Интенсивность света в условных единицах
В воде морей, менее прозрачной, чем океанская (поэтому в ней резче проявляется влияние «дымки»), видимость предметов при естественном освещении прекращается уже на глубинах 40-60 м, а в воде большинства рек - на глубине еще меньшей. В некоторых случаях она измеряется всего лишь несколькими метрами или даже долями метра.
Таким образом, даже в середине ясного дня в речных и мелких озерных водоемах видимость тех или других объектов не может превышать нескольких метров. В морской, более прозрачной, воде при ярком солнечном освещении можно видеть на несколько большем расстоянии. Наибольшее расстояние, на котором с поверхности водоема можно видеть погруженные в воду Саргассова моря белые диски (диаметром 30 см), составляет около 50-60 м. С увеличением глубины контраст между диском и водным фоном становится ниже порога различения. В Балтийском море диски перестают различаться на глубине 7-43 м, в Черном море вдали от берегов - на глубине 28 м. В воде рек и озер диск может становиться невидимым уже на глубине 0,5-1,5 м.
Рис.5. Падение интенсивности освещенности под водой с увеличением глубины. Интенсивность - на глубине 1 м, принята за 1000; для лучей фиолетового цвета (1), зеленого цвета (2), красного цвета (3)
Уменьшение преломляющей силы глаза под водой.Существенным изменениям в водной среде подвергается преломляющая сила глаза. Световые лучи, прежде чем достигнуть сетчатки глаза, проходят через ряд преломляющих сред - роговицу, влагу передней камеры глаза, хрусталик и стекловидное тело. Эти среды имеют различный коэффициент преломления (рефракции). Кроме того, в сложных образованиях, например, в хрусталике, различные слои также характеризуются разной степенью преломления. В зависимости от соотношений между коэффициентами рефракции соприкасающихся друг с другом преломляющих сред (табл. 11) световые лучи преломляются с углом падения как в сторону схождения световых лучей (показатель со знаком плюс), так и в сторону их расхождения (показатель со знаком минус). Общая же преломляющая сила, как отдельных сред, так и всего глаза, представляет собою алгебраическую сумму из положительных и отрицательных показателей силы преломления отдельных составляющих элементов.
Таблица 11
Показатели преломления сред схематического глаза и преломляющая сила некоторых его поверхностей при аккомодации в покое
| Глазные среды и поверхности | Показатель преломления | Преломляющая сила, дптр |
| Роговица | 1,376 | — |
| Водянистая влага передней камеры | 1,336 | |
| Хрусталик | 1,368 | — |
| Эквивалентное ядро хрусталика | 1,406 | — |
| Стекловидное тело | 1,336 | — |
| Передняя поверхность роговицы | — | +48,83 |
| Задняя поверхность роговицы | — | -5,88 |
| Вся система роговицы | — | -42,95 |
| Передняя поверхность хрусталика | — | +5,00 |
| Ядро хрусталика | — | +5,985 |
| Задняя поверхность хрусталика | — | + 8,33 |
| Вся система хрусталика | — | + 19,1 |
Острота зрения под водой из-за больших кругов светорассеяния уменьшается в 100-200 раз. Если в воздушной среде человек различает детали с угловыми размерами около 1°, в водной среде видны лишь те объекты, угловая величина которых не менее 1,5-3,0° (90-180°). Ныряльщик под водой на расстоянии 50 см от глаза хорошо различает лишь свои пальцы, так как их угловые размеры равны 6-10°, складки же на пальцах под водой неразличимы, ибо они имеют меньшие угловые размеры. В то время как в воздушной среде на расстоянии 50 см от глаза человек способен различать нити толщиной около 0,05 мм, в воде остаются невидимыми все объекты, толщина которых меньше 3-5 мм. При уменьшении освещенности, а также плохой контрастности между фоном и объектом острота зрения падает еще больше.
Зрение при наличии воздушной прослойки между водой и глазами.В таких условиях преломляющая сила глаза сохраняется полностью, так как световые лучи проникают в глазные среды не из водной, а из воздушной среды. Например: при рассматривании подводных объектов из воздушной среды на близком расстоянии - с мостков, лодки и т. д. - глаз различает мельчайшие детали предметов так же хорошо, как и в воздушной среде. Видимость предметов, находящихся на большой глубине, ухудшается, но не потому, что глаз неспособен воспринимать мелкие детали, а вследствие слабого проведения водой света и возникновения «дымки». Преломляющая сила глаза водолаза в скафандре сохраняется полностью, так как роговица отделена от воды воздушным пространством шлема. При использовании же индивидуальных кислородных приборов, аквалангов, других дыхательных аппаратов для обеспечения видимости под водой применяют маски.
Поле зрения в воде.Когда роговица соприкасается непосредственно с водой, поле зрения уменьшается. Это объясняется тем, что в результате уменьшения преломления световых лучей, проникающих в глаз из водной среды, на краевых частях сетчатки уже не получается изображения тех точек внешнего пространства, которые проецируются на них в воздушной среде.
Пространственное зрение в воде.Наличие между водой и преломляющими средами глаза воздушной прослойки нарушает привычные представления о местоположении и величине предметов, находящихся в воде. Световые лучи, переходя из водной среды в воздушную, претерпевают преломление (рис. 7), поэтому предметы, лежащие в воде, воспринимаются увеличенными и при наблюдении сверху кажутся приподнятыми. Расстояния же между различными объектами, воспринимаются неизмененными и показания приборов будут читаться так же точно, как и в воздушной среде. Расположение и величина предметов в воде после некоторой тренировки оцениваются более верно, чем при первых погружениях. Это обусловлено образованием новых условно-рефлекторных связей.
Рис. 7. Кажущееся изменение местоположения предметов, находящихся в воде, при рассмотрении их из воздушной среды
Слуховой анализатор.Простейшим видом связи с водолазом, погрузившимся в воду, является подача сигналов с помощью сигнального конца. Такая сигнализация может дополняться непосредственной звуковой или телефонной связью. Распространение звука в воде. В противоположность свету звук в воде поглощается в сотни раз меньше, чем в воздухе. При благоприятных условиях гидроакустические сигналы могут восприниматься аппаратурой на расстоянии до 300-500 км. Звуки же, возникающие при подводных взрывах, в некоторых случаях регистрировались на еще большем расстоянии - до 15000-20000 км. Существуют два пути проведения звуковых волн к внутреннему уху - воздушный и костный. В воздушной среде у людей с нормальным состоянием звукопроводящего аппарата воздушная проводимость резко преобладает над костной. Так, при восприятии тона в 1000 Гц порог раздражения при костной проводимости на 60 дБ больше, чем при воздушной. Следовательно, звук частотой в 1000 Гц, имеющий при воздушной проводимости пороговую интенсивность, после ее выключения для восприятия путем костной проводимости должен быть увеличен по интенсивности почти в миллион раз. Чем меньше частота звука, тем хуже слышимость при выключении воздушной проводимости. Лишь очень высокие тоны например: частотой в 8000-15000 Гц, путем одной костной проводимости воспринимаются так же хорошо, как и при наличии воздушной. При погружении головы человека в воду на первое место выступает костная проводимость. Это объясняется тем, что акустическое сопротивление воды приближается к акустическому сопротивлению тканей человеческого тела и при переходе звуковых колебаний из воды в покровы и кости головы потери значительно меньше, чем в воздушной среде. В воде воздушная проводимость почти исчезает. Сохраняются лишь слабые звуковые колебания, передаваемые водой воздушной прослойке, остающейся в наружном слуховом проходе (рис. 8).
Рис. 8. Соотношение водной и воздушной среды в наружном слуховом проходе (НСП) при погружении человека в воду с открытой головой: БП - барабанная перепонка; ЕТ - евстахиева труба; У - улитка; ПК - полукружные каналы; ВП - воздушная прослойка
Пути проведения звуковых волн зависят от типа водолазного снаряжения. При погружении под воду в вентилируемом скафандре, металлический шлем которого всегда заполнен воздухом, звук воспринимается путем воздушной проводимости. В регенеративном снаряжении и акваланге голова водолаза, подводного пловца непосредственно соприкасается с водой, поэтому звук передается во внутреннее ухо посредством костной проводимости. Дальность непосредственной звуковой связи в воде. Так как звук распространяется в воде с меньшими потерями, чем в воздухе, то при одной и той же физической силе он должен был бы в воде доходить на более далекое расстояние, чем на суше. Однако у водолаза, одетого в скафандр, при переходе звуковой волны из воды через металл в воздушное пространство под шлемом значительная часть звуковой энергии теряется вследствие отражения звука. Кроме того, наличие в воде мелей, фитопланктона сильно мешает распространению звука. Поэтому, несмотря на лучшие условия проведения звука водой, все же в ряде случаев водолаз звук одной и той же силы в водной среде будет слышать даже хуже, чем в воздушной. Слышимость на поверхности воды сигналов, воспроизводимых под водой. Звуки, генерируемые в воде, резко ослабляются при переходе в воздух. При переходе звуковых колебаний из воздушной среды в водную потери звуковой энергии еще больше, так как 99,9 % звуковой энергии отражается от раздела сред «вода - воздух». Вследствие этого непосредственная связь между водолазом и экипажем обеспечивающего судна без специальных приборов невозможна. Для приема из воды звуковых сигналов применяют механические или электрические гидрофоны. Чувствительность механических гидрофонов, представляющих собою полые резиновые толстостенные баллоны, сравнительно невелика, и поэтому для улавливания слабых звуков применяют электрические звукоприемники, в которых принятые микрофоном звуковые колебания можно усилить в тысячи раз и воспроизвести в телефоне или репродукторе.
Звуки, генерируемые под водой и обычно не слышимые человеком, находящимся вне воды, могут быть восприняты им при частичном погружении тела в воду. Это обусловлено тем, что через кости и другие ткани конечностей и туловища звуковые колебания передаются костям черепа, а через них - во внутреннее ухо. При этом, чем меньше будет расстояние между погруженными частями тела и головой, тем громче становится звук. Особенно резкое усиление звука происходит при погружении нижней части головы. Таким образом, части тела, погруженные в воду, являются как бы своеобразным звукоулавливателем, позволяющим при нахождении головы над водой воспринимать звуки, генерируемые в воде. При переходе звука из одной среды в другую меняется его частота. Это особенно наглядно в том случае, когда человек, погрузившийся в воду до уровня подбородка, выслушивает одиночные звуки, вызываемые ударами по металлическому предмету, частично опущенному в воду. При этом он слышит два звука: первый - короткий, имеющий характер стука, с более высоким тоном - свойствен подводному звуку, второй - более длительный и низкочастотный - надводному.
Ориентировка в направлении по звуку в воде.Определение человеком направления на источник звука в воздушной среде основано, во-первых, на разности времени прихода звука в правое и левое ухо, во-вторых - на изменении интенсивности звука, воспринимаемого каждым ухом при различных углах поворота головы, в-третьих - на разности фаз звуковой волны. Люди с нормальным слухом могут определять местоположение источника звука в воздухе с достаточной точностью. После некоторой тренировки средняя ошибка у большинства не выходит за пределы 3°, что соответствует разнице прихода звука в правое и левое ухо в 3×10־5 с. У некоторых эта точность может быть еще выше - достигает 1°. При определении направления звука имеет значение также его интенсивность, особенно для людей, оглохших на одно ухо. Голова человека образует звуковую тень, а при слушании одним ухом интенсивность звука кажется наибольшей в тот момент, когда это ухо повернуто по направлению к источнику звука. При бинауральном слухе звуковая тень также создает некоторую, разницу в интенсивности звука, воспринимаемого правым и левым ухом, и тем самым способствует правильному определению направления. В водной среде условия для определения направления на генератор звука менее благоприятны, чем в воздушной, так как точность бинаурального определения направления звука находится в самой тесной связи с его скоростью. В водной среде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. В то время как скорость распространения его в воздухе равна 330-340 м/с, в воде она увеличивается до 1440-1500 м/с. Поэтому при одной и той же частоте колебаний длина звуковой волны увеличивается почти в пять раз. Как уже указывалось, слуховой аппарат человека способен воспринимать разницу по времени прихода звука в правое и левое ухо в 3×10 с, что в воздушной среде соответствует отклонению источника звука от плоскости симметрии головы на 3°. Если же скорость распространения звука увеличивается, то соответственно увеличивается и величина ошибки, выраженная в градусах. Поэтому в воде, где скорость распространения звука возрастает почти в 5 раз, средняя величина ошибки при определении направления к источнику звука также должна возрасти с 3° до 12-15°.
Однако экспериментальная проверка указанных теоретических предположений показала, что многие водолазы, пользующиеся кислородными изолирующими приборами, и аквалангисты совершенно не могут определить направление на звучащий предмет: «Звучит вся голова и невозможно разобрать, откуда идет звук», когда им предлагается найти. Наблюдения за водолазами показывают, что величина ошибки вместо теоретически ожидаемых 12-15° достигает 80-100 и даже 180°, хотя на суше эти же специалисты локализуют звук с точностью до 1-3°. После достаточной тренировки в воде большинство водолазов начинают ходить на генератор звука более прямыми, короткими путями, но все же несравненно хуже, чем на земле. Даже у опытных водолазов отклонение фактического пути от правильного в некоторые моменты увеличивается до 90-100°. Это объясняется тем, что во время ходьбы под водой внимание водолаза занято не только определением места источника звука, но и самим процессом ходьбы (обхождением препятствий), наблюдением за дыхательным аппаратом и т.д. Поэтому они специально прислушиваются и определяют направление только в некоторые моменты движения. Все остальное время водолазы продолжают идти взятым курсом, часто неправильным, из-за чего иногда и получаются большие ошибки. При приближении к генератору звука, находящемуся над головой на расстоянии 10-15 м, определение направления затрудняется. Наряду с водолазами, которые не могут научиться правильно определять направление к генератору звука даже после длительного обучения, имеются и такие, которые начинают правильно ходить на звук после нескольких тренировок. Причина затрудненной ориентировки в воде по звуку, несомненно, заключается и в том, что в водной среде вследствие изменения нормального способа проведения звука (костная проводимость вместо воздушной) изменяется характер деятельности слухового анализатора. Вместо двух противоположно лежащих пунктов (слуховых проходов) звук воспринимается всей головой. Это и приводит многих водолазов к слуховой пространственной дезориентации. В основе бинаурального определения местонахождения источника звука лежит образование условно-рефлекторных связей. При воздушной проводимости звука эти связи возникают с раннего детства, при костной - условные рефлексы должны вырабатываться вновь. Как показали опыты с тренировкой водолазов, при хождении по направлению к источнику звука под водой, такого рода условно-рефлекторные связи образуются относительно быстро. После нескольких упражнений звуковая ориентировка при отсутствии воздушной проводимости значительно, улучшается, особенно быстро - в том случае, если голова за исключением лица прикрыта резиновым капюшоном, создающим лучшие условия восприятия звука костями лица. Когда водолаз направляет лицо прямо к источнику звука, слышимость последнего значительно усиливается. Тем самым облегчается определение направления на звучащий предмет.
Проприоцептивный и кожный анализаторы.Уменьшение удельного веса тела в водной среде, увеличение при движениях сопротивления внешней среды, использование специальных грузов для отягощения тела (свинцовые галоши, спинной и грудной грузы и т. д.), повышенная по сравнению с воздухом теплопроводность и ряд других факторов приводят к некоторому изменению условий функционирования проприоцептивного и кожного анализаторов у водолазов и подводных пловцов. Существенные изменения происходят в деятельности двигательного анализатора. Резкое снижение в воде массы тела вызывает изменение импульсации из антигравитационной мускулатуры. Это приводит к снижению чувствительности центров двигательного анализатора. В результате уменьшения массы звеньев тела и увеличения сопротивления движению в воде уменьшается скорость пассивных движений, например, в процессе опускания бедра и голени при расслаблении их сгибателей. На фоне значительного ухудшения временных и пространственных характеристик движения силовые показатели изменяются относительно мало, особенно при значительных усилиях. При создании под водой путем подбора соответствующего отягощения гравитационных условий, аналогичных тем, которые существуют в воздушной среде, пространственные характеристики движения могут быть почти полностью восстановлены. Это свидетельствует о том, что в понижении в воде функций двигательного анализатора и центров, регулирующих движение, существенная роль принадлежит изменению ансамбля проприоцептивных импульсов из различных звеньев тела в результате снижения деятельности антигравитационной мускулатуры. Высокая пластичность нервной системы дает возможность организму после соответствующей тренировки приспособиться к изменившимся условиям внешней среды. Такое приспособление наблюдается и у водолазов и подводных пловцов. В их нервной системе в результате тренировки вырабатывается способность правильно оценивать особый характер импульсации, поступающей в покое и при движениях в водной среде в центральную нервную систему от проприоцепторов. Чем больше у человека стаж работы в водной среде, тем меньше нарушаются функции двигательного анализатора. При одинаковом стаже работы известное значение имеет и степень физической подготовленности - у спортсменов высокой квалификации проприоцептивная чувствительность нарушается меньше, чем у нетренированных лиц. Изменяется в воде и характер импульсов, поступающих в центральную нервную систему от рецепторов кожи. При погружениях в воду, имеющую температуру ниже 18°С, особенно сильному раздражению подвергаются холодовые рецепторы кожного анализатора. Наблюдается также понижение порогов болевой чувствительности, поэтому человек не всегда замечает те повреждения тела, которые возникают во время пребывания его под водой.