Сферический радиус Вс малого круга с с¹с²с³ называется теоретической дальностью видимого горизонта.
Величина сферического радиуса находится в зависимости от высоты глаза наблюдателя над уровнем моря.
Так, если глаз наблюдателя будет находиться в точке A1 на высоте ВА¹ = е¹ над уровнем моря, то и сферический радиус Вс" будет больше сферического радиуса Вс.
Чтобы определить зависимость между высотой глаза наблюдателя и теоретической дальностью его видимого горизонта, рассмотрим прямоугольный треугольник АОс:
Ас² = АО² - Ос²; АО = OB + е; OB = R,
Тогда АО = R + е; Ос = R.
Вследствие незначительности высоты глаза наблюдателя над уровнем моря по сравнению с размерами радиуса Земли длину касательной Ас может принять равной величине сферического радиуса Вс и, обозначив теоретическую дальность видимого горизонта через D T получим
D 2T = (R + e)² - R² = R² + 2Re + e² - R² = 2Re + e²,
Рис. 8
Учитывая, что высота глаза наблюдателя е на судах не превышает 25 м, a 2R = 12 742 220 м, отношение е/2R настолько мало, что без ущерба для точности им можно пренебречь. Следовательно,
так как е и R выражаются в метрах, то и Dт получится тоже в метрах. Однако действительная дальность видимого горизонта всегда больше теоретической, так как луч, идущий от глаза наблюдателя к точке, находящейся на земной поверхности, из-за неодинаковой плотности слоев атмосферы по высоте преломляется.
В данном случае луч от точки А к с идет не по прямой Ас, а по кривой ASm" (см. рис. 8). Поэтому наблюдателю точка с представляется видимой по направлению касательной AT, т. е. приподнятой на угол r = L ТАс, называемый углом земной рефракции. Угол d = L HAT называют наклонением видимого горизонта. И на самом деле, видимым горизонтом будет являться малый круг m", m" 2 , тз", с несколько большим сферическим радиусом (Bm" > Вс).
Величина угла земной рефракции не является постоянной и зависит от преломляющих свойств атмосферы, которые изменяются от температуры и влажности воздуха, количества в воздухе взвешенных частиц. В зависимости от времени года и даты суток она также изменяется, поэтому действительная дальность видимого горизонта по сравнению с теоретической может увеличиваться до 15%.
В навигации увеличение действительной дальности видимого горизонта по сравнению с теоретической принимают 8%.
Поэтому, обозначив действительную, или, как еще ее называют, географическую, дальность видимого горизонта через D e , получим:
Чтобы получить Dе в морских милях (принимая R и е в метрах), радиус земли R, так же как и высоту глаза е, делим на 1852 (1 морская миля равна 1852 м). Тогда
Чтобы получить результат в километрах, вводим множитель 1,852. Тогда
дл я облегчения расчетов по определению дальности видимого горизонта в табл. 22-а (МТ-63) дана дальность видимого горизонта в зависимости от е, в пределах от 0,25 до 5100 м, рассчитанная по формуле (4а).
Если действительная высота глаза не совпадает с числовыми значениями, указанными в таблице, то дальность видимого горизонта может быть определена линейным интерполированием между двумя близкими к действительной высоте глаза величинами.
Дальность видимости предметов и огней
Дальность видимости предмета Dn (рис. 9) будет складываться из двух дальностей видимого горизонта, зависящих от высоты глаза наблюдателя (D e) и высоты предмета (D h), т. е.Она может быть определена по формуле
где h - высота ориентира над уровнем воды, м.
Для облегчения определения дальности видимости предметов пользуются табл. 22-в (МТ-63), рассчитанной по формуле (5а): Чтобы определить по этой таблице, с какого расстояния откроется предмет, необходимо знать высоту глаза наблюдателя над уровнем воды и высоту предмета в метрах.
Дальность видимости предмета можно также определить по специальной номограмме (рис. 10). Например, высота глаза над уровнем воды 5,5 м, а высота h обстановочного знака 6,5 м, чтобы определить D n , к номограмме прикладывают линейку так, чтобы она соединяла на крайних шкалах точки, соответствующие h и е. Точка пересечения линейки со средней шкалой номограммы покажет искомую дальность видимости предмета D n (на рис. 10 D n = 10,2 мили).
В пособиях по судовождению - на картах, в лоциях, в описаниях огней и знаков - дальность видимости предметов DK указывается при высоте глаза наблюдателя 5 м (на английских картах - 15 футов).
В том случае, когда действительная высота глаза наблюдателя другая, необходимо ввести поправку AD (см. рис. 9).
Рис. 9
Пример. Дальность видимости предмета, указанная на карте, DK = 20 милям, а высота глаза наблюдателя е = 9 м. Определить действительную дальность видимости предмета D n с использованием табл. 22-а (МТ -63). Решение.
В ночное время дальность видимости огня зависит не только от его высоты над уровнем воды, но также от силы источника освещения и от разряда осветительного аппарата. Обычно осветительный аппарат и сила источника освещения рассчитываются таким образом, чтобы дальность видимости огня ночью соответствовала действительной дальности видимости горизонта с высоты огня над уровнем моря, но бывают и исключения.
Поэтому огни имеют свою «оптическую» дальность видимости, которая может быть больше или меньше дальности видимости горизонта с высоты огня.
В пособиях по судовождению указывается действительная (математическая) дальность видимости огней, но если она больше оптической, то указывается последняя.
Дальность видимости береговых знаков судоходной обстановки зависит не только от состояния атмосферы, но и от многих других факторов, к которым относятся:
А) топографические (определяются характером окружающей местности, в частности преобладанием того или иного цвета в окружающем ландшафте);
Б) фотометрические (яркость и цвет наблюдаемого знака и фона, на котором он проектируется);
В) геометрические (расстояние до знака, его размеры и форма).
Видимый горизонт. Учитывая, что земная поверхность близка к окружности, наблюдатель видит эту окружность, ограниченную горизонтом. Эта окружность и называется видимым горизонтом. Расстояние от места нахождения наблюдателя до видимого горизонта называется дальностью видимого горизонта.
Предельно ясно, что чем выше над землей (поверхностью воды) будет расположен глаз наблюдателя, тем больше будет и дальность видимого горизонта. Дальность видимого горизонта на море измеряется в милях и определяется по формуле:
где: De - дальность видимого горизонта,
м;
е - высота глаза наблюдателя, м (метр).
Для получения результата в километрах:
Дальность видимости предметов и огней. Дальность видимости предмета (маяк, другое судно, сооружение, скала и т.д.) на море зависит не только от высоты глаза наблюдателя, но и от высоты наблюдаемого предмета (рис. 163 ).
Рис. 163 . Дальность видимости маяка.
Следовательно дальность видимости предмета (Dn) будет суммой De и Dh.
где: Dn - дальность видимости предмета,
м;
De - дальность видимого горизонта наблюдателем;
Dh - дальность видимого
горизонта с высоты предмета.
Дальность видимости предмета над уровнем воды определяется по формулам:
Dп = 2,08 (√е + √h), мили;
Dп = 3,85 (√е + √h), км.
Пример.
Дано : высота глаза судоводителя е = 4 м, высота маяка h = 25 м. Определить на каком расстоянии судоводитель должен увидеть маяк в ясную погоду. Dп = ?
Решение:
Dп = 2,08 (√е + √h)
Dп = 2,08 (√4 + √25) =
2,08 (2 + 5) = 14,56 м = 14,6 м.
Ответ: Маяк откроется наблюдателю на расстояние около 14,6 мили.
На практике судоводители дальность видимости предметов определяют либо по номограмме (рис. 164 ), либо по мореходным таблицам, используя при этом карты, лоции, описания огней и знаков. Следует знать, что в упомянутых пособиях дальность видимости предметов Dk (дальность видимости карточная) указана при высоте глаза наблюдателя е = 5 м и, чтобы получить истинную дальность конкретного предмета, необходимо учесть поправку DD для разницы видимости между фактической высотой глаза наблюдателя и карточной е = 5 м. Эта задача решается при помощи мореходных таблиц (МТ). Определение дальности видимости предмета по номограмме осуществляется следующим образом: линейка прикладывается к известным значениям высоты глаза наблюдателя е и высоты предмета h; пересечение линейки со средней шкалой номограммы дает значение искомой величины Dn. На рис. 164 Dп = 15 м при е = 4,5 м и h = 25,5 м.
Рис. 164. Номограмма для определения видимости предмета.
При изучении вопроса о дальности видимости огней в ночное время следует помнить, что дальность будет зависеть не только от высоты расположения огня над поверхностью моря, но и от силы источника освещения и от вида осветительного аппарата. Как правило, осветительный аппарат и сила освещения рассчитываются для маяков и других навигационных знаков таким образом, чтобы дальность видимости их огней соответствовала дальности видимости горизонта с высоты огня над уровнем моря. Судоводитель должен помнить, что дальность видимости предмета зависит от состояния атмосферы, а также топографических (цвет окружающего ландшафта), фотометрических (цвет и яркость предмета на фоне местности) и геометрических (размеры и форма предмета) факторов.
Географическая дальность видимости предметов в море Д п определяется наибольшим расстоянием, на котором наблюдатель увидит его вершину над линией горизонта, т.е. зависит только от геометрических факторов, связывающих высоту глаза наблюдателя е и высоту ориентира h при коэффициенте рефракции c (рис.1.42):
где Д е и Д h - соответственно дальности видимого горизонта с высоты глаза наблюдателя и высоты предмета. Т.о. дальность видимости предмета, рассчитанная по высоте глаза наблюдателя и высоте предмета называется географической или геометрической дальностью видимости.
Расчёт географической дальности видимости предмета может производиться по табл. 2.3 МТ – 2000 по аргументам e и h или по табл. 2.1 МТ – 2000 суммированием результатов, полученных двукратным входом в таблицу по аргументам е и h. Можно также получить Д п по номограмме Струйского, которая приведена в МТ – 2000 под номером 2.4, а также в каждой книге “Огни” и “Огни и знаки” (рис.1.43).
На морских навигационных картах и в навигационных пособиях географическая дальность видимости ориентиров даётся для постоянной высоты глаза наблюдателя е = 5 м и обозначается как Д к - дальность видимости указанная на карте.
Подставив значение е = 5 м в формулу (1.126), получим:
Для определения Д п надо к Д к ввести поправку DД, величина которой и знак определяются формулой:
Если фактическая высота глаза больше 5 м, то DД имеет знак “+”, если меньше - знак “-“. Таким образом:
. (1.129)
Величина Д п зависит также и от остроты зрения, которая выражается в разрешающей способности глаза по углу, т.е. определяется и наименьшим углом, на котором предмет и линия горизонта различаются раздельно (рис.1.44).
В соответствии с формулой (1.126)
Но из-за разрешающей способности глаза g наблюдатель увидит предмет только тогда, когда его угловые размеры будут не меньше g, т.е. когда он будет виден над линией горизонта не менее чем на Dh, которая из элементарного DА¢СС¢ при углах С и С¢ близких к 90° будет Dh = Д п × g¢.
Чтобы получить Д п g в милях при Dh в метрах:
где Д п g - географическая дальность видимости предмета с учётом разрешающей способности глаза.
Практическими наблюдениями определено, что при открытии маяка g =2¢, а при скрытии g =1,5¢.
Пример . Найти географическую дальность видимости маяка высотой h=39 м, если высота глаза наблюдателя е=9 м, без учёта и с учётом разрешающей способности глаза g =1,5¢.
Влияние гидрометеорологических факторов на дальность видимости огней
На дальность видимости ориентиров кроме геометрических факторов (е и h) влияет также контрастность, позволяющая выделить ориентир на окружающем фоне.
Дальность видимости ориентиров днём, учитывающая также контрастность, называется дневной оптической дальностью видимости.
Для обеспечения безопасного судовождения в ночных условиях используются специальные средства навигационного оборудования, имеющие светооптические приборы: маяки, светящиеся навигационные знаки и навигационные огни.
Морской маяк - это специальное капитальное сооружение с дальностью видимости белого или приведённых к нему цветных огней не менее 10 миль.
Светящийся морской навигационный знак - капитальное сооружение, имеющее светооптический аппарат с дальностью видимости белого или приведённых к нему цветных огней менее 10 миль.
Морской навигационный огонь - световой прибор, установленный на естественных объектах или сооружениях неспециальной постройки. Такие СНО часто действуют автоматически.
В тёмное время суток дальность видимости огней маяков и светящихся навигационных знаков зависит не только от высоты глаза наблюдателя и высоты светящегося СНО, но и от силы источника света, цвета огня, конструкции светооптического аппарата, а также и от прозрачности атмосферы.
Дальность видимости, учитывающая все эти факторы, называется ночной оптической дальностью видимости, т.е. это максимальная дальность видимости огня в данное время при данной метеорологической дальности видимости.
Метеорологическая дальность видимости зависит от прозрачности атмосферы. Часть светового потока огней светящих СНО поглощается частицами, содержащимися в воздухе, поэтому происходит ослабление силы света, характеризующееся коэффициентом прозрачности атмосферы t :
где I 0 - сила света источника; I 1 - сила света на некотором расстоянии от источника, принимаемого за единицу (1 км, 1 миля).
Коэффициент прозрачности атмосферы всегда меньше единицы, поэтому географическая дальность видимости обычно больше реальной, за исключением аномальных случаев.
Прозрачность атмосферы в баллах оценивается по шкале видимости таблицы 5.20 МТ – 2000 в зависимости от состояния атмосферы: дождь, туман, снег, дымка и т.д.
Так как оптическая дальность видимости огней изменяется в значительных пределах в зависимости от прозрачности атмосферы, Международная ассоциация маячных служб (МАМС) рекомендовала использовать термин “номинальная дальность видимости”.
Номинальной дальностью видимости огня называется оптическая дальность видимости при, метеорологической дальности видимости 10 миль, что соответствует коэффициенту прозрачности атмосферы t = 0,74. Номинальная дальность видимости указывается в навигационных пособиях многих зарубежных стран. На отечественных картах и в руководствах для плавания указывается стандартная дальность видимости (если она меньше географической дальности видимости).
Стандартной дальностью видимости огня называется оптическая дальность видимости при метеорологической дальности видимости 13,5 миль, что соответствует коэффициенту прозрачности атмосферы t = 0,8.
В навигационных пособиях “Огни”, “Огни и знаки” кроме таблицы дальности видимого горизонта и номограммы дальности видимости предметов есть и номограмма оптической дальности видимости огней (рис.1.45). Эта же номограмма приведена в МТ – 2000 под номером 2.5.
Аргументами для входа в номограмму являются сила света, или номинальная, или стандартная дальности видимости, (полученные из навигационных пособий), и метеорологическая дальность видимости, (полученная из метеорологического прогноза). По этим аргументам из номограммы получают оптическую дальность видимости.
При проектировании маяков и огней стремятся, чтобы оптическая дальность видимости была бы равна географической дальности видимости при ясной погоде. Однако, для многих огней оптическая дальность видимости меньше географической. Если эти дальности не равны, то на картах и в руководствах для плавания указывается меньшая из них.
Для практических расчётов ожидаемой дальности видимости огня днём надо по высотам глаза наблюдателя и ориентира рассчитать Д п по формуле (1.126). Ночью : а) если оптическая дальность видимости больше географической, надо взять поправку за высоту глаза наблюдателя и рассчитать географическую дальность видимости по формулам (1.128) и (1.129). Принять меньшую из оптической и географической, рассчитанной по этим формулам; б) если оптическая дальность видимости меньше географической - принять оптическую дальность.
Если на карте у огня или маяка Д к < 2,1 h + 4,7 , то поправку DД вводить не нужно, т.к. эта дальность видимости оптическая меньшая географической дальности видимости.
Пример . Высота глаза наблюдателя e = 11 м, дальность видимости огня, указанная на карте Д к =16 миль. Номинальная дальность видимости маяка из навигационного пособия “Огни” 14 миль. Метеорологическая дальность видимости 17 миль. На каком расстоянии можно ожидать открытия огня маяка?
По номограмме Допт » 19,5 мили.
По е = 11м ® Д е = 6,9 мили
Д 5 = 4,7 мили
DД =+2,2 мили
Д к = 16,0 мили
Д п = 18,2 мили
Ответ: можно ожидать открытия огня с расстояния 18,2 мили.
Морские карты. Картографические проекции. Поперечная равноугольная цилиндрическая проекция Гаусса и её использование в судовождении. Перспективные проекции: стереографическая, гномоническая.
Карта – уменьшенное искажённое изображение сферической поверхности Земли на плоскости, при условии, что искажения закономерны.
План – не искажённое за счёт малости изображаемого участка изображение земной поверхности на плоскости.
Картографическая сетка – совокупность линий, изображающих на карте меридианы и параллели.
Картографическая проекция – математически обоснованный способ изображения меридианов и параллелей.
Географическая карта - построенное в данной проекции условное изображение всей земной поверхности или её части.
Карты бывают различными по назначению и масштабу, например: планисферы – изображающие всю Землю или полушарие, генеральные или общие – изображающие отдельные страны, океаны и моря, частные – изображающие меньшие пространства, топографические – изображающие подробности поверхности суши, орографические – карты рельефа, геологичекие – залегание пластов и т.д.
Морские карты – специальные географические карты, предназначенные в основном для обеспечения судовождения. В общей классификации географических карт они отнесены к техническим. Особое место среди морских карт занимают МНК, служащие для прокладки курса судна и определения его места в море. В судовой коллекции также могут быть вспомогательные и справочные карты.
Классификация картографических проекций.
По характеру искажений все картографические проекции делят на:
- Равноугольные или конформные – проекции, в которых фигуры на картах подобны соответствующим фигурам на поверхности Земли, но их площади не пропорциональны. Углы между объектами на местности соответствуют таковым на карте.
- Равновеликие или эквивалентные – у которых сохранена пропорциональность площадей фигур, но при этом искажаются углы между объектами.
- Равнопромежуточные – сохраняющие длину по одному из главных направлений эллипса искажений, т.е., например, круг на местности на карте изображается в виде эллипса, у которого одна из полуосей равна радиусу такого круга.
- Произвольные – все остальные, не обладающие вышеуказанными свойствами, но подчиняющиеся иным условиям.
По способу построения проекции делят на:
|
, ортографические – когда точка зрения удалена в бесконечность, внешние – точка зрения находится на конечном расстоянии далее противоположного полюса сферы, центральные или гномонические – когда точка зрения находится в центре сферы. Перспективные проекции – не конформны и не эквивалентны. Измерение расстояний на картах, построенных в таких проекциях затруднено, зато дуга большого круга изображается прямой линией, что удобно при прокладке радиопеленгов, а также - курсов при плавании по ДБК. Примеры. В этой проекции могут строиться также карты приполярных областей.
В зависимости от точки касания картинной плоскости гномонические проекции делятся на: нормальные или полярные – касание на одном из полюсов поперечные или экваториальные – касание – на экваторе 
горизонтальные или косые – касание в любой точке между полюсом и экватором (меридианы на карте в такой проекции представляют собой расходящиеся от полюса лучи, а параллели – эллипсы, гиперболы или параболы. 
Поверхность Земли в поле вашего зрения начинает искривляться примерно на расстоянии 5 км. Но острота человеческого зрения позволяет видеть гораздо дальше горизонта. Если бы не было искривления, вы смогли бы разглядеть пламя свечи в 50 км от вас.
Дальность видения зависит от количества фотонов, испускаемых удалённым объектом. 1 000 000 000 000 звёзд этой галактики коллективно излучают достаточно света для того, чтобы несколько тысяч фотонов достигало каждого кв. см Земли. Этого хватает чтобы возбудить сетчатку человеческого глаза.
Так как, находясь на Земле, проверить остроту человеческого зрения невозможно, учёные прибегли к математическим расчётам. Они выяснили, что для того, чтобы увидеть мерцающий свет, нужно, чтобы на сетчатку попало от 5 до 14 фотонов. Пламя свечи на расстоянии 50 км, учитывая рассеивание света, даёт это количество, и мозг распознаёт слабое свечение.
Как узнать кое-что личное о собеседнике по его внешнему виду
Секреты «сов», о которых не знают «жаворонки»
Как работает «мозгопочта» - передача сообщений от мозга к мозгу через интернет
Зачем нужна скука?
«Человек-магнит»: Как стать харизматичнее и притягивать к себе людей
25 цитат, которые разбудят вашего внутреннего борца
Как развить уверенность в себе
Можно ли «очистить организм от токсинов»?
5 причин, по которым люди всегда будут винить в преступлении жертву, а не преступника
Эксперимент: мужчина пьёт по 10 банок колы в день, чтобы доказать её вред
От наблюдения далеких галактик за световые годы от нас до восприятия невидимых цветов, Адам Хэдхейзи на BBC объясняет, почему ваши глаза могут делать невероятные вещи. Взгляните вокруг. Что вы видите? Все эти цвета, стены, окна, все кажется очевидным, как будто так и должно быть здесь. Мысль о том, что мы все это видим благодаря частицам света - фотонам - которые отскакивают от этих объектов и попадают нам в глаза, кажется невероятной.
Эта фотонная бомбардировка всасывается примерно 126 миллионами светочувствительных клеток. Различные направления и энергии фотонов транслируются в наш мозг в разных формах, цветах, яркости, наполняя образами наш многоцветный мир.
Наше замечательное зрение, очевидно, обладает рядом ограничений. Мы не можем видеть радиоволны, исходящие от наших электронных устройств, не можем разглядеть бактерий под носом. Но с достижениями физики и биологии мы можем определить фундаментальные ограничения естественного зрения. «Все, что вы можете различить, имеет порог, самый низкий уровень, выше и ниже которого вы видеть не можете», - говорит Майкл Лэнди, профессор неврологии Нью-Йоркского университета.
Начнем рассматривать эти визуальные пороги сквозь призму - простите за каламбур - что многие ассоциируют со зрением в первую очередь: цвет.
Почему мы видим фиолетовый, а не коричневый, зависит от энергии, или длины волн, фотонов, падающих на сетчатку глаза, расположенную в задней части наших глазных яблок. Там находится два типа фоторецепторов, палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цвет, а палочки позволяют нам видеть оттенки серого в условиях низкой освещенности, например, ночью. Опсины, или пигментные молекулы, в клетках сетчатки поглощают электромагнитную энергию падающих фотонов, генерируя электрический импульс. Этот сигнал идет через зрительный нерв к мозгу, где и рождается сознательное восприятие цветов и изображений.
У нас есть три типа колбочек и соответствующих опсинов, каждый из которых чувствителен к фотонам определенной длины волны. Эти колбочки обозначаются буквами S, M и L (короткие, средние и длинные волны соответственно). Короткие волны мы воспринимаем синими, длинные - красными. Длины волн между ними и их комбинации превращаются в полную радугу. «Весь свет, который мы видим, кроме созданного искусственно с помощью призм или хитроумных устройств вроде лазеров, представляет собой смесь разных длин волн, - говорит Лэнди».
Из всех возможных длин волн фотона наши колбочки обнаруживают небольшую полосу от 380 до 720 нанометров - то, что мы называем видимым спектром. За пределами нашего спектра восприятия есть инфракрасный и радиоспектр, у последнего диапазон волн составляет от миллиметра до километра длиной.
Над нашим видимым спектром, на более высоких энергиях и коротких длинах волн, мы находим ультрафиолетовый спектр, потом рентгеновские лучи и на вершине - гамма-лучевой спектр, длины волн которого достигают одной триллионной метра.
Хотя большинство из нас ограничены видимым спектром, люди с афакией (отсутствием хрусталика) могут видеть в ультрафиолетовом спектре. Афакия, как правило, создается вследствие оперативного удаления катаракты или врожденных дефектов. Обычно хрусталик блокирует ультрафиолетовый свет, поэтому без него люди могут видеть за пределами видимого спектра и воспринимать длины волн до 300 нанометров в голубоватом оттенке.
Исследование 2014 года показало, что, условно говоря, все мы можем видеть инфракрасные фотоны. Если два инфракрасных фотона случайно попадают в клетку сетчатки почти одновременно, их энергия объединяется, конвертируя их длину волны из невидимой (например, 1000 нанометров) в видимую 500-нанометровую (холодный зеленый цвет для большинства глаз).
Здоровый человеческий глаз имеет три типа колбочек, каждый из которых может различать порядка 100 разных цветовых оттенков, поэтому большинство исследователей сходятся во мнении, что наши глаза в общем могут различить примерно миллион оттенков. Тем не менее восприятие цвета - это довольно субъективная способность, которая варьируется от человека к человеку, поэтому определить точные цифры довольно сложно.
«Довольно трудно переложить это на цифры, - говорит Кимберли Джеймисон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвине. - То, что видит один человек, может быть лишь частью цветов, которые видит другой человек».
Джеймисон знает, о чем говорит, поскольку работает с «тетрахроматами» - людьми, обладающими «сверхчеловеческим» зрением. Эти редкие индивиды, в основном женщины, обладают генетической мутацией, которая подарила им дополнительные четвертые колбочки. Грубо говоря, благодаря четвертому набору колбочек, тетрахроматы могут разглядеть 100 миллионов цветов. (Люди с цветовой слепотой, дихроматы, имеют только два вида колбочек и видят примерно 10 000 цветов).
Сколько минимум фотонов нам нужно видеть?
Для того чтобы цветное зрение работало, колбочкам, как правило, нужно намного больше света, чем их коллегам-палочкам. Поэтому в условиях низкой освещенности цвет «гаснет», поскольку на передний план выходят монохроматические палочки.
В идеальных лабораторных условиях и в местах сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут быть активированы лишь горсткой фотонов. И все же палочки лучше справляются в условиях рассеянного света. Как показали эксперименты 40-х годов, одного кванта света достаточно, чтобы привлечь наше внимание. «Люди могут реагировать на один фотон, - говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфорде. - Нет никакого смысла в еще большей чувствительности».
В 1941 году исследователи Колумбийского университета усадили людей в темную комнату и дали их глазам приспособиться. Палочкам потребовалось несколько минут, чтобы достичь полной чувствительности - вот почему у нас возникают проблемы со зрением, когда внезапно гаснет свет.
Затем ученые зажгли сине-зеленый свет перед лицами испытуемых. На уровне, превышающем статистическую случайность, участники смогли зафиксировать свет, когда первые 54 фотона достигли их глаз.
После компенсации потери фотонов через всасывание другими компонентами глаза, ученые обнаружили, что уже пять фотонов активируют пять отдельных палочек, которые дают ощущение света участникам.
Каков предел самого мелкого и дальнего, что мы можем увидеть?
Этот факт может вас удивить: нет никакого внутреннего ограничения мельчайшей или самой далекой вещи, которую мы можем увидеть. Пока объекты любого размера, на любом расстоянии передают фотоны клеткам сетчатки, мы можем их видеть.
«Все, что волнует глаз, это количество света, которое попадает на глаз, - говорит Лэнди. - Общее число фотонов. Вы можете сделать источник света до смешного малым и удаленным, но если он излучает мощные фотоны, вы его увидите».
К примеру, расхожее мнение гласит, что темной ясной ночью мы можем разглядеть огонек свечи с расстояния 48 километров. На практике, конечно, наши глаза будут просто купаться в фотонах, поэтому блуждающие кванты света с больших расстояний просто потеряются в этой мешанине. «Когда вы увеличиваете интенсивность фона, количество света, которое вам необходимо, чтобы что-то разглядеть, увеличивается», - говорит Лэнди.
Ночное небо с темным фоном, усеянным звездами, являет собой поразительный пример дальности нашего зрения. Звезды огромны; многие из тех, что мы видим в ночном небе, составляют миллионы километров в диаметре. Но даже ближайшие звезды находятся минимум в 24 триллионах километров от нас, а потому настолько малы для нашего глаза, что их не разберешь. И все же мы их видим как мощные излучающие точки света, поскольку фотоны пересекают космические расстояния и попадают в наши глаза.
Все отдельные звезды, которые мы видим в ночном небе, находятся в нашей галактике - Млечный Путь. Самый далекий объект, который мы можем разглядеть невооруженным глазом, находится за пределами нашей галактики: это галактика Андромеды, расположенная в 2,5 миллионах световых лет от нас. (Хотя это спорно, некоторые индивиды заявляют, что могут разглядеть галактику Треугольника в чрезвычайно темном ночном небе, а она находится в трех миллионах световых лет от нас, только придется поверить им на слово).
Триллион звезд в галактике Андромеды, учитывая расстояние до нее, расплываются в смутный светящийся клочок неба. И все же ее размеры колоссальны. С точки зрения видимого размера, даже будучи в квинтиллионах километрах от нас, эта галактика в шесть раз шире полной Луны. Однако наших глаз достигает так мало фотонов, что этот небесный монстр почти незаметен.
Насколько острым может быть зрение?
Почему мы не различаем отдельных звезд в галактике Андромеды? Пределы нашего визуального разрешения, или остроты зрения, накладывают свои ограничения. Острота зрения - это возможность различать такие детали, как точки или линии, отдельно друг от друга, чтобы те не сливались воедино. Таким образом, можно считать пределы зрения числом «точек», которые мы можем различить.
Границы остроты зрения устанавливают несколько факторов, например, расстояния между колбочками и палочками, упакованными в сетчатке. Также важна оптика самого глазного яблока, которое, как мы уже говорили, предотвращает проникновение всех возможных фотонов к светочувствительным клеткам.
Теоретически, как показали исследования, лучшее, что мы можем разглядеть, это примерно 120 пикселей на градус дуги, единицу углового измерения. Можете представить это как черно-белую шахматную доску 60 на 60 клеток, которая умещается на ногте вытянутой руки. «Это самый четкий паттерн, который вы можете разглядеть», - говорит Лэнди.
Проверка зрения, вроде таблицы с мелкими буквами, руководствуется теми же принципами. Эти же пределы остроты объясняют, почему мы не может различить и сосредоточиться на одной тусклой биологической клетке шириной в несколько микрометров.
Но не списывайте себя со счетов. Миллион цветов, одиночные фотоны, галактические миры за квантиллионы километров от нас - не так уж и плохо для пузырька желе в наших глазницах, подключенных к 1,4-килограммовой губке в наших черепах.
