Дальность видимости


Как далеко можно видеть? От чего зависит дальность видимости?

Задайте этот вопрос нескольким товарищам, и вы получите совершенно несовместимые на первый взгляд ответы.

Один ответит вам, что дальность видимости зависит от остроты зрения, забывая, что в густом тумане самый зоркий из нас видит одинаково плохо с человеком, обладающим нормальным зрением.

Другой скажет, что видимость зависит от освещения. Он будет ближе к истине, но все-таки не сможет ответить, почему лучше всего видны вдали темные предметы, вовсе не отражающие света.

Третий предположит, что дальность видимости тем больше, чем более прозрачен и чист воздух, и его ответ будет наиболее правилен. И хотя все три ответа неточны, тем не менее все они достойны внимания и размышления.

Днем мы видим только те удаленные предметы, которые отличаются цветом или яркостью от окружающего фона. Хорошо видны темные деревья на фоне светлого неба, но те же самые деревья на фоне далеких тор или холмов, если покрывающая их растительность того же оттенка, будут едва различимы. Серый дом виден плохо на фоне зимнего, лишенного листвы леса. Если дом несколько светлее, то есть между ним и фоном есть какая-то разница в яркости, какой-то контраст, то наш глаз как раз и обратит внимание на этот контраст: благодаря ему мы различим далекий дом. Если разница в яркости дома и леса велика, мы увидим дом; если она мала, мы потеряем его из виду, даже если бы это был большой дом и освещение было хорошим, а глаз наблюдателя очень зорким. Для нормального глаза достаточно контраста яркости в 1/70. Другими словами, для того чтобы мы увидели предмет, яркость его и фон должны отличаться не меньше чем на 1,5 процента. Этот «порог чувствительности» несколько меньше у людей с особенно острым зрением, но вообще днем он почти одинаков у большинства людей.

Освещение играет для видимости большую роль, хотя и не такую простую, как это поначалу кажется. Конечно, в сумерки и в темноте мы видим хуже, чем при ярком солнечном свете. Ночью даже близкие предметы различаются с трудом. Но днем видимость зависит не столько от освещенности дома, леса, гор, на которые мы смотрели, сколько от освещенности воздуха, находящегося между этими предметами и нашим глазом.

Пусть на большом белом экране нарисован черный квадрат и мы глядим на него издали. Между нами и экраном находится воздух, освещенный Солнцем. Он образует между нами и экраном светлую воздушную дымку, которая тем ярче, чем толще слой воздуха, то есть чем дальше от нас экран. И белую и черную части экрана мы видим через светлую дымку. В результате мы видим контраст не между черной и белой частями экрана, а между яркостью белой части экрана, ослабленной на пути луча света до нашего глаза, плюс яркость воздушной дымки, и яркостью дымки, находящейся перед черной частью экрана.

Легко сообразить, что чем дальше экран, тем более ослабленным дойдет до нас посланный им белый свет и тем больше будет яркость воздушной дымки, висящей между нами и экраном. Если экран будет удаляться, то контраст между двумя яркостями будет ослабевать и, наконец, станет меньше того контраста, который еще может различать глаз; тогда черный квадрат пропадет у нас из виду. Это произойдет на расстоянии, которое называют дальностью видимости.

Такова теория видимости, изложенная в нескольких словах, а не с помощью сложных математических формул. Советский астроном Е. В. Пясковская еще в 1926 году вывела «световоздушную формулу» — математическое выражение, служащее основой теории видимости.

Для нашего объяснения мы описали воображаемый опыт — установку белого экрана. Но именно так бывает и в действительности, когда мы смотрим на дома или деревья, находящиеся на фоне снежного поля. Немного иначе обстоит дело, когда темные горы вырисовываются на горизонте. В этом случае их фоном служит такая же атмосферная дымка, висящая позади гор. Теория Пясковской предусматривает и этот случай.

Теперь вам, может быть, станет понятно, почему в мутной атмосфере дальность видимости меньше, чем в чистой: это происходит не от того, что атмосфера пропускает меньше света, а от того, что она добавляет больше света сама. В пыльной атмосфере далекие предметы невидимы, они как бы тонут в очень светлой воздушной дымке. Дальность видимости черного предмета днем обратно пропорциональна степени мутности атмосферы. Эту мутность создают туман и облака пыли.

Зимой в нашем московском климате видимость обычно плохая: под низкими облаками легкий туман заволакивает горизонт, и дальность видимости уменьшается до 1—2 километров. Весной же, когда воздух уже очистился от зимних туманов, но еще не замутнился летней пылью, далекие ландшафты видны особенно отчетливо.

Весной да и осенью в ясный день из Сухуми бывают видны Понтийские горы в Турции, удаленные от него на 310—330 километров, а в Южной Франции с возвышенности Ком в окрестностях Тулона иногда виден Монблан, отстоящий оттуда на 305 километров. В такие же дни со склонов Эльбруса нередко видно Черное море, находящееся на расстоянии 175 километров, а в бинокль можно даже различить плывущие по нему пароходы.

Летом из Евпатории, лежащей на западном берегу Крыма, редко видны горы Крымской Яйлы, хотя до них всего 120 километров. Пыльный воздух степного Крыма для этого слишком мутен. Осенью же, когда в Крым вторгаются холодные прозрачные воздушные массы с далекого севера, эти горы ясно вырисовываются на горизонте.

Но каков же предел видимости? Есть ли он вообще или в идеально прозрачном воздухе можно видеть бесконечно далеко? Такой предел, конечно, есть. И его ставит нам сама атмосфера.

Теоретически легко доказать, что в абсолютно чистой атмосфере, где нет ни малейшего тумана, ни пыли, можно видеть какие-либо предметы не далее 360 километров. Слой воздуха толщиной 360 километров, освещенный лучами Солнца, уже создает такую яркую воздушную дымку, что она затушевывает контуры предметов более далеких, чем это расстояние.

На еще большем расстоянии можно было бы ночью различать свет очень сильных маяков, находящихся на высоких горах, или видеть огни самолетов, летящих на большой высоте.

Что можно сделать, чтобы помочь глазу различать далекие горы или облака, или корабли, плывущие по морю? Не может ли подсказать нам чего-нибудь техника?

Обычная подзорная труба или бинокль, как это ни странно на первый взгляд, мало чем нам в этом помогут. Они позволяют видеть лучше очень небольшие предметы, невидимые без них невооруженным глазом именно из-за своей мелкости. Фигура человека, например, невидима для невооруженного глаза на расстоянии 10 километров, но хорошо заметна в полевой бинокль. Однако самый лучший бинокль не поможет нисколько там, где воздушная дымка затушевывает контраст между рассматриваемым предметом и фоном, на котором он виден. Никакой оптический прибор не может снять эту дымку.

Но если мы видим ближайшую горную цепь на расстоянии 50 километров, то неужели нет никакой возможности рассмотреть более далекие хребты? Или же когда нам мешает видеть густой туман, может ли какой-нибудь прибор помочь глазу пробиться сквозь его белую пелену, окутавшую все вокруг?

Физики в течение последних 20 лет много раздумывали над этими вопросами и пришли к заключению, что первую задачу до некоторой степени можно решить. И вот каким образом.

Мы говорили выше, что молекулы воздуха рассеивают более всего голубые лучи и менее всего красные. Следовательно, свет воздушной дымки содержит гораздо меньше красных лучей, чем голубых. Нашему глазу не под силу разделить их, но это может сделать фотоаппарат.

Если фотографировать отдаленный пейзаж сквозь красное стекло -светофильтр, то оно не пропустит голубых и зеленых лучей дымки и тем самым заметно ослабит ее яркость; он как бы снимет, удалит дымку, и на фотографии будут видны такие подробности, которые не различает глаз. Но сквозь красный светофильтр небо будет выглядеть почти черным, и далекие темные предметы будут на таком фоне плохо видны. Лучше всего будут видны на таком снимке далекие снеговые горы, облака, светлые постройки.

Как видите, хотя и частичный, но все же выход здесь есть. Гораздо хуже обстоит дело в случае тумана. Составляющие его большие капли рассеивают почти одинаково все лучи спектра — и красные, и желтые, и голубые. Поэтому-то туман и кажется нам белым. А раз так, то, значит, нельзя выбрать такие видимые лучи, которые проникли бы сквозь туман, то есть рассеивались бы в нем меньше, чем другие.

Сквозь туман беспрепятственно могут проходить только радиоволны. И если сквозь туман невозможно видеть, то при помощи радиоволн можно сквозь туман «осязать» скрытые предметы.