Опытами Ньютона было установлено, что солнечный свет имеет сложный характер. Подобным же образом, т. е. анализируя состав света при помощи призмы, можно убедиться, что свет большинства других источников (лампа накаливания, дуговой фонарь и т. д.) имеет такой же характер. Сравнивая спектры этих светящихся тел, обнаружим, что соответственные участки спектров обладают различной яркостью, т. е. в различных спектрах энергия распределена по-разному. Еще надежнее удостовериться в этом можно, если исследовать спектры при помощи термоэлемента (см. § 149).
Для обычных источников эти различия в спектре не очень значительны, однако их можно без труда обнаружить. Наш глаз даже без помощи спектрального аппарата обнаруживает различия в качестве белого света, даваемого этими источниками. Так, свет свечи кажется желтоватым или даже красноватым по сравнению с лампой накаливания, а эта последняя заметно желтее, чем солнечный свет.
Еще значительнее различия, если источником света вместо раскаленного тела служит трубка, наполненная газом, светящимся под действием электрического разряда. Такие трубки употребляются в настоящее время для светящихся надписей или освещения улиц. Некоторые из этих газоразрядных ламп дают ярко желтый (натриевые лампы) или красный (неоновые лампы) свет, другие светятся беловатым светом (ртутные), ясно отличным по оттенку от солнечного. Спектральные исследования света подобных источников показывают, что в их спектре имеются только отдельные более или менее узкие цветные участки.
В настоящее время научились изготовлять газоразрядные лампы, свет которых имеет спектральный состав, очень близкий к солнечному. Такие лампы получили название ламп дневного света (см. § 186).
Если исследовать свет солнца или дугового фонаря, профильтрованный через цветное стекло, то он окажется заметно отличным от первоначального. Глаз оценит этот свет как цветной, а спектральное разложение обнаружит, что в спектре его отсутствуют или очень слабы более или менее значительные участки спектра источника.
§ 165. Свет и цвета тел. Опыты, описанные в § 164, показывают, что свет, вызывающий в нашем глазу ощущение того или иного цвета, обладает более или менее сложным спектральным составом. При этом оказывается, что глаз наш представляет собой довольно несовершенный аппарат для анализа света, так что лучи разнообразного спектрального состава могут иногда производить почти одинаковое цветовое впечатление. Тем не менее именно при помощи глаза мы получаем знание о всем многообразии цветов в окружающем мире.
Случаи, когда свет от источника направляется непосредственно в глаз наблюдателя, сравнительно редки. Гораздо чаще свет предварительно проходит через тела, преломляясь и частично поглощаясь в них, либо в более или менее полной степени отражаясь от их поверхности. Таким образом, спектральный состав света, дошедшего до нашего глаза, может оказаться значительно измененным благодаря описанным выше процессам отражения, поглощения и т. д. В громадном большинстве случаев все подобные процессы ведут только к ослаблению тех или иных спектральных участков и могут даже полностью устранить некоторые из таких участков, но не добавляют к свету, пришедшему от источника, излучения тех длин волн, которых в нем не было. Однако и такие процессы могут иметь место (например, в явлениях флюоресценции).
§ 166. Коэффициенты поглощения, отражения и пропускания. Цвет различных предметов, освещенных одним и тем же источником света (например, солнцем), бывает весьма разнообразен, несмотря на то, что все эти предметы освещены светом одного состава. Основную роль в таких эффектах играют явления отражения и пропускания света. Как уже было выяснено, световой поток, падающий на тело, частично отражается (рассеивается), частично пропускается и частично поглощается телом. Доля светового потока, участвующего в каждом из этих процессов, определяется с помощью соответствующих коэффициентов: отражения r, пропускания t и поглощения a (см. § 76).
Каждый из указанных коэффициентов (a, r, t) может зависеть от длины волны (цвета), благодаря чему и возникают разнообразные эффекты при освещении тел. Нетрудно видеть, что какое-либо тело, у которого, например, для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффициент отражения мал, а для зеленого, наоборот, будет казаться красным в проходящем свете и зеленым в отраженном. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл - зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обусловливающее зеленый цвет их. Раствор (вытяжка) хлорофилла в спирту оказывается на просвет красным, а на отражении - зеленым.
Тела, у которых для всех лучей поглощение велико, а отражение и пропускание очень малы, будут черными непрозрачными телами (например, сажа). Для очень белого непрозрачного тела (окись магния) коэффициент r близок к единице для всех длин волн, а коэффициенты a и t очень малы. Вполне прозрачное стекло имеет малые коэффициенты отражения r и поглощения a и коэффициент пропускания t, близкий к единице для всех длин волн; наоборот, у окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффициенты t и r равны практически нулю и соответственно значение коэффициента а близко к единице. Различие в значениях коэффициентов a, t и r и их зависимость от цвета (длины волны) обусловливают чрезвычайное разнообразие в цветах и оттенках различных тел.
§ 167. Цветные тела, освещенные белым светом. Окрашенные тела кажутся цветными при освещении белым светом. Если слой краски достаточно толст, то цвет тела определяется ею и не зависит от свойств лежащих под краской слоев. Обычно краска представляет собой мелкие зернышки, избирательно рассеивающие свет и погруженные в прозрачную связывающую их массу, например масло. Коэффициенты a, r и t этих зернышек и определяют собой свойства краски.
Действие краски схематически изображено на рис. 316. Самый верхний слой отражает практически одинаково все
Рис. 316. Схема действия слоя краски
лучи, т. е. от него идет белый свет. Доля его не очень значительна, около 5%. Остальные 95% света проникают в глубь краски и, рассеиваясь ее зернами, выходят наружу. При этом происходит поглощение части света в зернах краски, причем те или иные спектральные участки поглощаются в большей или меньшей степени в зависимости от цвета краски. Часть света, проникающая еще глубже, рассеивается на следующих слоях зерен и т. д. В результате тело, освещенное белым светом, будет иметь цвет, обусловленный значениями коэффициентов a, t и r для зерен покрывающей егокраски.
Краски, поглощающие падающий на них свет в очень тонком слое, называются кроющими. Краски, действие которых обусловлено участием многих слоев зерен, носят название лессировочных. Последние позволяют добиваться очень хороших эффектов путем смешивания нескольких сортов цветных зерен (стирание на палитре). В результате можно получить разнообразные цветовые эффекты. Интересно отметить, что смешение лессировочных красок, соответствующих дополнительным цветам, должно привести к очень темным оттенкам. Действительно, пусть в краске смешаны красные и зеленые зерна. Свет, рассеянный красными зернами, будет поглощаться зелеными и наоборот, так что из слоя краски свет почти не будет выходить. Таким образом, смешение красок дает совершенно иные результаты, чем смешение света соответствующих цветов. Это обстоятельство должен иметь в виду художник при смешивании красок.
§ 168. Цветные тела, освещенные цветным светом. Все вышесказанное относится к освещению белым светом. Если же спектральный состав падающего света значительно отличается от дневного, то эффекты освещения могут быть совершенно иными. Яркие красочные места цветной картины выглядят темными, если в падающем свете отсутствуют как раз те длины волн, для которых эти места имеют большой коэффициент отражения. Даже переход от дневного освещения к искусственному вечернему может значительно изменить соотношение оттенков. В дневном свете относительная доля желтых, зеленых и синих лучей гораздо больше, чем в искусственном свете. Поэтому желтые и зеленые материи кажутся при вечернем освещении более тусклыми, чем днем, а синяя при дневном свете ткань нередко кажется совсем черной при лампах. С этим обстоятельством должны считаться художники и декораторы, выбирающие краски для театрального представления или для парада, происходящего днем на открытом воздухе.
Во многих производствах, где важна правильная оценка оттенков, например при сортировке пряжи, работа при вечернем освещении очень затруднена или даже совсем невозможна. Поэтому в подобных условиях рационально применение ламп дневного света, т. е. ламп, спектральный состав света которых был бы по возможности близок к спектральному составу дневного освещения (см. § 187).
§ 169. Маскировка и демаскировка. Даже при ярком освещении мы не в состоянии различать тела, цвет которых не отличается от цвета окружающего фона, т. е. тела, для которых коэффициент r имеет для всех длин волн практически те же значения, что и для фона. Поэтому, например, так трудно различить животных с белым мехом или людей в белой одежде на снежной равнине. Этим пользуются в военном деле для цветовой маскировки войск и военных объектов. В природе, в процессе естественного отбора, многие животные приобрели защитную окраску (мимикрия).
Из вышеизложенного понятно, что наиболее совершенной маскировкой является подбор такой окраски, у которой коэффициент отражения r для всех длин волн имеет те же значения, что и у окружающего фона. Практически этого очень трудно достичь, и поэтому нередко ограничиваются подбором близких коэффициентов отражения для излучения, которое играет особо важную роль при дневном освещении и наблюдении глазом. Это - по преимуществу желто-зеленая часть спектра, к которой особенно чувствителен глаз и которая сильнее других представлена в солнечном (дневном) свете. Однако если замаскированные с таким расчетом объекты наблюдать не глазом, а фотографировать, то маскировка может утратить свое значение. Действительно, на фотографическую пластинку особенно сильно действует фиолетовое и ультрафиолетовое излучение. Поэтому, если для этой области спектра коэффициенты отражения у объекта и фона заметно отличаются друг от друга, то при наблюдении глазом такой дефект маскировки останется незамеченным, но он резко даст себя знать на фотографии. Так же отчетливо скажется несовершенство маскировки, если вести наблюдение через светофильтр, практически устраняющий те длины волн, на которые маскировка по преимуществу рассчитана, например через синий фильтр. Несмотря на значительное понижение яркости всей картины при рассматривании через такой фильтр, на ней могут выступать детали, которые были скрыты при наблюдении в белом свете. Соединение фильтра с фотографией может дать особенно сильный эффект. Поэтому при подборе маскирующих цветов надо быть внимательным к определению r для довольно широкой области спектра, в том числе для инфракрасной и ультрафиолетовой.
Светофильтрами пользуются иногда, чтобы улучшить правильную передачу освещенности при фотографировании. Ввиду того, что максимумы чувствительности глаза и фотопластинки лежат в разных областях (для глаза - желто-зеленая, для фотопластинки - сине-фиолетовая), зрительное и фотографическое впечатления могут быть довольно различными. Фигура девушки, одетой в желтую блузку и фиолетовую юбку, кажется глазу светлой в верхней своей части и темной в нижней. На фотографической же карточке она может казаться одетой в темную блузку и светлую юбку. Если же перед фотографическим объективом поставить желтый светофильтр, он изменит соотношение освещенностей юбки и блузки в сторону, приближающуюся к зрительному впечатлению. Применяя, сверх того, фотопленку с повышенной по сравнению с обычными чувствительностью к длинным волнам (ортохроматические), мы можем добиться довольно правильной передачи освещенности фигуры.
§ 170. Насыщенность цветов. Кроме обозначения цвета - красный, желтый, синий и т. д.,- мы нередко различаем цвет по насыщенности, т. е. по чистоте оттенка, отсутствию белесоватости. Примером глубоких, или насыщенных, цветов являются спектральные цвета. В них представлена узкая область длин волн без примеси других цветов. Цвета же тканей и красок, покрывающих предметы, обычно бывают менее насыщенными и в большей или меньшей степени белесоватыми. Причина лежит в том, что коэффициент отражения большинства красящих веществ не равняется нулю ни для одной длины волны. Таким образом, при освещении окрашенной ткани белым светом мы наблюдаем в рассеянном свете по преимуществу одну область цвета (например, красную), но к ней примешивается заметное количество и других длин волн, дающих в совокупности белый свет. Но если такой рассеянный тканью свет с преобладанием одного цвета (например, красного) направить не прямо в глаз, а заставить вторично отразиться от той же ткани, то доля преобладающего цвета значительно усилится по сравнению с остальными и белесоватость уменьшится.. Многократное повторение такого процесса (рис. 317) может привести к получению достаточно насыщенного цвета.
Рис. 317. Получение насыщенного цвета при отражении от красной драпировки
Если интенсивность падающего света какой-либо длины волны обозначить через I , а коэффициент отражения для той же длины волны - через r, то получим после однократного отражения интенсивность I r, после двукратного I r 2 , после трехкратного I r 3 и т. д. Отсюда видно, что если r для какого-то узкого спектрального участка равняется, например, 0,7, а для остальных равняется 0,1, то после однократного отражения примесь белого цвета составляет 1/7, т. е. около 15%, после двукратного отражения 1/49, т. е. около 2%, и после трехкратного 1/343, т. е. меньше 0,3%. Такой свет можно считать вполне насыщенным.
Описанным явлением объясняется насыщенность цветов бархатных тканей, ниспадающих складками драпировок или реющих знамен. Во всех этих случаях имеются многочисленные углубления (бархат) или складки окрашенной материи. Падая на них, белый свет претерпевает многократное отражение, прежде чем достигнет глаза наблюдателя. При этом, конечно, ткань представляется более темной, чем, например, гладкая натянутая полоса цветного сатина; но насыщенность цвета увеличивается чрезвычайно сильно, и ткань выигрывает в красоте.
В § 167 мы упоминали, что поверхностный слой любой краски всегда рассеивает белый свет. Это обстоятельство портит насыщенность цветов картины. Поэтому картины, писанные масляными красками, обычно покрывают слоем лака. Заливая все неровности краски, лак создает гладкую зеркальную поверхность картины. Белый свет от этой поверхности не рассеивается во все стороны, а отражается по определенному направлению. Конечно, если смотреть на картину с неудачно выбранной позиции, то такой свет будет очень мешать {«отсвечивание»). Но если рассматривать картину с других мест, то благодаря лаковому покрытию белый свет от поверхности в этих направлениях не распространяется, и цвета картины выигрывают в насыщенности.
§ 171. Цвет неба и зорь. Изменение спектрального состава света, отраженного или рассеянного поверхностью тел, связано с наличием избирательного поглощения и отражения, выражающегося в зависимости коэффициентов a и r от длины волны.
В природе играет большую роль еще одно явление, ведущее к изменению спектрального состава солнечного света. Свет, доходящий до наблюдателя от участков безоблачного небесного свода, далеких от Солнца, характеризуется довольно насыщенным голубым или даже синим оттенком. Несомненно, что свет неба есть солнечный свет, рассеиваемый в толще воздушной атмосферы и поэтому доходящий до наблюдателя со всех сторон, даже по направлениям, далеким от направления на Солнце. Рис. 318 поясняет происхождение рассеянного света неба. Теоретическое исследование и опыты показали, что такое рассеяние происходит благодаря молекулярному строению воздуха; даже вполне свободный от пыли воздух рассеивает
Рис. 318. Происхождение цвета неба (свет Солнца, рассеянный атмосферой). До поверхности Земли (например, точки А) доходит как прямой свет Солнца, так и свет, рассеянный в толще атмосферы. Цвет этого рассеянного света и называется цветом неба
солнечный свет. Спектр рассеянного воздухом света заметно отличается от спектра прямого солнечного света: в солнечном свете максимум энергии приходится на желто-зеленую часть спектра, а в свете неба максимум передвинут к голубой части. Причина лежит в том, что короткие световые волны рассеиваются значительно сильнее длинных. По расчетам английского физика Джона Стретта лорда Рэлея (1842-1919), подтвержденным измерениями, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, если рассеивающие частицы малы по сравнению с длиной волны света, следовательно, фиолетовые лучи рассеиваются почти в 9 раз сильнее красных. Поэтому желтоватый свет Солнца при рассеянии превращается в голубой цвет неба. Так обстоит дело при рассеянии в чистом воздухе (в горах, над океаном). Наличие в воздухе сравнительно крупных частичек пыли (в городах) добавляет к рассеянному голубому свету свет, отраженный частичками пыли, т. е. почти неизмененный свет Солнца. Благодаря этой примеси цвет неба становится в этих условиях более белесоватым.
Преимущественное рассеяние коротких волн приводит к тому, что доходящий до Земли прямой свет Солнца оказывается более желтым, чем при наблюдении с большой высоты. На пути через толщу воздуха свет Солнца частично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются короткие волны, так что достигший Земли свет становится относительно богаче излучением длинноволновой части спектра. Это явление особенно резко сказывается при восходе и закате Солнца (или Луны), когда прямой свет проходит значительно большую толщу воздуха (рис. 319). Благодаря этому Солнце и Луна на восходе (или закате) имеют медножелтый, иногда даже красноватый оттенок. В тех случаях,
Рис. 319. Объяснение красного цвета Луны и Солнца на восходе и закате: S 1 - светило в зените - короткий путь в атмосфере (АВ); S 2 - светило на горизонте - длинный путь в атмосфере (СВ)
когда в воздухе имеются очень мелкие (значительно меньшие длины волны) частички пыли или капельки влаги (туман), рассеяние, вызываемое ими, также идет по закону,
Рис. 320. Рассеяние света мутной жидкостью: падающий свет - белый, рассеянный свет - синеватый, проходящий свет - красноватый
близкому к закону Рэлея, т. е. по преимуществу рассеиваются короткие волны. В этих случаях восходящее и заходящее Солнце может быть совершенно красным. В красный же цвет окрашиваются и плавающие в атмосфере облака. Таково происхождение прекрасных розовых и красных оттенков утренней и вечерней зорь.
Можно наблюдать описанное изменение цвета при рассеянии, если пропустить пучок света от фонаря через сосуд (рис. 320), наполненный мутной жидкостью, т. е. жидкостью, содержащей мелкие взвешенные частицы (например, водой с несколькими каплями молока). Свет, идущий в стороны (рассеянный), заметно синее, чем прямой свет фонаря. Если толща мутной жидкости довольно значительна, то свет, прошедший сквозь сосуд, теряет при рассеянии столь значительную часть коротковолновых лучей (синих и фиолетовых), что оказывается оранжевым и даже красным. В 1883 г. произошло сильнейшее извержение вулкана на острове Кракатау, наполовину разрушившее остров и выбросившее в атмосферу огромное количество мельчайшей пыли. На протяжении нескольких лет пыль эта, развеянная воздушными течениями на огромные расстояния, засоряла атмосферу, обусловливая интенсивные красные зори.
Свет - электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Нередко, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Одной из характеристик света является его цвет, который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения - его спектральным составом.
Осн. источник света - солнце. Излучаемый им свет принято считать белым. От солнца идет свет с разной длиной волны.
Свет имеет температуру, которая зависит от мощности светового излучения. В свою очередь мощность зависит от длины волны.
Свет от лампы накаливания кажется белым, но его спектр смещен в сторону красного.
Свет от люминесцентной лампы смещен в сторону фиолетовой части спектра, имеет голубоватую окраску и большую цветовую температуру
Свет солнечного света в высокогорной местности смещен в сторону фиолетовых волн. Это обусловлено разряженной атмосферой на большой высоте.
В песчаной пустыне спектр будет смещен в сторону красных волн, т.к. к солнечному свету добавляется излучение раскаленного песка.
При осуществлении съемки необходимо учитывать данные факты, знать спектр имеющегося светового излучения для того, чтобы получить качественный снимок с оттенками, имеющимися в оригинале.
Т.о. от разных источников света идут фотоны разной длины.
Цвет - ощущение, вызываемое в глазах и мозгу человека светом различных длин волн и интенсивности.
Излучение разной интенсивности объективно существует и вызывает ощущение определенного цвета. Но само по себе оно цвета не имеет. Цвет возникает в органах зрения человека. Он не существует независимо от них. Поэтому его нельзя считать объективной величиной.
Для описания цвета применяются субъективные качественные и количественные оценки его характеристик.
Причинами возникновения цветовых ощущений являются электромагнитное излучение, свет, объективные характеристики которого связаны с субъективными характеристиками цвета, его насыщенностью, тоном, яркостью.
Цветовой тон субъектив. обусловленный свойствами зрительного восприятия человека, света, опр.волны интенсивности.
Температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет, называется цветовой температурой. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре около 12 500-25 000 К, т е. гораздо выше температуры солнца. Цветовая температура выражается в Кельвинах (К).
Понятие цветовой температуры применимо только к тепловым (раскаленным) источникам света. Свет электрического разряда в газах и парах металлов (натриевые, ртутные, неоновые лампы) не может быть охарактеризован величиной цветовой температуры.
Для того, чтобы "увидеть" цвет нужны две вещи: освещенный светом объект (физический компонент процесса) и человеческий глаз (физиологическая составляющая).
С физической точки зрения, то, что мы воспринимаем, как цвет является набором электромагнитных волн определенного диапазона частот, различаемого человеческим глазом.
С точки зрения биологии и физиологии человека, за цветовое восприятие человеческого глаза отвечают два различных типа нервных клеток ( рецепторов ), называемых соответственно колбочками и палочками, поглощающими световые волны и вырабатывающими нервный импульс в мозг.
Относительно человеческого глаза следует заметить, что все цвета воспринимаются различными людьми по-разному - не существует двух людей одинаково воспринимающих один и тот же цвет. Вы можете убедиться в этом, проведя эксперимент, в котором сравните свое восприятие цветов с восприятием другого человека.
Наукой доказано, что свет представляет собой электромагнитный спектр - последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания. Оптическая область спектра электромагнитных излучений состоит из трех участков: невидимых ультрафиолетовых излучений (длина волн 10-400 нм), видимых световых излучений (длина волн 400-750 нм), воспринимаемых глазом как свет и невидимых инфракрасных излучений (длина волн 740 нм - 1-2 мм). Световые излучения, воздействуют на глаз и вызывают ощущение цвета, при этом электромагнитные волны (нм) излучения имеют следующие цвета:
Дневной солнечный свет воспринимается человеком как наиболее естественный. А вот свет, ламп накаливания, более "теплый", то есть содержит больше красных тонов. В то же время освещение лампами дневного света отличается избытком синих тонов и поэтому кажется "холодным".
Введем понятия об основных световых величинах и единицах.
Существует несколько стандартных источников света.
Свет источника цветовой температуры 2854 К считается стандартным излучением для электрических ламп накаливания.
Новый термин
Цветовая температура - температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый свет. Цветовая температура измеряется в Кельвинах (К). Так, по стандарту на мониторы вы можете устанавливать их цветовую температуру 9300 или 6500 К, что соответствует более голубому или более желтому цвету.
В фотографии лампы накаливания могут использоваться как осветители общего (рассеянного) и направленного света. Важной характеристикой осветителей является угол рассеяния - угол, в пределах которого сила света осветительного прибора снижается не более чем на 10 % от силы света в направлении оси.
Осветители общего света должны быть с большим углом рассеяния (60-80 градусов), а у осветителей направленного света (прожектора) угол рассеяния должен колебаться от узкого (несколько градусов) до довольно широкого (60 градусов).
Как осветители на практике применяют устройства с галогенными лампами, например "Свет-500" или "Луч-300". Такой осветитель представляет собой отражатель, источник света в котором размещен горизонтально, по оси отражателя. Прибор рассчитан на установку ламп накаливания мощностью 275 или 500 Вт. Выдвижной патрон позволяет регулировать светораспределение. Прибор годится как для создания общего, так и направленного освещения. Угол может быть ограничен с помощью имеющихся на приборе двух створок. Крепится прибор на штативе.
По международному соглашению за стандарт прямого солнечного света принимается излучение с цветовой температурой 5400 К.
Солнечный свет бывает направленным (прямым) и рассеянным атмосферой. Он непостоянен по интенсивности и по спектральному распределению энергии излучения. Спектр солнечного излучения изменяется, например, от того, как расположен объект - на солнце или в тени.
В ранние утренние и предвечерние часы в солнечном свете содержится значительно больше оранжевых и красных лучей, чем в середине дня.
С восхождением солнца постепенно увеличивается не только интенсивность света, но и его цветовая температура.
На характер солнечной освещенности постоянное влияние оказывает атмосфера. При наличии кучевых облаков контрастность света снижается приблизительно в 2 раза по сравнению с освещением в ясную, безоблачную погоду.
Лампы дневного света и фотовспышки обладают равноэнергетическим спектром, в котором энергии всех монохроматических излучений равны между собой. Иначе говоря, электронные импульсные фотовспышки имеют спектр излучения близкий к дневному освещению.
Одна из главных характеристик вспышки - ведущее число - произведение расстояния от фотовспышки до объекта съемки на число диафрагмы объектива. Ведущее число зависит от энергии вспышки, угла рассеяния светового пучка и конструкции отражателя. Обычно ведущее число указывается для пленки чувствительностью 100 ISO (65 ед. ГОСТ).
Для математического описания цвета в компьютерных устройствах ( цифровых фотоаппаратах , сканерах , принтерах, мониторах) существуют различные цветовые модели (или цветовые пространства), такие как: CMYK , RGB , HSB , L*A*B* и другие. В таких моделях каждому основному цвету присваивается определенное значение цифрового кода. Поясним сказанное на примере.
Для знакомства с цветовыми моделями стандартного для операционной системы Windows XP графического редактора MS Paint XP выполните команду: Пуск Все программы Стандартные Paint , а затем команду: Палитра Изменить палитру Определить цвет (рис. 1.1).
На этом рисунке мы видим, что выбранный нами в спектре в соответствии с положением указателя цвет будет представлен в любом цифровом устройстве в цветовой модели HSB числами 84,200,120 или в цветовой модели RGB числами 21,234,43.
НОВЫЙ ТЕРМИН
Цветовые модели (или цветовые пространства) представляют собой математически точные средства для описания цвета. Так, если послать на монитор цветовой сигнал R21G234B43, то на любом мониторе должен появиться один и тот же цвет (в данном случае, зеленый).НОВЫЙ ТЕРМИН
Если видимый спектр света последовательно (как в радуге) разместить на окружности , то получится цветовой круг. С использованием цветового круга нагляднее видно взаимодействие различных электромагнитных волн (цветов), при их смешении.
Цветовой круг в фотографии имеет большое практическое значение. Из рис. 1.2 видно: для того, чтобы усилить в изображении какой-либо цвет, нужно ослабить дополняющий его комплементарный цвет (расположенный напротив его на цветовом круге). Например, чтобы изменить общее цветовое содержание изображения в сторону увеличения зеленого цвета, следует снизить в нем содержание пурпурного цвета, а если вы хотите увеличить на фотографии количество желтых тонов, то вам следует уменьшить интенсивность синего. Именно на этом принципе основана цветовая коррекция изображения в графических редакторах (например, в Adobe Photoshop).
На цветовом круге правый верхний сектор круга считается "теплым", а нижний левый - "холодным". Такая характеристика цвета как теплота во многом определяет воздействия цвета на человека. К теплым цветам можно отнести оранжевые, красные и желтые цвета. Здесь возможны ассоциации с огнем. К холодным - оттенки синего и голубого. У кого-то при этом могут возникнуть ассоциации со льдом. Теплые цвета кажутся близкими, добрыми, в то время как холодные - как бы далеки и независимы. Продуманное использование холодных и теплых оттенков позволит вам усилить свои фотоработы.
ТЕМА: СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ
1. Солнечная радиация. Виды радиационных потоков.
2. Спектральный состав солнечной радиации.
3. Изменение солнечных лучей в атмосфере.
4. Радиационный баланс и его составляющие.
5. Приход солнечной радиации на различные формы рельефа и посевы.
1. Солнечная радиация
Солнечная радиация – это излучение Солнца, состоящее из электромагнитных волн различной длины (от 0,2 до 24 мкм) 1 мкм = 10 -6 м. Интенсивность солнечной радиации измеряется в [Вт/м 2 ] или [Дж/м 2 .сек], солнечные лучи преодолевают расстояние от Солнца до Земли за 8,5 минут со скоростью 300 тысяч км/сек, и приносят на Землю свет и тепло, необходимые для существования биосферы.
(от Солнца до Земли ≈ 150 млн. км.)
Виды радиационных потоков:
Прямая солнечная радиация – это солнечная радиация, поступающая на Земную поверхность, непосредственно от Солнечного диска в виде пучка параллельных, солнечных лучей. (S) ,[Вт/м 2 ].
Рассеянная солнечная радиация – это солнечная радиация, которая при прохождении через земную атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов аэрозолей.
(Аэрозоль – мельчайшие твердые и жидкие частицы, взвешенные в атмосфере).
Отраженная солнечная радиация – это та часть солнечной радиации, которая отражается от земной поверхности. (R к)
(Земля, как и любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, то есть –273 0 С, излучает тепло)
Тепло, которое излучает Земля в атмосферу, называется - тепловое излучение Земли. (Е з)
(Атмосфера поглощает это тепло, так же часть солнечной радиации. В результате она нагревается и начинает излучать тепло ≈ 30% - в космос и ≈ 70% - в сторону, навстречу Земле).
Тепло, которое излучает атмосфера в сторону Земли, называется встречное излучение атмосферы (Е з).
Разность между тепловым излучением Земли и встречным излучением атмосферы, называется эффективное излучение (Е эф)
УФ – лучиВидимая часть спектраИК – лучи
(λ ‹ 0,4 мкм) (λ от 0,4 до 0,76 мкм) (λ › 0,76 мкм)
1. УФ – лучи практически не достигают земной поверхности, поглощаясь озоновым слоем. Негативно влияют на рост растений.
2. ИК – лучи по биологическому действию подразделяют на две группы:
а) ближнее ИК – излучение (λ до 4мкм). Эти лучи невидимы и дают тепло. Они активно поглощаются водой, содержащейся в растениях, и ускоряют их рост и развитие.
б) дальнее ИК – излучение (λ более 4 мкм). Также невидимы, дают тепло, но не оказывают существенного влияния на растения.
3. Видимая часть спектра состоит из цветных лучей, в совокупности дающих белый цвет.
В диапазоне от 0,38 до 0,71 мкм находится ФАР – это часть солнечной радиации, которая поглощается растениями и используется в процессе фотосинтеза.
Известно, что наиболее интенсивно растения поглощают сине-фиолетовые и красно-оранжевые лучи, меньше – желто-зеленые.
Для того, чтобы образование органических веществ, в процессе фотосинтеза, превышало распад органических веществ в процессе дыхания,необходимо, чтобы освещенность, создаваемая солнечным излучением, была выше определенного значения, называемого компенсационной точкой. Если освещенность выше этой точки, происходит накопление органических веществ. Для светолюбивых растений компенсационная точка ≈ 20 – 35 Вт/м 2 , у теневыносливых она меньше (до 15 Вт/м 2)
3. Изменение солнечных лучей в атмосфере
При прохождении через атмосферу УФ – лучи практически полностью поглощаются ее верхними слоями. Инфракрасные и видимые лучи частично поглощаются водяным паром и СО 2 . Поэтому, чем большее количество водяного пара содержится в атмосфере, тем меньше количество солнечной радиации достигает земной поверхности. В среднем в атмосфере поглощается ≈15% солнечной энергии. Кроме того, ≈ 255 солнечной радиации рассеивается облаками, молекулами атмосферных газов и аэрозолями.
Интенсивность рассеяния солнечных лучей в атмосфере зависит от следующих факторов:
1). Высоты Солнца над горизонтом (Чем меньше высота Солнца, тем больший путь луча через атмосферу и тем сильнее поглощаются и рассеиваются солнечные лучи).
2). Концентрации в атмосфере рассеивающих частиц (чем больше концентрация, тем рассеивание интенсивнее).
3). Длины волны солнечных лучей (чем меньше длина волны, тем сильнее рассеиваются такие лучи).Закон рассеяния лучей Релея -
(где С – коэффициент, зависящий
от числа рассеивающих частиц
в единицу объема)
а). Наименьшая длина волны у фиолетовых лучей, чуть больше у голубых и синих.
Но так как именно последние имеют максимальную в спектре квантовую энергию, то и в рассеянном свете наибольшая энергия смещается на сине-голубые лучи, что и обуславливает голубой цвет неба.
б). Чем ниже Солнце, тем больше путь лучей и тем сильнее они рассеиваются. А так как наиболее интенсивно рассеиваются коротковолновые лучи, то достигают Земли лучи с наибольшей длиной волны, то есть красные. Поэтому заходящее Солнце –красное.
в). Капли тумана и облаков одинаково рассеивают лучи с любой длиной волны (нейтральное рассеяние), поэтому они кажутся белыми.
4. Радиационный баланс и его составляющие
Радиационный баланс – разность между приходящими земной поверхности и уходящими от нее потоками лучистой энергии.
Если приход больше расхода, то радиационный баланс положительный и земная поверхность нагревается, а если наоборот – охлаждается.
Радиационный баланс становится положительным через 1 час после восхода Солнца, отрицательным за 1 – 2 часа до захода
Соотношение прямой и рассеянной солнечной радиации в составе суммарной зависит:
А). От высоты Солнца над горизонтом (чем выше Солнце, тем больше доля прямой солнечной радиации и меньше рассеянной)
Б). От облачности и загрязненности атмосферы (чем прозрачнее атмосфера, тем больше доля прямой солнечной радиации. Облака, даже не закрывающие Солнце, значительно увеличивают приход рассеянной солнечной радиации).
В). От высоты местности над уровнем моря (чем выше пункт над уровнем моря, тем быстрее приход прямой солнечной радиации и меньше рассеянной).
Кроме того, зимой вследствие отражения солнечной радиации от снега и вторичного ее рассеяния в атмосфере, доля рассеянной солнечной радиации в составе суммарной, заметно увеличивается.
Мощность потока прямой солнечной радиации выше, чем рассеянной. Поэтому прямая солнечная радиация приносит намного больше света и тепла.
2. Величина отраженной солнечной радиации в значительной степени зависит от альбедо земной поверхности.
Альбедо – отражательная способность любой поверхности.Чем больше альбедо поверхности, тем интенсивнее отражаются от нее солнечные лучи и, следовательно, тем меньше нагревается эта поверхность.
Максимальное альбедо в природе у свежего снега: 80 – 95%, минимальное у темных почв (5 –15%).
Альбедо зависит цвета поверхности (у темных меньше, чем у светлых); от шероховатости поверхности (у гладких выше, чем у шероховатых). Кроме того, альбедо зависит от высоты Солнца над горизонтом: у любой поверхности максимальное альбедо утром и вечером, минимальное в полдень (так как в это время меньше рассеянной солнечной радиации, а именно она лучше отражается).
|
Величина Е эф зависит от соотношения теплового излучения Земли (Е з) и встречного излучения атмосферы (Е а). При повышении температуры земной поверхности, увеличивается излучение земли, следовательно, эффективное излучение так же возрастает. При этом земная поверхность интенсивно теряет тепло. Встречное излучение атмосферы, наоборот, является источником тепла в дополнении к солнечной радиации.
Так, подсчитано, что если бы атмосфера, не возвращала тепло обратно на Землю, то средняя температура земной поверхности была бы не +15 0 С, а –23 0 С. Такое влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым эффектом.
Величина излучения атмосферы прямо пропорциональна содержанию СО 2 и водяного пара в атмосфере, а также количеству облаков.
(Чем больше и плотнее облачность, тем выше излучение атмосферы и,следовательно, меньше охлаждается земная поверхность.)
(Вот почему, в пасмурные ночи заморозки на почве гораздо реже, чем в ясные).
Зависимость радиационного баланса земной поверхности
от облачности
Радиационный баланс и связанный с ним тепловой режим планеты в холодное время года (то есть зимой, ранней весной и поздней осенью) определяется, главным образом, эффективным излучением. А так как эффективное излучение тем ниже, чем больше и плотнее облачность, то в пасмурную, облачную погоду температура воздуха и почвы будет всегда выше, чем в ясную, безоблачную погоду.
А в теплое время года (летом, поздней весной и ранней осенью) температура на Земле определяется прямой солнечной радиацией . Ее интенсивность тем меньше, чем больше облачность. Поэтому в пасмурную погоду, в это время года всегда прохладнее, чем в ясную, безоблачную погоду.
Количество солнечной радиации, поступающей на земную поверхность в течении года, равно количеству солнечной радиации, уходящей от планеты за год.
Поэтому, в целом за год радиационный баланс Земли равен нулю.
5. Приход солнечной радиации на различные формы рельефа и посевы
Поступление прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей. Максимальное количество солнечной радиации получает земная поверхность тогда, когда угол 90 0 . Чем меньше угол (то есть, чем ниже Солнце над горизонтом), тем меньшее количество солнечной радиации поступает на единицу поверхности.
Приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность:h ○ – высота Солнца
S – прямая солнечная радиация на поверхность,
перпендикулярную солнечным лучам.
Пример: если S = 100 Вт/м 2 h ○ = 30 0
Sin 30 0 = 0,5 и S´ =100/2 = 50 Вт/м 2
Поступление солнечной радиации на различные формы рельефа зависит, главным образом, от экспозиции склонов. Склоны южной экспозиции получают максимальное количество тепла и света, северные – минимальное. Восточные и западные – меньше, чем южные, но больше, чем северные.
Основной фактор, определяющий поглощение ФАР посевами –это отношение площади листовой поверхности к площади поля (L).
Поглощение ФАР растениями максимальное, если L = 4 ,то есть
40 000 м 2 листовой поверхности
При дальнейшем возрастании L, поглощение ФАР посевами не увеличивается.
Спектральный состав излучения определяется цветовой температурой (ТцВ) источника света, которая выражается в градусах Кельвина. Так, Тцв ЛН составляет 2800-3600 К, при этом излучается преимущественно оранжево-красная часть спектра. Эти лампы превращают в световой поток лишь 5 % (до 18,6 %) потребляемой энергии, испускают непрерывный поток излучения и имеют срок службы 1000 ч(ГОСТ2239-79).[ ...]
Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного состава вещества, основанный на исследовании его спектров . Физическая основа спектрального анализа - спектроскопия атомов и молекул, его классифицируют по целям анализа и типам спектров . Атомный спектральный анализ определяет элементный состав образца по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения, молекулярный спектральный анализ - молекулярный состав вещества по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного рассеяния света .[ ...]
Интенсивность света и его спектральный состав - мощный бо-танико-географический экологический фактор. Широтные различия в интенсивности и спектральном составе радиации во многом определили особенности формирования типов растительности, характерных для тундр, тайги, степей и других географических зон земного шара. Световой режим, сложившийся в том или ином регионе, выполняет роль фактора естественного отбора растений. Поэтому в одних местообитаниях преобладают светолюбивые растения (гелиофиты), в других - тенелюбивые, теневыносливые (сциофиты).[ ...]
Остается еще исследовать спектральный состав света, рассеиваемого крупными частицами.[ ...]
Существенное влияние оказал спектральный состав света и на подземную часть растений. Как видно из табл. 31 и рис. 242, внесение кииетина в культуральную среду в условиях синего света заметно стимулировало клубиеобразоваиие. При освещении же красным светом стимулирующий эффект кшхетппа не проявился (на коротком дне) или же был выражен значительно слабее (на длинном дне). Зависимость морфогенетического действия ИУК от спектрального состава света оказалась прямо противоположной той, которая выявилась в случае кииетина. Особенно ясно стимулирующее влияние ИУК в комбинации с освещением красным светом обнаружилось в условиях длинного дня.[ ...]
Лампы накаливания генерируют свет по принципу теплового нагрева. Видимое излучение в них возникает в результате нагревания нити накала до температуры свечения, от которой и зависит спектральный состав излучения.[ ...]
Согласно существующим представлениям, спектральный состав света наряду с влиянием на устьичный аппарат оказывает сильное воздействие на чувствительность растительности к атмосферным загрязнениям, особенно с учетом влияния солнечной радиации на различные светозависимые физиологические процессы. Из результатов наблюдений на загрязненных территориях и в фумигационных камерах стало известно, что высокая интенсивность освещения не только во время, но и после газации может усиливать реакции растений на загрязнители воздуха (Stoklasa, 1923; Haselhoff et al., 1932; van Haut, Stratmann, 1970). Например, пребывание при полном солнечном освещении растений сои (Glycine max.[ ...]
На рост и развитие растений влияют внешние факторы: интенсивность и спектральный состав света, продолжительность дня и ночи, температура и влажность воздуха и почвы, органические и минеральные удобрения.[ ...]
В океане интенсивность освещения падает с глубиной. Параллельно изменяется и спектральный состав света: глубже всего проникает его коротковолновая часть - синие и голубые лучи. Освещенность щ мелководье мало отличается от суши, и обитающие здесь рыбы имеют в сетчатке большой процент колбочек, чувствительных к красному цвету. У рыб, обитающих в зеленой воде прибрежной зоны, таких колбочек нет; отсутствуют у них и оранжево-чувствительные клетки. Среди глубоководных рыб большинство имеют в сетчатке лишь один тип палочек, чувствительных к синему цвету.[ ...]
Таким образом, в разных местообитаниях различаются не только интенсивность радиации, но и ее спектральный состав, продолжительность освещения растений, пространственное и временное распределение света разной интенсивности и т. д. Соответственно разнообразны и приспособления организмов к жизни в наземной среде при том или ином световом режиме. Как уже нами было отмечено ранее, по отношению к свету различают три основных группы растений: светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сцио-фиты) и теневыносливые. Светолюбивые и тенелюбивые растения различаются положением экологического оптимума (рис. 5.43).[ ...]
Для лучшего понимания процессов крашения и подцветки бумаги необходимо кратко остановиться на природе света и цвета. Солнечный луч света состоит из смеси простых монохроматических цветов, отличающихся длиной волны и коэффициентом преломления. Длина волн лучей видимого спектра лежит в пределах от 380 до примерно 780 нм. За пределами видимой части спектра располагается невидимая его часть. Участки спектра с длиной волны более 780 нм называются инфракрасными, или тепловыми, а участки с длиной волны менее 380 нм называются ультрафиолетовыми (УФ). Эти лучи химически активны и отрицательно влияют на свето-прочность некоторых пигментов и красителей. Световые лучи, исходящие от различных источников света, имеют неодинаковый спектральный состав и поэтому значительно отличаются по цвету.[ ...]
В связи с тем, что лучи разных участков солнечного спектра неодинаково поглощаются водой, с глубиной изменяется и спектральный состав света, ослабляются красные лучи (рис. 5.20). Сине-зеленые лучи проникают на значительные глубины. Сгущающиеся с глубиной сумерки в океане имеют вначале зеленый, затем голубой, синий, сине-фиолетовый цвета, сменяясь в дальнейшем постоянным мраком (рис. 5.21). Соответственно сменяют друг друга с глубиной и живые организмы.[ ...]
В условиях плохой освещенности (в пещерах, в глубинных горизонтах водоемов) в клетках сине-зеленых водорослей изменяется пигментный состав. Это явление, получившее название хроматической адаптации, представляет собой приспособительное изменение окраски водорослей под влиянием изменения спектрального состава света за счет увеличения количества пигментов, имеющих окраску, дополнительную к цвету падающих лучей. Изменения окраски клеток (хлорозы) происходят и в случае недостатка в среде некоторых компонентов, в присутствии токсических веществ, а также при переходе к гетеротрофному типу питания.[ ...]
Изучено разностороннее влияние на результаты дешифрирования таких природных факторов, как структура равнинных и горных ландшафтов, состав и сочетание в нем различных насаждений, структура полога и крон, условий освещения ландшафта прямым и рассеянным светом, спектральных характеристик растений и растительных группировок, сезона аэрофотосъемки, состояния атмосферы, влияющего на смещение деревьев от их раскачивания. Анализировалось многостороннее влияние таких технических условий аэрофотосъемки, как фокусное расстояние и угол изображения фотокамеры, высота фотографирования, величина проекции и разность параллаксов деревьев, масштаб, наклоны камеры и разность высот фотографирования стереопары, тип аэропленки и ее спектральная чувствительность, разрешающая способность и сдвиг изображения, способы получения позитивов и т.д. Такой анализ оказался совершенно необходимым для определения пригодности аэрофотоснимков при решении различных задач изучения лесов. Он нужен также для определения и выбора технических параметров съемки, соответствующих природным условиям региона (Киреев, 1975).[ ...]
Весьма перспективным методом определения концентрации хлорофилла является флюоресцентный метод, суть которого состоит в анализе спектра отраженного сигнала и сравнении площадей спектральных полос флюоресценции хлорофилла и водной среды. Отношение этих величин пропорционально отношению концентраций хлорофилла и молекул воды. На сегодня уже имеется набор данных «спектр возбуждения - спектр флюоресценции», по которым можно судить о возможностях неконтактного контроля хлорофилла по его флюоресценции и, в частности, установлен факт, что вода как таковая собственной флюоресценцией не обладает. Кроме того, по изменениям форм спектра фотолюминесценции при соответствующих изменениях возбуждающей длины волны можно качественно характеризовать состав флюоресцирующего фитопланктона, по свечению в УФ - свете определять соотношение физиологически наиболее активных, ослабленных и неактивных (мертвых) хлорофиллсодержащих клеток.[ ...]
Интенсивность облучения зависит от широты местности и угла падения лучей на поверхность. Поглощательная способность тела зависит от материала, из которого оно выполнено (стали), и от спектрального состава падающего облучения (солнечного света). Поглощенная телом энергия излучается обратно, однако спектральный состав излучения и его энергия уже отличны от падающего излучения.[ ...]
По мере углубления в толщу листового полога тени (зоны пониженной освещенности) становятся все более и более размытыми, потому что из-за рассеяния и переотражения значительная часть световых лучей утрачивает первоначальное направление. Изменен и спектральный состав прошедшего через листовой полог света - он обладает пониженной фотосинтетиче-ской активностью, так как в нем снижена доля ФАР. Изменены, таким образом, свойства света и как ресурса, и как условия.[ ...]
Выражение (30) позволяет для различных районов моря рассчитывать цвет (спектр моря) по данным измерения глубины исчезновения белого диска; при помощи таблиц получают коэффициент рассеяния и для различных длин световых волн задаются значениями коэффициента поглощения. В настоящее время для разных районов Мирового океана при помощи спектрофотометров определен спектральный состав диффузного (внутреннего) света.[ ...]
Кроме объемов водного стока методы ДЗЗ позволяют оценивать и некоторые показатели качества поверхностных вод. Зондирование водных объектов в «тепловом» диапазоне дает возможность локализовать, в частности, места сосредоточенных сбросов. Микроволновое зондирование применяется для обнаружения нефтяных пятен на поверхности внутренних водоемов, заливов морей и океанов. Показатели интенсивности и спектральный состав отраженного от водной поверхности солнечного света может быть индикатором качества воды водоема, поскольку характеристики отраженного света изменяются вместе с изменениями концентраций растворенных и взвешенных веществ, планктона, водорослей. Цвет и температура водоема могут свидетельствовать также о определенном трофическом статусе водного объекта L.[ ...]
Древние микроорганизмы, растения и животные участвовали в создании мощных запасов ископаемых топлив, толщ известняков, фосфоритов, некоторых руд и глинистых пород, содержащих железо, алюминий, марганец и другие металлы. По мнению А.Ю. Розанова (1999), «за редким исключением все осадочные породы в той или иной степени образовались с участием микробов». Биогенная миграция веществ во многом определила формирование ландшафтов и природно-климатических зон. Фотосинтез в растениях обусловил современный состав атмосферы, от которого зависят окислительно-восстановительное равновесие среды, радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение многих химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие.
