Свет в море

Внешний вид одного из первых промышленных образцов измерителя подводной освещенности (ФМПО-57) показан на рис. 38. Прибор имеет вид люстры, у которой четыре иллюминатора направлены вверх и один — вниз. В трех из пяти корпусов датчиков прибора перед селеновым фотоэлементом помещены светофильтры: красный, синий и зеленый. Это позволяет не только измерять общий световой поток, но и выделять его спектральные составляющие. Для того чтобы в результате измерений можно было определить интенсивность излучения, идущего из глубин моря к его поверхности, пятый фотоэлемент помещен в корпус, иллюминатор которого обращен вниз.

Рис. 36. Схема устройства селенового фотоэлемента

1 — железная пластинка; 2 — слой селена; 3 — запирающий слой; 4 — золотая или платиновая пленка; 5 — контактное кольцо; 6 — пластмассовый корпус

Рис. 37. Спектральные характеристики селенового фотоэлемента без коррекции 1, с корректирующим светофильтром 2 и спектральная чувствительность глаза 3

Рис. 38. Внешний вид измерителя подводной освещенности ФМПО-57

Рис. 39. Комплект прибора ФМПО-64

Прибор ФМПО-57 на тросе океанологической лебедки погружается в море до глубины 100–150 м. Фототок, вырабатываемый селенами под действием света, передается по кабелю на борт судна, где и регистрируется микроамперметром.

При всей простоте конструкции у этого прибора было много недостатков. Дело в том, что освещенность в море меняется в очень широких пределах: от десятков тысяч люксов у поверхности до единиц на глубине около 100 м. А селеновые фотоэлементы очень не любят больших засветок, так как при этом их фототок перестает быть прямо пропорциональным интенсивности света. Другими словами, прибор типа ФМПО-57 начинал работать с достаточной точностью только тогда, когда его погружали на глубину в несколько десятков метров, где освещенность не превышала 100–200 лк. Кроме того, для изучения способности морской воды пропускать свет с различными длинами волн трехцветных светофильтров было явно мало.

Группа конструкторов Загорского оптико-механического завода (под руководством Н. Ф. Шипули и В. И. Рябинина) и инженер лаборатории гидрооптики Института океанологии А. К. Карелин создали хотя и несколько сложный конструктивно, но более совершенный прибор для измерения освещенности в море ФМПО-60 и ряд его последующих модификаций (ФМПО-64 и ЛЮПО).

Прибор ФМПО-64 (рис. 39) имеет вид шара с тремя иллюминаторами, направленными вверх, вниз и под углом 90° к вертикали. Внутри герметической сферы помещен селеновый фотоэлемент, который с помощью небольшого электромоторчика может устанавливаться перед каждым из трех окон. Кроме того, в сфере помещены два диска с наборами цветных и нейтральных светофильтров, которые (также с помощью моторчиков) выставляются в нужном положении между иллюминатором и фотоэлементом. Такое устройство позволяет по мере погружения прибора в глубь моря менять плотность ослабителей света (нейтральных светофильтров), что предохраняет селен от больших засветок. В этом приборе уже не три, а шесть цветных фильтров, равномерно делящих всю видимую область спектра на относительно узкие участки. Все управление осуществляется дистанционно с пульта, установленного на борту судна и соединенного с прибором кабелем.

ФМПО-60 обладает еще одним достоинством. В его комплект входит не только измеритель подводной освещенности, но и датчик аналогичного устройства для измерения света, падающего на поверхность моря. Поверхностный датчик устанавливается на незатеняемом участке палубы или какой-нибудь судовой надстройки, и с его помощью фиксируют все изменения, происходящие в освещении поверхности моря во время измерений.

Прибором ФМПО-60 в таких чистых водах, как воды открытых районов океана, или в Средиземном море можно регистрировать свет до глубин 200–250 м. Для измерения света на больших глубинах чувствительности фотоэлементов обычно уже не хватает и их заменяют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Оптические схемы измерителей освещенности с применением ФЭУ практически мало чем отличаются от приборов с фотоэлементами. В них также входят наборы из нейтральных и цветных светофильтров.

Решая многие задачи оптики моря, надо уметь измерять не только свет, идущий в глубь моря или направленный к его поверхности, но и общую интенсивность излучения, приходящего в данную точку со всех направлений. Для этого у приборов типа ФМПО-60 предусмотрена специальная приставка, изготовленная из молочного оргстекла и имеющая форму шара. Она крепится к боковому иллюминатору прибора. Такой сферический приемник излучения воспринимает свет, идущий со всех сторон, и направляет его на фотоэлемент. Измерения, проведенные с приставкой, позволяют, в частности, определять показатель поглощения морской воды.

Кроме описанных приборов существует множество разновидностей измерителей подводной освещенности, но, как правило, они различаются между собой лишь количеством используемых светофильтров, устройствами для их переключения или другими конструктивными особенностями, не имеющими принципиального значения.

Наряду с положительными качествами фотоэлектрических приемников излучения им свойствен один, но весьма значительный недостаток: все они селективны, т. е. неодинаково реагируют на излучение различных длин волн. Изучая свет в море, часто необходимо измерить суммарную лучистую энергию на разных глубинах. А для этих целей удобно пользоваться неселективными приемниками излучения, принцип действия которых основан на термоэлектрическом эффекте, т. е. возникновении электродвижущей силы за счет различной степени нагрева черных и белых поверхностей термоэлемента [22].

Батареи, собранные из определенного количества термоэлементов, получили наименование пиранометров. В оптических исследованиях в море чаще всего пользуются пиранометром конструкции Янишевского. Приемник такого пиранометра представляет собой поверхность, составленную из системы последовательно соединенных полосок манганин — константановых термоэлементов. Поверхность эта имеет вид шахматной доски из черных и белых клеток, так как часть спаев (горячие) окрашена сажей, а часть (холодные) — магнезией в белый цвет.

При работе в море пиранометр помещается в герметичный корпус со стеклянным окном. Включенный в цепь гальванометр регистрирует ток, вырабатываемый термобатареями, поглощающими лучистую энергию. Самым крупным недостатком подводного пиранометра является небольшая чувствительность, что не позволяет использовать его даже в очень прозрачных водах на глубинах, превышающих 50–60 м.

Из следующих разделов книги станет ясно, что для морских биологов, изучающих процессы фотосинтеза в море, крайне важно знать величину суммарной энергии по крайней мере до глубин 100–150 м. Это привело к необходимости создать прибор, который бы обладал достоинствами подводного пиранометра (неселективностью), но имел гораздо большую чувствительность.

Такой прибор сейчас создан В. П. Рвачевым и его сотрудниками на кафедре оптики Черновицкого государственного университета. По принципу действия он назван вариоспектрометрическим измерителем подводной облученности или сокращенно ВАРИПО.

На рис. 40 изображена оптическая схема этого прибора. Свет попадает на иллюминатор из молочного плексигласа 1 и через щель 2 — на систему линз 3. Отсюда свет в виде параллельного пучка проходит в призму 4 прямого зрения (так называемая призма Амичи). Она разлагает свет в спектр, который проектируется объективом 5 на нормирующую диафрагму 6, а затем через линзу 7 попадает на фотоэлектронный умножитель 8.