Gamma geografica di visibilità degli oggetti. Orizzonte visibile e sua portata Quanto lontano può vedere l'occhio umano

CORSO DI LEZIONE

PER DISCIPLINA

"NAVIGAZIONE E POSIZIONE DEL MARE"

Compilato dall'insegnante Milovanov V.G.

NAVIGAZIONE E POSIZIONE

CONCETTI FONDAMENTALI E DEFINIZIONI

Forma e dimensione della Terra

La forma della Terra è un geoide: un corpo geometrico la cui superficie in tutti i punti è perpendicolare alla direzione della gravità, vicino nella forma a un ellissoide di rivoluzione. L'URSS adottò (dal 1946) l'ellissoide di riferimento di F. N. Krasovsky con dimensioni: semiasse maggiore 6.378.245 m; semiasse minore 6.356.863 m Paesi diversi hanno adottato diverse dimensioni dell'ellissoide terrestre, pertanto il passaggio a mappe straniere, soprattutto quando si naviga vicino alla costa e ai rischi per la navigazione, dovrebbe essere effettuato non in base alle coordinate, ma in base al rilevamento e alla distanza dal punto di riferimento costiero segnato su entrambe le mappe.

Unità navali di lunghezza e velocità

Un miglio nautico* è la lunghezza media dell'arco di un minuto del meridiano terrestre (* Sotto è ovunque un miglio). Lunghezza dell'arco di un minuto del meridiano terrestre

L`=1852,23 - 9,34 cos 2f,

dove f è la latitudine della nave, gradi.

Lunghezza del miglio nautico, adottato in vari paesi, m

Cavo- un decimo di miglio nautico arrotondato pari a 185 m.

Nodo-un miglio nautico all'ora, o 0,514 m/s.

Vengono utilizzati anche sulle mappe inglesi piedi. (0,3048 m) e braccia(1,83 metri).

Gamma dell'orizzonte visibile e visibilità degli oggetti

Gamma dell'orizzonte visibile: Äe=2,08√e

Campo di visibilità di un oggetto (soggetto): Dp=2,08√e + 2,08√h

Portare il raggio di visibilità di un oggetto mostrato sulla mappa all'altezza dell'occhio dell'osservatore, che differisce da 5 m, dovrebbe essere fatto secondo la formula:

Dp = Dk + De - 4.7.

In queste formule:

De- portata dell'orizzonte visibile, miglia per una data altezza dell'occhio dell'osservatore e, m;

2,08 - coefficiente calcolato a partire dalla condizione che il coefficiente di rifrazione della terra sia 0,16 e il raggio della Terra R = 6371,1 km;

Dp- raggio di visibilità dell'oggetto, miglia;

H- altezza dell'oggetto osservato, m;

Non so- raggio di visibilità dell'oggetto indicato sulla mappa.

Nota. Va tenuto presente che queste formule sono applicabili in funzione dello stato medio dell'atmosfera e delle ore diurne.

Correzione e traslazione dei rombi (Fig. 2.1)

Rotta vera (IR)- l'angolo tra la parte settentrionale del vero meridiano e la linea centrale della nave.

Rilevamento vero (TI)- l'angolo tra la parte settentrionale del vero meridiano e la direzione dell'oggetto.

Rilevamento vero inverso (RTB)- differisce da IP di 180°

Angolo di rotta (KU)- l'angolo tra la prua del piano centrale della nave e la direzione verso l'oggetto; misurato da 0 a 180° verso tribordo e babordo o in senso orario da 0 a 360°. L'unità di controllo del lato destro ha un segno più, l'unità di controllo del lato sinistro ha un segno meno.

Dipendenze tra IR, IP e CU:

IR=IP-KU; IP = IR+KU; KU=IP-IC.

Bussola, corso girobussola (KK, GKK)- l'angolo tra la parte settentrionale del meridiano della bussola (giroscopico) e la prua del piano centrale della nave.

Bussola, rilevamento girobussola (CP, GCP) - l'angolo tra il meridiano della parte settentrionale della bussola (giroscopico) e la direzione dell'oggetto.

Correzione bussola (girobussola) AK (AGK)- l'angolo tra il meridiano vero e quello della bussola (giroscopico). L'LC orientale (nucleo) (LGC) ha un segno "più", quello occidentale (ovest) - "meno".

Riso. 2.1. Correzione e traslazione dei rombi

IR = KK + ΔK;

IP = KP + ΔK;

KK = IR - ΔK;

KP = IP - ΔK;

IR = GKK - ΔGK;

IP = GKP + ΔGK;

GKK = IR - ΔGK

GKP = IP - ΔGK

Coordinate geografiche

Poniamo che la nave e l'osservatore su di essa si trovino nel punto M sulla superficie terrestre (vedi Fig. 2). Disegniamo un parallelo e il meridiano di questo punto, notando l'intersezione di quest'ultimo con l'equatore nel punto K. La posizione del punto sulla superficie della palla è determinata da due coordinate sferiche: latitudine f e longitudine L.

Latitudine- l'angolo tra il piano equatoriale e la linea che collega la posizione dell'osservatore sulla superficie terrestre con il centro del globo. Pertanto, la latitudine del punto M è espressa dall'angolo al centro del CIO, misurato dall'arco del meridiano KM. La latitudine sr si misura da 0 a 90° dall'equatore verso i poli geografici e si chiama N - settentrionale o S - meridionale, a seconda dell'emisfero in cui si trova l'osservatore. Pertanto, il parallelo geografico MM"M" è il luogo geometrico dei punti aventi la stessa latitudine.

La latitudine dei punti situati sull'equatore è 0°, la latitudine del polo nord è 90°N e la latitudine del polo sud è 90°S.

Longitudine- angolo diedro tra i piani del meridiano primo (di Greenwich) e il meridiano dell'osservatore (punto M). Questo angolo è misurato dall'arco minore dell'equatore (ma non dal parallelo), racchiuso tra i meridiani indicati, da 0 a 180° su entrambi i lati del meridiano primo (Greenwich). Pertanto, la longitudine del punto M (vedi Fig. 2 e 3) è misurata dall'arco dell'equatore GK.

Fig.3.

La longitudine è chiamata Ost - orientale o W - occidentale, a seconda dell'emisfero (occidentale o orientale) in cui si trova l'osservatore.

Pertanto, il meridiano geografico PnMP è il luogo dei punti che hanno la stessa longitudine.

La longitudine dei punti situati sul meridiano di Greenwich (Pn GPs - Fig. 2 o PnG - Fig. 3) è 0°; la longitudine dei punti situati sul meridiano P n G "P s (vedi Fig. 2) è pari a 180° Ost o 180° O.

Le carte nautiche di grandi dimensioni, destinate alla navigazione vicino alla costa, consentono di ricavare da esse le coordinate geografiche di un punto con una precisione di decimi di minuto d'arco. Così, ad esempio, sulle mappe delle zone costiere del mare: il faro di Arkhona ha coordinate ϕ = 54°40", 8N e λ = 13°26, 10st; il faro di Balye ϕ = 53°31", 7N e λ = 9° 04", 90st; faro di Helgoland ϕ = 54°11.0N e λ =7°53", Ost;

Differenza di latitudine e differenza di longitudine

Quando si naviga da un punto della superficie terrestre A (ϕ1 λ1 è il punto di partenza) al punto B (ϕ2, λ2 è il punto di arrivo), la nave cambia latitudine e longitudine; in questo caso si formano una differenza di latitudine e una differenza di longitudine (Fig. 4).

Differenza di latitudine (RL)- il minore degli archi di qualsiasi meridiano, concluso tra i paralleli dei punti di partenza e di arrivo (arco NE in Fig. 4) si misura nell'intervallo da 0 a 180° e si chiama N se aumenta la latitudine nord o la latitudine meridionale diminuisce e S se la latitudine settentrionale diminuisce o la latitudine meridionale aumenta.

Se assegniamo condizionatamente un segno "più" alla latitudine settentrionale e un segno "meno" a quella meridionale, la latitudine e il suo nome saranno determinati dalla formula

Negli esempi 1, 2 e 3, per semplicità di ragionamento, i punti di partenza e di arrivo si trovano sullo stesso meridiano geografico, cioè hanno la stessa longitudine. Nella fig. 5, la freccia mostra la direzione di movimento della nave e le differenze di latitudine che essa comporta.

Punto di partenza A - φ1 = 16°44" ON secondo la formula (4) φ2 = + 58°17", 5

Punto di partenza C - φ1 = 47°10", 4 S secondo la formula (4) φ2 = - 21°23", 0

Punto di partenza F - φ1 = 24°17", 5 N secondo la formula (4) φ2 = - 5°49",2

Differenza di longitudine (LD) - il minore degli archi equatoriali, racchiuso tra i meridiani dei punti di partenza e di arrivo (arco KD, Fig. 4), si misura nell'intervallo da 0 a 180° e si chiama Ost se aumenta la longitudine orientale o quella occidentale diminuisce e a W se la longitudine orientale diminuisce o la longitudine occidentale aumenta.

Se assegniamo condizionatamente un segno più alla longitudine orientale e un segno meno a quella occidentale, PD e il suo nome saranno determinati dalla formula:

RD = λ2 – λ1 (5)

Negli esempi 4, 5, 6 e 7, per semplicità di ragionamento, si è scelto che i punti di partenza e di arrivo si trovassero sullo stesso parallelo geografico, cioè aventi la stessa latitudine. Nella fig. 6, a, b, le frecce mostrano la direzione di movimento della nave e le differenze di longitudine che essa comporta.

La differenza di longitudine non può essere superiore a 180°. Tuttavia, quando si risolvono problemi sulle differenze di longitudine utilizzando la formula (5), il valore RD può risultare superiore a 180°. In questo caso si sottrae il risultato ottenuto da 360° e si cambia il nome della taxiway nel suo opposto (esempio 7).

Punto di partenza A - λ1 = 12°44", 0 Ost secondo la formula (5) λ2 =+48°13", 5

Punto di partenza C - λ1 = 110°15",0 W secondo la formula (5) λ2 = - 87°10",0

Punto di partenza M - λ1 = 21°37",8 W secondo la formula (5) λ2 = + 11°42",4

Punto di partenza F - λ1 =164°06",3 W secondo la formula (5) λ2 = + 170°35",1

Direttamente dalla Fig. 6, ma è chiaro che (AB)°=(A"B")°, ma le lunghezze di questi archi non sono uguali, cioè AB=A"B". Pertanto, la circonferenza di un parallelo geografico di latitudine c è minore della lunghezza dell'equatore, poiché il raggio r di tale parallelo è minore del raggio R dell'equatore, legato dalla relazione

R = rsecϕ.

Ecco perché A "B" = AB sec ϕ O

RD = OTS secϕav (6)

dove OTS è la lunghezza dell'arco del parallelo (ma non dell'equatore) di latitudine c, racchiuso tra i meridiani dei punti di partenza e di arrivo.

Declinazione magnetica

(d) - l'angolo tra il meridiano vero e quello magnetico varia da 0 a 180°. Quello orientale ha il segno “più”, quello occidentale ha il segno “meno”; d viene rimosso dalla carta nell'area di navigazione e ridotto all'anno di navigazione. L'aumento (diminuzione) annuale d si riferisce al valore assoluto della declinazione, cioè all'angolo, e non al suo segno (vedi Fig. 2.1.). Quando la declinazione diminuisce, se il suo valore è piccolo, e la variazione nell'arco di diversi anni supera quella indicata sulla mappa, passando per lo zero la declinazione comincia ad aumentare con il segno opposto.

Declinazione magnetica- l'elemento più importante per la navigazione, quindi, oltre alle speciali carte magnetiche, è indicato sulle carte nautiche nautiche, sulle quali scrivono, ad esempio, in questo modo: “Skl. k.16°.5 W." Tutti gli elementi del magnetismo terrestre in qualsiasi punto della superficie terrestre sono soggetti a cambiamenti chiamati variazioni. I cambiamenti negli elementi del magnetismo terrestre si dividono in periodici e non periodici (o perturbazioni).

I cambiamenti periodici includono cambiamenti secolari, annuali (stagionali) e giornalieri. Di queste, le variazioni giornaliere e annuali sono piccole e non vengono prese in considerazione per la navigazione. Le variazioni secolari sono un fenomeno complesso che copre un periodo di diversi secoli. L'entità del cambiamento secolare della declinazione magnetica varia in diversi punti sulla superficie terrestre nell'intervallo da 0 a 0,2-0,3° all'anno. Pertanto, sulle carte nautiche, la declinazione magnetica della bussola è ridotta a un anno specifico, indicando la quantità di aumento o diminuzione annuale.

Per adattare la declinazione all'anno di navigazione, è necessario calcolare la sua variazione nel tempo trascorso e utilizzare la correzione risultante per aumentare o diminuire la declinazione indicata sulla mappa nell'area di navigazione.

Esempio: La navigazione ha avuto luogo nel 2012. Declinazione della bussola, presa dalla mappa, d = 11°, 5 Ost adeguata al 2004. Aumento annuale della declinazione 5". Adattata la declinazione al 2012.

Soluzione. Il periodo di tempo dal 2004 al 2012 è di otto anni; modifica Ad = 8 x 5 = 40" ~0°.7. Declinazione della bussola nel 2012 d = 11°.5 + 0°.7 = - 12°, 2 Ost

Cambiamenti improvvisi a breve termine negli elementi del magnetismo terrestre (disturbi) sono chiamati tempeste magnetiche, il cui verificarsi è determinato dall'aurora boreale e dal numero di macchie solari. Allo stesso tempo, si osservano cambiamenti nella declinazione alle latitudini temperate fino a 7° e nelle regioni polari - fino a 50°.

In alcune aree della superficie terrestre, la declinazione differisce nettamente in magnitudo e segno dai suoi valori nei punti adiacenti. Questo fenomeno è chiamato anomalia magnetica. Le mappe marine indicano i confini delle aree di anomalie magnetiche. Quando si naviga in queste zone, è necessario monitorare attentamente il funzionamento della bussola magnetica, poiché la precisione del funzionamento ne risulta compromessa.

Percorso magnetico (MC)- l'angolo tra la parte settentrionale del meridiano magnetico e la prua del piano centrale della nave.

Cuscinetto magnetico (MP)- l'angolo tra la parte settentrionale del meridiano magnetico e la direzione verso l'oggetto.

Cuscinetto magnetico inverso (RMB)- differisce da MP di 180°.

Deviazione della bussola magnetica (δ ) - l'angolo tra il meridiano magnetico e quello della bussola varia da 0 a 180°. Al segno orientale (nucleo) viene assegnato un segno “più”, al segno occidentale (messaggero) viene assegnato un segno “meno”.

MK = KK + δ; MP = KP + δ; ΔMK(ΔK) =d + δ; d=IR - MK=IP - MP;

KK=MK-δ; KP=MP-δ; δ =ΔMK-d; δ =MK-KK=MP-KP

Gli specialisti delle navi possono eliminare le deviazioni semicircolari e di rollio durante il funzionamento. Il modo più semplice per distruggere congiuntamente le deviazioni semicircolari e di rollio si riduce a quanto segue:

Utilizzando l'inclinatore di una nave, il valore dell'inclinazione magnetica viene misurato a terra. Quando si esegue questo metodo in mare aperto, l'inclinazione magnetica viene rimossa dalla carta;

portare la nave su una rotta magnetica pari a 0 (o 180°) e utilizzare magneti trasversali per portare la deviazione a zero;

ruotare la nave su una rotta magnetica di 180° (o 0°), determinare la deviazione e utilizzare gli stessi magneti per ridurla di 2 volte;

giacciono su una rotta magnetica di 90° (o 270°). Al posto della bussola viene installato un inclinatore e, utilizzando un magnete inclinatore, le letture sull'inclinatore vengono adattate al valore dell'inclinazione magnetica misurata sulla riva o prelevata dalla mappa;

sulla stessa rotta sostituire la bussola e utilizzare i magneti longitudinali per portare a zero la deviazione;

girare su una rotta magnetica di 270° (o 90°), determinare la deviazione e, utilizzando gli stessi magneti longitudinali, ridurla di 2 volte.

Capitolo VII. Navigazione.

La navigazione è la base della scienza della navigazione. Il metodo di navigazione consiste nel condurre una nave da un luogo a un altro nel modo più vantaggioso, più breve e più sicuro. Questo metodo risolve due problemi: come dirigere la nave lungo il percorso scelto e come determinare la sua posizione nel mare in base agli elementi del movimento della nave e alle osservazioni degli oggetti costieri, tenendo conto dell'influenza delle forze esterne sulla nave - vento e corrente.

Per essere sicuro del movimento sicuro della tua nave, devi conoscere la posizione della nave sulla mappa, che determina la sua posizione rispetto ai pericoli in una determinata area di navigazione.

La navigazione si occupa dello sviluppo dei fondamenti della navigazione, studia:

Dimensioni e superficie della terra, metodi di rappresentazione della superficie terrestre sulle mappe;

Metodi per calcolare e tracciare la rotta di una nave sulle carte nautiche;

Metodi per determinare la posizione di una nave in mare da parte di oggetti costieri.

§ 19. Informazioni di base sulla navigazione.

1. Punti fondamentali, cerchi, rette e piani

La nostra terra ha la forma di uno sferoide con un semiasse maggiore OE pari a 6378 chilometri, e l'asse minore O 6356 km(Fig. 37).

Riso. 37. Determinazione delle coordinate di un punto sulla superficie terrestre

In pratica, con qualche presupposto, la terra può essere considerata una palla che ruota attorno ad un asse che occupa una certa posizione nello spazio.

Per determinare i punti sulla superficie terrestre, è consuetudine dividerlo mentalmente in piani verticali e orizzontali che formano linee con la superficie terrestre: meridiani e paralleli. Le estremità dell'asse immaginario di rotazione della terra sono chiamate poli: nord o nord e sud o sud.

I meridiani sono grandi cerchi che passano per entrambi i poli. I paralleli sono piccoli cerchi sulla superficie terrestre paralleli all'equatore.

L'equatore è un grande cerchio il cui piano passa per il centro della terra perpendicolarmente al suo asse di rotazione.

Sia i meridiani che i paralleli sulla superficie terrestre possono essere immaginati in innumerevoli numeri. L'equatore, i meridiani e i paralleli formano la griglia di coordinate geografiche della terra.

Posizione di qualsiasi punto UN sulla superficie terrestre può essere determinata dalla sua latitudine (f) e longitudine (l) .

La latitudine di un luogo è l'arco del meridiano che va dall'equatore al parallelo di un dato luogo. Altrimenti: la latitudine di un luogo si misura dall'angolo al centro tra il piano dell'equatore e la direzione dal centro della terra a un dato luogo. La latitudine si misura in gradi da 0 a 90° nella direzione dall'equatore ai poli. Nel calcolo si presuppone che la latitudine settentrionale f N abbia un segno più, la latitudine meridionale f S abbia un segno meno.

La differenza di latitudine (f 1 - f 2) è l'arco di meridiano racchiuso tra i paralleli di questi punti (1 e 2).

La longitudine di un luogo è l'arco dell'equatore che va dal primo meridiano al meridiano di un dato luogo. Altrimenti: la longitudine di un luogo si misura dall'arco dell'equatore, compreso tra il piano del meridiano primo e il piano del meridiano di un dato luogo.

La differenza di longitudine (l 1 -l 2) è l'arco dell'equatore, racchiuso tra i meridiani di determinati punti (1 e 2).

Il primo meridiano è il meridiano di Greenwich. Da esso si misura la longitudine in entrambe le direzioni (est e ovest) da 0 a 180°. La longitudine occidentale si misura sulla mappa a sinistra del meridiano di Greenwich e nei calcoli viene presa con il segno meno; orientale - a destra e ha un segno più.

La latitudine e la longitudine di qualsiasi punto della terra sono chiamate coordinate geografiche di quel punto.

2. Divisione dell'orizzonte vero

Un piano orizzontale mentalmente immaginario che passa attraverso l'occhio dell'osservatore è chiamato il piano del vero orizzonte dell'osservatore, o vero orizzonte (Fig. 38).

Supponiamolo al punto UNè l'occhio dell'osservatore, la linea ZABC- verticale, HH 1 - il piano dell'orizzonte vero e la linea P NP S - l'asse di rotazione della terra.

Dei tanti piani verticali, solo un piano nel disegno coinciderà con l'asse di rotazione della terra e del punto UN. L'intersezione di questo piano verticale con la superficie terrestre forma su di esso un cerchio massimo P N BEP SQ, chiamato vero meridiano del luogo, o meridiano dell'osservatore. Il piano del meridiano vero si interseca con il piano dell'orizzonte vero e dà su quest'ultimo la linea nord-sud N.S. Linea O.W. perpendicolare alla linea del vero nord-sud è chiamata la linea del vero est e ovest (est e ovest).

Pertanto, i quattro punti principali del vero orizzonte - nord, sud, est e ovest - occupano una posizione ben definita ovunque sulla terra, ad eccezione dei poli, grazie ai quali è possibile determinare diverse direzioni lungo l'orizzonte rispetto a questi punti.

Indicazioni N(nord), S (sud), DI(Est), W(ovest) sono chiamate direzioni principali. L'intera circonferenza dell'orizzonte è divisa in 360°. La divisione viene fatta dal punto N in senso orario.

Le direzioni intermedie tra le direzioni principali sono chiamate direzioni dei quarti e sono chiamate NO, COSÌ, SO, NO. Le direzioni principale e quella dei quarti hanno i seguenti valori in gradi:

Riso. 38. Il vero orizzonte dell'osservatore

3. Orizzonte visibile, portata dell'orizzonte visibile

La distesa d'acqua visibile da un'imbarcazione è limitata da un cerchio formato dall'apparente intersezione della volta celeste con la superficie dell'acqua. Questo cerchio è chiamato orizzonte apparente dell'osservatore. La portata dell’orizzonte visibile dipende non solo dall’altezza degli occhi dell’osservatore sopra la superficie dell’acqua, ma anche dallo stato dell’atmosfera.

Figura 39. Intervallo di visibilità dell'oggetto

Il conduttore di barca dovrebbe sempre sapere fino a che distanza può vedere l'orizzonte in diverse posizioni, ad esempio in piedi al timone, sul ponte, seduto, ecc.

La portata dell'orizzonte visibile è determinata dalla formula:

d = 2,08

o, approssimativamente, per un'altezza dell'occhio dell'osservatore inferiore a 20 m da formula:

d = 2,

dove d è la portata dell'orizzonte visibile in miglia;

h è l'altezza dell'occhio dell'osservatore, M.

Esempio. Se l'altezza dell'occhio dell'osservatore è h = 4 M, allora la portata dell'orizzonte visibile è di 4 miglia.

Il raggio di visibilità dell'oggetto osservato (Fig. 39), o, come viene chiamato, il raggio geografico D n , è la somma delle gamme dell'orizzonte visibile Con l’altezza di questo oggetto H e l’altezza dell’occhio dell’osservatore A.

L'osservatore A (Fig. 39), situato ad un'altezza h, dalla sua nave può vedere l'orizzonte solo a una distanza d 1, cioè fino al punto B della superficie dell'acqua. Se posizionassimo un osservatore nel punto B della superficie dell'acqua, allora potrebbe vedere il faro C , situato ad una distanza d 2 da esso ; quindi l'osservatore si trova in quel punto UN, vedrà il faro da una distanza pari a D n :

Dn=d1+d2.

Il raggio di visibilità degli oggetti situati sopra il livello dell'acqua può essere determinato dalla formula:

Dn = 2,08(+).

Esempio. Altezza faro H = 1b.8 M, altezza dell'occhio dell'osservatore h = 4 M.

Soluzione. D n = l 2,6 miglia o 23,3 km.

Anche il campo di visibilità di un oggetto viene determinato approssimativamente utilizzando il nomogramma di Struisky (Fig. 40). Applicando un righello in modo che una linea retta colleghi le altezze corrispondenti all’occhio dell’osservatore e all’oggetto osservato, il campo di visibilità si ottiene sulla scala media.

Esempio. Trova il raggio di visibilità di un oggetto con un'altitudine di 26,2 sopra il livello del mare M con un'altezza dell'occhio dell'osservatore sul livello del mare di 4,5 M.

Soluzione. Dn= 15,1 miglia (linea tratteggiata in Fig. 40).

Nelle mappe, nelle indicazioni stradali, nei manuali di navigazione, nelle descrizioni dei segnali e delle luci, il campo di visibilità è dato per l'altezza dell'occhio dell'osservatore a 5 m dal livello dell'acqua. Poiché su una piccola imbarcazione l’occhio dell’osservatore si trova sotto 5 M, per lui il raggio di visibilità sarà inferiore a quello indicato nei manuali o sulla mappa (vedi Tabella 1).

Esempio. La mappa indica il raggio di visibilità del faro a 16 miglia. Ciò significa che un osservatore vedrà questo faro da una distanza di 16 miglia se il suo occhio è ad un'altezza di 5 M sopra il livello del mare. Se l'occhio dell'osservatore è ad un'altezza di 3 M, quindi la visibilità diminuirà corrispondentemente della differenza nell'intervallo di visibilità dell'orizzonte per le altezze 5 e 3 M. Gamma di visibilità dell'orizzonte per l'altezza 5 M pari a 4,7 miglia; per l'altezza 3 M- 3,6 miglia, differenza 4,7 - 3,6=1,1 miglia.

Di conseguenza il raggio di visibilità del faro non sarà di 16 miglia, ma solo di 16 - 1,1 = 14,9 miglia.

Riso. 40. Il nomogramma di Struisky

La superficie terrestre si curva e scompare alla vista a una distanza di 5 chilometri. Ma la nostra acutezza visiva ci permette di vedere ben oltre l’orizzonte. Se la Terra fosse piatta, o se ti trovassi in cima a una montagna e guardassi un’area del pianeta molto più ampia del solito, saresti in grado di vedere luci intense a centinaia di chilometri di distanza. In una notte buia potresti persino vedere la fiamma di una candela situata a 48 chilometri di distanza.

Quanto lontano può vedere l'occhio umano dipende da quante particelle di luce, o fotoni, vengono emesse da un oggetto distante. L'oggetto più distante visibile ad occhio nudo è la Nebulosa di Andromeda, situata ad un'enorme distanza di 2,6 milioni di anni luce dalla Terra. I mille miliardi di stelle della galassia emettono complessivamente abbastanza luce da far sì che diverse migliaia di fotoni colpiscano ogni centimetro quadrato della superficie terrestre ogni secondo. In una notte buia, questa quantità è sufficiente per attivare la retina.

Nel 1941, lo scienziato della vista Selig Hecht e i suoi colleghi della Columbia University realizzarono quella che è ancora considerata una misura affidabile della soglia visiva assoluta: il numero minimo di fotoni che devono colpire la retina per produrre consapevolezza visiva. L'esperimento ha fissato la soglia in condizioni ideali: agli occhi dei partecipanti è stato dato il tempo di adattarsi completamente all'oscurità assoluta, il lampo di luce blu-verde che fungeva da stimolo aveva una lunghezza d'onda di 510 nanometri (a cui gli occhi sono più sensibili), e la luce era diretta verso il bordo periferico della retina, pieno di bastoncelli fotosensibili.

Secondo gli scienziati, affinché i partecipanti all'esperimento potessero riconoscere un simile lampo di luce, in più della metà dei casi, dovevano colpire dai 54 ai 148 fotoni. Sulla base delle misurazioni dell'assorbimento retinico, gli scienziati stimano che in media 10 fotoni vengano effettivamente assorbiti dai bastoncelli della retina umana. Pertanto, l'assorbimento di 5-14 fotoni o, rispettivamente, l'attivazione di 5-14 bastoncini indica al cervello che stai vedendo qualcosa.

"Si tratta davvero di un numero molto piccolo di reazioni chimiche", hanno osservato Hecht e i suoi colleghi in un articolo sull'esperimento.

Tenendo conto della soglia assoluta, della luminosità della fiamma di una candela e della distanza stimata alla quale un oggetto luminoso si attenua, gli scienziati hanno concluso che una persona potrebbe discernere il debole tremolio della fiamma di una candela a una distanza di 48 chilometri.

Ma a quale distanza possiamo riconoscere che un oggetto è più di un semplice barlume di luce? Affinché un oggetto appaia spazialmente esteso e non puntiforme, la luce proveniente da esso deve attivare almeno due coni retinici adiacenti, le cellule responsabili della visione dei colori. In condizioni ideali, un oggetto dovrebbe trovarsi ad un angolo di almeno 1 minuto d'arco, o un sesto di grado, per eccitare i coni adiacenti. Questa misura angolare rimane la stessa sia che l'oggetto sia vicino o lontano (l'oggetto lontano deve essere molto più grande per formare lo stesso angolo di quello vicino). La Luna Piena si trova ad un angolo di 30 minuti d'arco, mentre Venere è appena visibile come oggetto esteso con un angolo di circa 1 minuto d'arco.

Gli oggetti delle dimensioni di una persona sono distinguibili se estesi a una distanza di soli 3 chilometri circa. In confronto a questa distanza potremmo distinguerli chiaramente

La superficie della Terra nel tuo campo visivo inizia a curvarsi a una distanza di circa 5 km. Ma l’acutezza della vista umana ci permette di vedere molto più in là dell’orizzonte. Se non ci fosse la curvatura, vedresti la fiamma di una candela a 50 km di distanza.

Il campo visivo dipende dal numero di fotoni emessi da un oggetto distante. Il miliardo di stelle di questa galassia emette collettivamente abbastanza luce da consentire a diverse migliaia di fotoni di raggiungere ogni metro quadrato. cm Terra. Questo è sufficiente per eccitare la retina dell'occhio umano.

Poiché è impossibile verificare l'acuità della vista umana mentre si è sulla Terra, gli scienziati hanno fatto ricorso a calcoli matematici. Hanno scoperto che per vedere la luce tremolante, è necessario che tra 5 e 14 fotoni colpiscano la retina. La fiamma di una candela a una distanza di 50 km, tenendo conto della diffusione della luce, fornisce questa quantità e il cervello riconosce un debole bagliore.

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Parla delle straordinarie proprietà della nostra visione: dalla capacità di vedere galassie lontane alla capacità di catturare onde luminose apparentemente invisibili.

Guardati intorno nella stanza in cui ti trovi: cosa vedi? Muri, finestre, oggetti colorati: tutto questo sembra così familiare e scontato. È facile dimenticare che vediamo il mondo che ci circonda solo grazie ai fotoni: particelle di luce riflesse dagli oggetti e che colpiscono la retina.

Ci sono circa 126 milioni di cellule sensibili alla luce nella retina di ciascuno dei nostri occhi. Il cervello decifra le informazioni ricevute da queste cellule sulla direzione e l'energia dei fotoni che cadono su di esse e le trasforma in una varietà di forme, colori e intensità di illuminazione degli oggetti circostanti.

La visione umana ha i suoi limiti. Pertanto non siamo in grado di vedere né le onde radio emesse dai dispositivi elettronici, né di vedere i più piccoli batteri ad occhio nudo.

Grazie ai progressi della fisica e della biologia è possibile determinare i limiti della visione naturale. "Ogni oggetto che vediamo ha una certa 'soglia' al di sotto della quale smettiamo di riconoscerlo", afferma Michael Landy, professore di psicologia e neurobiologia alla New York University.

Consideriamo innanzitutto questa soglia in termini di capacità di distinguere i colori, forse la prima capacità che ci viene in mente in relazione alla visione.

Diritto d'autore sull'illustrazione SPL Didascalia dell'immagine I coni sono responsabili della percezione del colore, mentre i bastoncelli ci aiutano a vedere le sfumature di grigio in condizioni di scarsa illuminazione

La nostra capacità di distinguere, ad esempio, il colore viola dal magenta è legata alla lunghezza d'onda dei fotoni che colpiscono la retina. Nella retina ci sono due tipi di cellule fotosensibili: i bastoncelli e i coni. I coni sono responsabili della percezione dei colori (la cosiddetta visione diurna), mentre i bastoncelli ci permettono di vedere sfumature di grigio in condizioni di scarsa illuminazione, ad esempio di notte (visione notturna).

L'occhio umano ha tre tipi di coni e un corrispondente numero di tipi di opsine, ciascuno dei quali è particolarmente sensibile ai fotoni con uno specifico intervallo di lunghezze d'onda della luce.

I coni di tipo S sono sensibili alla porzione viola-blu, a lunghezza d'onda corta, dello spettro visibile; I coni di tipo M sono responsabili del verde-giallo (lunghezza d'onda media) mentre i coni di tipo L sono responsabili del giallo-rosso (lunghezza d'onda lunga).

Tutte queste onde, così come le loro combinazioni, ci permettono di vedere l'intera gamma di colori dell'arcobaleno. "Tutte le sorgenti di luce visibile umana, ad eccezione di alcune artificiali (come un prisma rifrattivo o un laser), emettono una miscela di lunghezze d'onda diverse", afferma Landy.

Diritto d'autore sull'illustrazione Thinkstock Didascalia dell'immagine Non l’intero spettro fa bene ai nostri occhi…

Di tutti i fotoni esistenti in natura, i nostri coni sono in grado di rilevare solo quelli caratterizzati da lunghezze d'onda in un intervallo molto ristretto (solitamente da 380 a 720 nanometri): questo è chiamato spettro della radiazione visibile. Al di sotto di questo intervallo si trovano gli spettri infrarosso e radio: le lunghezze d'onda dei fotoni a bassa energia di quest'ultimo variano da millimetri a diversi chilometri.

Dall'altro lato della gamma di lunghezze d'onda visibili c'è lo spettro ultravioletto, seguito dai raggi X, e poi lo spettro dei raggi gamma con fotoni le cui lunghezze d'onda sono inferiori ai trilionesimi di metro.

Sebbene la maggior parte di noi abbia una visione limitata nello spettro visibile, le persone affette da afachia (l’assenza del cristallino nell’occhio (come risultato di un intervento di cataratta o, meno comunemente, di un difetto congenito) – sono in grado di vedere le lunghezze d’onda ultraviolette.

In un occhio sano, il cristallino blocca le onde ultraviolette, ma in sua assenza una persona è in grado di percepire onde fino a circa 300 nanometri di lunghezza come colore blu-bianco.

Uno studio del 2014 rileva che, in un certo senso, tutti possiamo vedere i fotoni infrarossi. Se due di questi fotoni colpiscono la stessa cellula della retina quasi simultaneamente, la loro energia può sommarsi, trasformando onde invisibili di, diciamo, 1000 nanometri in una lunghezza d’onda visibile di 500 nanometri (la maggior parte di noi percepisce le onde di questa lunghezza come un colore verde freddo). .

Quanti colori vediamo?

Nell'occhio umano sano esistono tre tipi di coni, ciascuno dei quali è in grado di distinguere circa 100 diverse sfumature di colore. Per questo motivo, la maggior parte dei ricercatori stima che il numero di colori che possiamo distinguere sia pari a circa un milione. Tuttavia, la percezione del colore è molto soggettiva e individuale.

Jameson sa di cosa sta parlando. Studia la visione dei tetracromatici, persone con capacità veramente sovrumane di distinguere i colori. La tetracromia è rara e si verifica nella maggior parte dei casi nelle donne. Come risultato di una mutazione genetica, hanno un quarto tipo di cono aggiuntivo, che consente loro, secondo stime approssimative, di vedere fino a 100 milioni di colori. (Le persone daltoniche, o dicromati, hanno solo due tipi di coni: non possono distinguere più di 10.000 colori.)

Di quanti fotoni abbiamo bisogno per vedere una sorgente luminosa?

In generale, i coni richiedono molta più luce per funzionare in modo ottimale rispetto ai bastoncelli. Per questo motivo, in condizioni di scarsa illuminazione, la nostra capacità di distinguere i colori diminuisce e vengono utilizzati i bastoncini che forniscono la visione in bianco e nero.

In condizioni di laboratorio ideali, nelle aree della retina dove i bastoncelli sono in gran parte assenti, i coni possono essere attivati ​​solo da pochi fotoni. Tuttavia, le bacchette fanno un lavoro ancora migliore nel registrare anche la luce più fioca.

Diritto d'autore sull'illustrazione SPL Didascalia dell'immagine Dopo un intervento chirurgico agli occhi, alcune persone acquisiscono la capacità di vedere le radiazioni ultraviolette

Come dimostrano gli esperimenti condotti per la prima volta negli anni ’40, un quanto di luce è sufficiente perché i nostri occhi lo vedano. "Una persona può vedere un singolo fotone", dice Brian Wandell, professore di psicologia e ingegneria elettrica alla Stanford University, "semplicemente non ha senso che la retina sia più sensibile".

Nel 1941, i ricercatori della Columbia University condussero un esperimento: portarono i soggetti in una stanza buia e diedero ai loro occhi un certo tempo per adattarsi. Le aste richiedono diversi minuti per raggiungere la massima sensibilità; Ecco perché quando spegniamo le luci in una stanza perdiamo per un po’ la capacità di vedere qualsiasi cosa.

Una luce blu-verde lampeggiante è stata quindi diretta sui volti dei soggetti. Con una probabilità superiore a quella ordinaria, i partecipanti all'esperimento hanno registrato un lampo di luce quando solo 54 fotoni hanno colpito la retina.

Non tutti i fotoni che raggiungono la retina vengono rilevati dalle cellule fotosensibili. Tenendo conto di ciò, gli scienziati sono giunti alla conclusione che sono sufficienti solo cinque fotoni che attivano cinque diversi bastoncelli nella retina affinché una persona possa vedere un lampo.

Oggetti visibili più piccoli e distanti

Potrebbe sorprenderti il ​​fatto seguente: la nostra capacità di vedere un oggetto non dipende affatto dalle sue dimensioni fisiche o dalla sua distanza, ma dal fatto che almeno alcuni fotoni emessi da esso colpiscano la nostra retina.

"L'unica cosa di cui l'occhio ha bisogno per vedere qualcosa è una certa quantità di luce emessa o riflessa dall'oggetto", dice Landy. "Tutto si riduce al numero di fotoni che raggiungono la retina. Non importa quanto piccola sia la sorgente luminosa, anche se esiste per una frazione di secondo, possiamo ancora vederlo se emette abbastanza fotoni."

Diritto d'autore sull'illustrazione Thinkstock Didascalia dell'immagine L'occhio ha bisogno solo di un piccolo numero di fotoni per vedere la luce.

I libri di testo di psicologia spesso contengono l'affermazione che in una notte buia e senza nuvole, la fiamma di una candela può essere vista fino a una distanza di 48 km. In realtà, la nostra retina è costantemente bombardata da fotoni, tanto che un singolo quanto di luce emesso da una grande distanza viene semplicemente perso sullo sfondo.

Per avere un'idea di quanto lontano possiamo vedere, guardiamo il cielo notturno, punteggiato di stelle. La dimensione delle stelle è enorme; molti di quelli che vediamo ad occhio nudo raggiungono milioni di chilometri di diametro.

Tuttavia, anche le stelle più vicine a noi si trovano a una distanza di oltre 38 trilioni di chilometri dalla Terra, quindi le loro dimensioni apparenti sono così piccole che i nostri occhi non sono in grado di distinguerle.

D'altro canto, osserviamo ancora le stelle sotto forma di sorgenti luminose puntiformi, poiché i fotoni da esse emessi superano le gigantesche distanze che ci separano e atterrano sulla nostra retina.

Diritto d'autore sull'illustrazione Thinkstock Didascalia dell'immagine L'acuità visiva diminuisce all'aumentare della distanza dall'oggetto

Tutte le singole stelle visibili nel cielo notturno si trovano nella nostra galassia, la Via Lattea. L'oggetto più distante da noi che una persona può vedere ad occhio nudo si trova al di fuori della Via Lattea ed è esso stesso un ammasso stellare: questa è la Nebulosa di Andromeda, situata a una distanza di 2,5 milioni di anni luce, o 37 quintilioni di km, da il Sole. (Alcune persone sostengono che nelle notti particolarmente buie, la loro vista acuta permette loro di vedere la Galassia del Triangolo, situata a circa 3 milioni di anni luce di distanza, ma lasciano questa affermazione alla loro coscienza.)

La nebulosa di Andromeda contiene un trilione di stelle. A causa della grande distanza, tutti questi luminari si fondono per noi in un granello di luce appena visibile. Inoltre, le dimensioni della Nebulosa di Andromeda sono colossali. Anche a una distanza così gigantesca, la sua dimensione angolare è sei volte il diametro della Luna piena. Tuttavia, ci raggiungono così pochi fotoni da questa galassia che è appena visibile nel cielo notturno.

Limite dell'acuità visiva

Perché non riusciamo a vedere le singole stelle nella Nebulosa di Andromeda? Il fatto è che la risoluzione, o acuità visiva, ha i suoi limiti. (L'acuità visiva si riferisce alla capacità di distinguere elementi come un punto o una linea come oggetti separati che non si fondono con oggetti adiacenti o con lo sfondo.)

In effetti, l'acuità visiva può essere descritta allo stesso modo della risoluzione del monitor di un computer, ovvero nella dimensione minima dei pixel che siamo ancora in grado di distinguere come singoli punti.

Diritto d'autore sull'illustrazione SPL Didascalia dell'immagine Oggetti abbastanza luminosi possono essere visti a una distanza di diversi anni luce

Le limitazioni dell'acuità visiva dipendono da diversi fattori, come la distanza tra i singoli coni e bastoncelli della retina. Un ruolo altrettanto importante è giocato dalle caratteristiche ottiche del bulbo oculare stesso, per cui non tutti i fotoni colpiscono la cellula fotosensibile.

In teoria, la ricerca mostra che la nostra acuità visiva è limitata alla capacità di distinguere circa 120 pixel per grado angolare (un'unità di misura angolare).

Un esempio pratico dei limiti dell'acuità visiva umana può essere un oggetto situato a distanza di un braccio, delle dimensioni di un'unghia, su cui sono applicate 60 linee orizzontali e 60 verticali di colori alternati bianco e nero, formando una parvenza di scacchiera. "A quanto pare, questo è il modello più piccolo che l'occhio umano può ancora discernere", dice Landy.

Le tabelle utilizzate dagli oftalmologi per testare l'acuità visiva si basano su questo principio. La tabella più famosa in Russia, Sivtsev, è composta da file di lettere maiuscole nere su sfondo bianco, la cui dimensione del carattere diminuisce con ogni riga.

L'acuità visiva di una persona è determinata dalla dimensione del carattere alla quale smette di vedere chiaramente i contorni delle lettere e inizia a confonderle.

Diritto d'autore sull'illustrazione Thinkstock Didascalia dell'immagine I grafici dell'acuità visiva utilizzano lettere nere su sfondo bianco

È il limite dell'acuità visiva che spiega il fatto che non siamo in grado di vedere ad occhio nudo una cellula biologica, le cui dimensioni sono solo di pochi micrometri.

Ma non c’è bisogno di addolorarsi per questo. La capacità di distinguere un milione di colori, catturare singoli fotoni e vedere galassie a diversi quintilioni di chilometri di distanza è un risultato piuttosto buono, considerando che la nostra vista è fornita da una coppia di sfere gelatinose nelle orbite, collegate a una massa porosa di 1,5 kg. nel cranio.