Дальность видимости в море
Навигационный расчет видимого горизонта и дальности открытия объектов
Дальность видимости в море: теория видимого горизонта, расчет открытия маяков, виды дальностей огней и обзор по СОЛАС
Фундаментальное руководство для вахтенных помощников и судоводителей. Геометрия земной сферы, влияние земной рефракции на луч зрения, вывод формулы Струйского, строгое разграничение географической, оптической и номинальной дальностей огней (Admiralty List of Lights), аномальные миражи и требования правила 22 Главы V Конвенции SOLAS по обзору с ходового мостика.
1. Геометрическая природа видимого горизонта и земная рефракция
Находясь в открытом океане, судоводитель видит границу между морской поверхностью и небесным сводом не в бесконечности, а по круговой линии — видимому горизонту (Visible Horizon). Расстояние до него ограничено кривизной земной поверхности (средний радиус Земли принимается равным R = 6371 км).
Если бы луч света распространялся в вакууме строго прямолинейно, дальность теоретического геометрического горизонта рассчитывалась бы по теореме Пифагора:
Однако Земля окружена атмосферой, плотность которой с высотой падает. Световой луч, проходя сквозь слои воздуха различной плотности, испытывает оптическое преломление — земную атмосферную рефракцию. В нормальных условиях луч искривляется выпуклостью вверх (к центру Земли), как бы «огибая» земную поверхность. Благодаря этому наблюдатель заглядывает за чисто геометрический горизонт, и видимый горизонт отодвигается дальше примерно на 6–8%.
• Российская школа судовождения (МТ-75, МТ-2000, Таблица 22): средний коэффициент земной рефракции принимается равным x = 0.08. В результате эмпирический коэффициент формулы равен K = 2.08.
• Англо-американская школа (The American Practical Navigator / Bowditch, Admiralty Manual of Navigation): используется коэффициент K = 2.115 (при температуре +10°C и давлении 1013.25 гПа) либо 1.17, если высота задана в футах.
• Радиолокационный горизонт: радиоволны диапазона 3 и 10 см испытывают более сильную рефракцию в тропосфере, поэтому для радаров коэффициент расширяется до K ≈ 2.21 – 2.23 (дальность обнаружения цели радаром примерно на 6–10% больше оптической видимости). Подробнее о настройке РЛС читайте в нашем конспекте по использованию радара и САРП.
2. Географическая дальность открытия ориентиров (Формула Струйского)
Если наблюдаемый объект (маяк, мачта встречного судна, островная скала) сам возвышается над поверхностью моря, дальность его первого обнаружения (открытия) складывается из двух отрезков: дальности горизонта наблюдателя D1 и дальности горизонта самого объекта D2.
h (или h2) — высота фокуса огня маяка или наивысшей точки объекта (м).
Штурман никогда не должен брать паспортную высоту мостика из судового плана вслепую! Реальная высота глаза наблюдателя динамически меняется каждый рейс в зависимости от загрузки судна:
3. Три вида дальности видимости огней маяков: Географическая, Оптическая и Номинальная
Одна из наиболее частых ошибок на квалификационных экзаменах и в море — непонимание разницы между дальностью, напечатанной на навигационной карте, и той дистанцией, на которой маяк фактически откроется ночью. В навигации и лоции строго разграничивают три понятия:
| Вид дальности | Физическая основа | От чего зависит величина | Где указывается и применяется |
|---|---|---|---|
| Географическая дальность (Geographical Range) | Кривизна Земли и луч зрения. | Высота фокуса огня h и высота глаза наблюдателя e. Мощность лампы не учитывается вовсе. | Вычисляется по формуле Струйского или на нашем онлайн-калькуляторе выше. |
| Номинальная дальность (Nominal Range) | Сила света оптического аппарата маяка (в канделах). | Стандартизированная прозрачность атмосферы: метеорологическая дальность видимости строго 10 морских миль (коэффициент пропускания T = 0.74). | Именно она пишется на картах UKHO, NOAA и ГУНиО (например: Fl(2) 10s 35m 18M — номинальная дальность 18 миль). |
| Оптическая дальность (Luminous Range) | Фактическая сила света с учетом реального состояния атмосферы. | Мощность лампы и текущая метеорологическая видимость в районе (туман, дождь, кристаллическая чистота). | Определяется штурманом по специальной Номограмме оптической дальности (Luminous Range Diagram) в лоциях и пособиях Admiralty List of Lights. |
Фактическая дальность открытия огня маяка Dобн равна наименьшей из двух величин — географической или оптической:
• Наоборот: в плотную дымку (видимость 2 мили) даже высочайший маяк с географической дальностью 28 миль откроется лишь на дистанции 2–3 миль, когда луч пробьет слой взвеси.
4. Влияние температуры, давления и аномальной рефракции
Стандартный коэффициент 2.08 справедлив для средней морской атмосферы (+10°C, 1013 гПа). При резком расхождении температур воды и приводного слоя воздуха возникают аномалии:
- Сверхрефракция (повышенная рефракция): наблюдается, когда теплый воздух натекает на холодную морскую поверхность (температура воздуха значительно выше температуры воды). Плотность нижнего слоя резко возрастает, луч искривляется книзу сильнее обычного. Горизонт зрительно «приподнимается», а дальность открытия ориентиров и берегов возрастает в 1.5–2 раза! Береговые огни открываются на дистанциях 35–45 миль, создавая у вахтенного ложное впечатление близкой опасности;
- Субрефракция (пониженная рефракция): возникает при вторжении холодного арктического воздуха на теплую воду (холодный воздух над теплой поверхностью). Плотность у воды падает быстрее, луч преломляется вверх. Дальность горизонта уменьшается на 20–30%, объекты неожиданно «вырастают» из воды прямо по носу на опасной близости;
- Влияние приливов: высоты маяков на навигационных картах измеряются от определенного нуля высот (в британских картах — MHWS, Mean High Water Springs — уровень полной воды сизигийного прилива). Во время отлива реальная высота огня над водой увеличивается, что дает прибавку к дальности горизонта ориентира.
5. Навигационный обзор с ходового мостика по правилу SOLAS V/22
Дальность обнаружения других судов ограничена не только горизонтом, но и конструкцией самого судна. Международная конвенция SOLAS 74 (Глава V, Правило 22) предъявляет жесткие обязательные требования к навигационному обзору:
1. Мертвая (теневая) зона перед носом: длина непросматриваемой с мостика зоны перед форштевнем при любом эксплуатационном дифференте и погрузке не должна превышать двух длин судна (2 × L) или 500 метров (берется меньшее значение);
2. Горизонтальное поле зрения: с главного поста управления судном должен обеспечиваться непрерывный сектор обзора не менее 225° (прямо по носу и до 22.5° позади траверза каждого борта);
3. Секторы с крыльев мостика: с каждого крыла должен быть обеспечен обзор в дуге не менее 225°, а также прямая видимость борта судна для контроля швартовки;
4. Теневые секторы от судовых конструкций: затенения от кранов, грузовых стрел, мачт и контейнеров не должны превышать 10° каждый, а их суммарная дуга — не более 20°. Слепой сектор прямо по носу категорически запрещен!
6. Практические приемы штурмана: использование дальности видимости
Наблюдение горизонта лежит в основе нескольких классических навигационных методов:
- Определение места по моменту открытия (закрытия) маяка: как только огонь ориентира коснулся линии горизонта, фиксируется судовое время и берется компасный пеленг. Измеренный пеленг дает первую линию положения (пеленг), а расчетная географическая дальность по формуле Струйского Dк служит радиусом второй изолинии (окружности). Точка их пересечения дает обсервацию судна;
- Проверка открытия сменой высоты глаза: если штурман сомневается, открылся ли сам огонь или виден лишь его отблеск, достаточно присесть на 1 метр или спуститься на нижний мостик. Если огонь тут же погас за горизонтом, а при подъеме появился вновь — вы наблюдаете строгий физический момент касания горизонта;
- Вертикальный угол секстаном: измерив морским секстаном вертикальный угол α между основанием и вершиной маяка известной высоты h, дистанция до него находится по формуле: D = (1.852 × h) / α' (в милях, где α' — угол в минутах);
- Астрономическая поправка на наклонение горизонта: при измерении высот светил в мореходной астрономии угол измеряется относительно видимого горизонта, опущенного ниже истинного горизонта на угол наклонения d ≈ 1.76' × √e, который обязательно вычитается из отсчета секстана.