерой расположена сосудистая оболочка, спереди переходящая в радужную, с отверстием в центре — зрачком. В зависимости от силы света, попадающего в глаз, зрачок рефлекторно меняет свои размеры от 1,5–2 мм при сильном освещении до 6–8 мм в темноте. Саморегулируемая реакция зрачка является одним из звеньев процесса, называемого адаптацией глаза к уровню освещения.

Рис. 51. Разрез глаза человека

1 — роговея оболочка; 2 — зрачок; 3 — передняя камера; 4 — хрусталик; 5 — сетчатая оболочка

Важнейшей оптической деталью глаза является его хрусталик, отделяющий переднюю камеру глаза от задней, заполненной прозрачным стекловидным веществом, показатель преломления которого 1,34.

Хрусталик человеческого глаза имеет чечевицеобразную форму и выполняет функции объектива, т. е. проектирует изображение рассматриваемого предмета на сетчатую оболочку глаза. Благодаря способности хрусталика (аккомодации) менять кривизну своих поверхностей (главным образом передней) в определенных пределах на сетчатке всегда получается резкое, сфокусированное изображение разноудаленных предметов. Нарушения аккомодационной способности глаза приводят либо к близорукости, либо к дальнозоркости. Тело хрусталика неоднородно, и его показатель преломления находится в пределах 1,38—1,41.

Приемником излучения, поступающего в глаз, является светочувствительная сетчатая оболочка (ретина), располагающаяся на внутренней поверхности сосудистой оболочки. Анатомическое строение сетчатки очень сложное. При толщине около 0,2 мм она содержит 10 светочувствительных слоев. Светоощущающими элементами сетчатки служат палочки и колбочки, зрительные функции которых различны. Так, палочки (длина около 0,06 мм) обладают огромной чувствительностью, и для их возбуждения достаточно малейшего количества света. Колбочки гораздо менее чувствительны к световым раздражениям, но зато способны различать цвета. Колбочки «работают» только тогда, когда освещенность превышает 30–40 лк; в это время палочки бездействуют. При более низкой освещенности действуют только палочки. Всего в глазу имеется около 7 млн. колбочек и 130 млн. палочек, причем все колбочки расположены в центральной части сетчатки, называемой желтым пятном, а палочки — на ее периферии. Такое разделение зрительных функций колбочек и палочек приводит к тому, что мы различаем цвета предметов только при хорошем освещении. С ухудшением условий освещения колбочки выключаются из процесса восприятия и функция световосприятия переходит к палочкам, не способным к цветоощущению. Поэтому в сумеречном освещении все предметы независимо от их окраски кажутся серыми.

Светочувствительным элементом палочек является вещество родопсин. Оно имеет в темноте пурпурный цвет, но под влиянием света выцветает и разлагается на протеин и ретинен. В темноте происходит восстановительная реакция. Колбочки содержат вещество иодопсин, разлагающееся под действием света и образующее при распаде фосфорную кислоту. Механизм реакций иодопсина до сего времени недостаточно ясен.

В результате распада родопсина и иодопсина (процесс фотодиссоциации) возникают отрицательные ионы, воздействующие на окончания нервных волокон зрительного нерва, к которым присоединены колбочки и палочки. Электрический сигнал поступает в мозг и вызывает возникновение светового (зрительного) ощущения.

Рассматривая строение человеческого глаза, мы не случайно указывали значение показателей преломления отдельных его частей. Дело в том, что они близки к показателю преломления морской воды, который равен 1,34. Только у хрусталика он несколько больше. Это приводит к тому, что если глаз непосредственно соприкасается с водой, то лучи света проходят в него почти не преломляясь, т. е. они не могут быть сфокусированы хрусталиком на сетчатой оболочке. У человека с нормальным зрением аккомодационных возможностей его глаза не хватит для изменения формы хрусталика настолько, чтобы он в воде фокусировал изображение точно на сетчатку. Только очень близорукие люди, у которых в воздухе изображение фокусируется впереди сетчатой оболочки, в воде будут видеть более или менее нормально.

Рис. 52. Разрез глаза рыбы

Поэтому необходимым условием для видения под водой является изоляция глаза от воды при помощи масок, употребляемых аквалангистами, или стеклянных иллюминаторов водолазных шлемов и батискафов. В этом случае между глазом и водой создается воздушная прослойка и лучи света попадают в глаз уже не из воды; а из воздуха. При переходе из воздуха в глаз лучи преломляются и глаз функционирует нормально.

Но как же обходятся без иллюминаторов рыбы? А здесь постаралась природа. На рис. 52 представлен разрез глаза рыбы. Первое, что обращает внимание, — это шарообразная форма хрусталика, позволяющая рыбам отчетливо видеть предметы на близком расстоянии (около 1 м). Благодаря особому аккомодационному устройству хрусталик может смещаться в глазу и занимать положение, указанное на рисунке пунктиром. При этом рыба хорошо видит и на более далеком расстоянии (максимальная дальность видения рыб не превышает 15 м). Ниже приводятся данные сопоставления углового поля зрения глаза человека и рыбы.

Такая специфика строения глаза дает возможность рыбе даже при неподвижном положении видеть большую часть окружающей среды.

Светочувствительными элементами глаза рыбы также являются палочки и колбочки. Но природа и здесь резко дифференцировала органы зрения у различных видов рыб. У глубоководных обитателей моря колбочки отсутствуют. Они просто не нужны — незначительная доля дневного света, проникающая на эти глубины, воспринимается только палочками.