СВЕТ В ВОДЕ

Сергей Глущенко

Для того, чтобы осмысленно заниматься подводной фотографией и не допускать элементарных ошибок, необходимо знать как можно больше о распространении света в воде. Дневной свет, даже в океане, далеко от берегов, довольно быстро ослабевает с глубиной. Происходит это в основном в результате двух взаимосвязанных процессов: поглощения и рассеяния.
Поглощение - довольно сложный физический процесс. С одной стороны свет, проникая в толщу воды, заставляет молекулы воды активно перемещаться, т. е., превращается в тепло. С другой стороны он поглощается растворенными в воде органическими и неорганическими веществами. Замечено, что чем меньшей энергией обладает свет, тем быстрее он поглощается Поэтому длинноволновые части спектра, красный и оранжевый цвета, поглощаются почти полностью уже на глубине 5-8 метров. Затем исчезают желтые цвета. Гораздо дольше проникают синий и зеленый.

Этим обуславливается то, что уже на глубинах свыше 10 метров мы видим все в сине-зеленом свете. Но если осветить дно ярким белым светом, то можно будет только удивляться многообразию красок с преобладанием оттенков теплых цветов.
Если бы вода была абсолютно однородной средой, рассеяние света в ней полностью отсутствовало бы. Однако в воде всегда есть сгущения и разрежение молекул, а в естественных водоемах еще и взвешенные микроскопические частицы, оптические свойства которых резко отличаются от оптических свойств воды. Происходит нарушение однородности среды. Свет рассеивается в разных направлениях в виде отдельных лучей, основная масса которых направлена вниз. Далее каждый луч, встретив частицу или сгущение молекул, вновь делиться и так до тех пор, пока свет не рассеится полностью.
Кроме этого часть лучей отражается на переходной границе воздух-вода. Количество отраженного света зависит в основном от высоты нахождения солнца и от состояния водной поверхности. Изменение коэффициента пропускания мы можем проследить на риссунке.
Из него видно, что при высоко стоящем солнце света отражается очень мало, но при  восходе или закате доля отраженного света приближается к 1000. При волнении моря, если солнце стоит высоко, коэффициент пропускания света слегка уменьшается, а если солнце низко - чуть спокойная, и отражает свет в разные стороны, в том числе некоторую часть - в воду.
Еще один интересный эффект наблюдается при ветренной погоде. Мелкие волны ряби действуют на лучи света как собирающие и рассеивающие линзы. При этом мы наблюдаем бегущие по дну световые заайчики. На небольшой глубине в местах, где лучи сфокусированы, освещенность может в 8 раз превышать интегральное значение. Но в целом, так как в области сгущений занимают гораздо меньшую площадь, чем разрежения, освещенность под водой в среднем на 15-30% меньше, чем во время штилевой погоды. Эту особенность надо учитывать при съемке, если под руками нет экспонометра. Выше описанное явление носит название «эффект поверхностной потери» и его объяснение дал А.А.Гершун
Свет, переходя из воздушной среды в воду, преломляется на границе. В ХVII веке голландский математик В.Снеллиус вывел следующий закон: «Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная». Получается, что при любом угле падения луч света, проникший под воду, отклоняется по вертикали не более, чем на 48,5С. Это означает, что направленный свет под водой при любом положении солнца падает в основном сверху и, не будь эффекта рассеяния, освещение было бы односторонним.
Если посмотреть на поверхность воды снизу, то при спокойной погоде можно увидеть над собой светлый круг, за пределами которого в поверхности, как в зеркале, отражается все, что находится ниже плоскости водораздела. При углах падения света к поверхности воды более 48,5С наблюдается так называемое полное внутреннее отражение.
Так как рассеяние света, как правило, значительно интенсивнее поглощения, то с увеличением глубины преобладает уже не  направленный, а рассеянный свет, идущий со всех сторон. Поэтому на достаточно больших глубинах, вне видимости дна и поверхности, аквалангист может стать жертвой эффекта так называемой «голубой пелены» и потерять представление о том, где верх, а где низ. Сориентироваться в этом случае помогает выдыхаемый из акваланга воздух, пузыри которого всегда подымаются вверх.
Хочется сказать несколько слов о поляризации. Свет, как известно из классической теории, это электромагнитные волны, т.е. два взаимно перпендикулярных колеблющихся поля, изменение которых и порождают друг друга. Распространяются эти колебания со скоростью около 300000 км/сек вдоль линии, перпендикулярной направлениям самих колебаний. Однако в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, эти колебания могут быть ориентированы как угодно. Солнце излучает неполяризованный свет, т.е. ориентированный во всех направлениях. Если на пути солнечного света установить прозрачную пластинку из кристалла со свойствами, различными по направлениям, то через пластинку пройдут лишь волны, у которых колебания параллельны оси кристалла. Такой свет называется линейно поляризованным. Поляризованный свет - очень частое  явление в природе. Так, например, рассеянный в воде свет поляризован линейно, но с глубиной степень его поляризации уменьшается. Этим свойством можно пользоваться при съемке с поверхности, когда при помощи поляризационного светофильтра отсекают отражающийся в поверхности воды свет неба.
Теперь попробуем разобраться в процессах видения под водой. Глаз человека - это сфера, передняя часть которой, слегка изогнутая и прозрачная, называется роговицей. За роговицей расположена передняя камера, заполненная жидкостью с коэффициентом преломления 1,33. Переднюю камеру от задней отделяет хрусталик чечевицеобразной формы из прозрачного вещества. Хрусталик проецирует изображение на сетчатку оболочки глаза и может менять кривизну своей поверхности. Показатель преломления тела хрусталика меняется от 1,38 до 1,41. Изображение фокусируется на сетчатке, состоящей из палочек и колбочек. С помощью колбочек мы различаем цвета и форму предметов, а палочки работают только при очень низких уровнях освещенности и цвет не воспринимают.
Таким образом, средний показатель преломления глаза чрезвычайно близок к показателю преломления воды - 1,34. Лучи света, проходя в человеческий глаз прямо из воды , практически не преломляются. Изображение предмета фиксируется не на сетчатке, а далеко за ней, как при сильной дальнозоркости. В результате острота зрения ухудшается в 100-200 раз и мы видим изображение расплывчатым и неясным.
Совершенно иначе устроено зрение рыб. Хрусталик и них имеет шаровидную форму и может смещаться, что позволяет рыбам хорошо видеть от 1 до15 метров. Это кажется немного, но ведь дальность видимости под водой редко бывает больше. Зато угловое зрение рыб намного превышает угловое поле зрения человека, позволяя им видеть часть пространства вокруг себя. У некоторых рыб ест даже выдвижные телескопические глаза, которые дают круговой обзор.
Человек сможет достаточно хорошо видеть под водой, если между глазом и водой будет прослойка воздуха. Для этого придумано множество различных приспособлений, самое распространенное из которых - маска.
Мы четко различаем объекты, если их яркость и яркость фона, на который они проецируются, заметно отличаются друг от друга. Правда, есть случай, когда при равенстве яркостей мы все же можем хорошо рассмотреть предмет. Это происходит, если фон и объект имеют контрастные цвета. Под водой надо учитывать и яркостный, и цветовой контраст, ведь большинство живых обитателей моря, скрываясь от врагов, стараются приспособить свою окраску к фону. У некоторых рыб наблюдается ярко выраженная мимикрия - приспособленческая окраска. Если они сидят неподвижно, то даже вблизи их можно принять за камень.
Надо учесть, что под водой мы наблюдаем не действительный, а видимый контраст. Вода в несколько сотен раз сильнее, чем воздух, ослабляет свет. Рассеяние света создает световой туман, мешающий рассмотреть объект. Это особенно надо помнить, снимая под водой с искусственным освещением или в яркую солнечную погоду.
Относительную прозрачность воды определяют обычно визуально с помощью стандартного белого диска диаметром 300мм, так называемого диска Секки. Диск опускают на конце в воду и следят внимательно за тем, на какой глубине он станет полностью неразличим. Затем диск медленно поднимают и замечают глубину, когда он появится в поле зрения.  Полученное среднее значение и называется относительной прозрачностью водоема в данном месте.
Следует заметить, что прозрачность сильно зависит от присутствия в воде взвешенных минеральных частиц и планкнота, а в полосе прибоя резко снижают дальность видимости пузырьки воздуха. Кроме этого, в умеренных широтах прозрачность резко падаает весной и в начале лета, когда происходит бурное цветение планкнота. На прозрачность и цвет воды сильно влияет присутствие в воде взвешенных частиц. Так вода рек водохранилищ, несущая много земли, имеет красновато-желтый или желто-зеленый оттенок, в то время как воды тропических морей вблизи каралловых рифов - изумрудного цвета. Кстати, когда мы говорим о кристально чистой воде, то имеем в виду прозрачность лишь, в 30-40 метров, что соответствует на поверхности чрезвычайно густому туману типа лондонского смога.
Для подводных съемок нам гораздо важнее так называемая «горизонтальная видимость», которая примерно на 40% меньше относительной прозрачности воды  по диску Секки. Опытные подводные фотографы утверждают, что хорошие снимки можно получить только тогда, когда дальность съемки меньше или равна  половине дальности горизонтальной видимости на глубине, где ведутся съемки.
Теперь рассмотрим, что же происходит, когда мы одеваем на глаза очки или маску. По одну сторону плоскопараллельного стекла находится воздух, а по другую - вода. Луч света дважды преломляется на границах сред “вода-стекло” и “стекло-воздух”. Преломление приводит к тому, что в воде все предметы кажутся на 1/4 крупнее и ближе, чем на самом деле. Так как объектив фотоаппарата в боксе оказывается в тех же условиях, что и наш глаз в маске, то, определяя расстояние до предмета в воде на глаз и устанавливая его на шкале дистанций, мы не ошибемся и получим резкие снимки. Надо учитывать, что под водой угол зрения объективов уменьшается и уменьшается соответственно и глубина резко изображаемого пространства, но об этом мы поговорим в следующих главах.

E-mail: sub@kharkov.com
Tel\fax: (0572) 65-99-05
Tel\fax: (0572) 19-40-23