Naučite nešto o svjetionicima

Nekoliko je ustanovljenih primjera svjetionika, koji su kao gorivo za paljenje vatri i osvjetljavanje obzorja koristili drvo. Također, nema sumnje da su korišteni tek kao sirove svjetlosne oznake; to jest obične otvorene vatre, paljene na isturenim rtovima, primjerice. Ugljen je oduvijek bio logičnije rješenje, jer izgara mnogo učinkovitije i daje jače svjetlo. Vatra od drveta zahtijeva puno više tog krutog goriva, slabijeg je intenziteta, kojeg je i teže nadzirati.
Drvo se uglavnom koristilo u najranija, antička vremena, i to samo na mjestima, gdje je trebalo označiti ulaze u luke. No, tada svjetionici nisu ni bili obaveza, već samo znak prestiža države, u čijem se okrilju luka nalazila. Kako se noću u najvećem broju slučajeva nije plovilo, tako su i ta svjetla pokrivala samo luke s najviše prometa. Takva luka je bila i Aleksandrija sa najstarijim svjetionikom (Pharosom – o njemu drugom prilikom), a kod nas je poznato da su takvi "svjetionici" (bolje reći postolja za loiženje otvorene vatre na bazi drveta, čiji se transport redovito osiguravao) bili pored Hvara (Faros – otud i ime), kod Visa (Issa), te u blizini stare Salone…


Toranj za paljenje vatre, prikazan crtežom i fotografijom...

Izbor goriva, koji se koristio u svjetionicima, najčešće je ovisio o njegovoj dostupnosti. Stoljećima, ugljen se koristio kao gorivo, na lokacijama, do kojih se mogao lako transportirati. Jedan od najstarijih svjetionika, koji je koristio ugljen, bio je "Newcastle upon Tyne", koji je bio smješten u neposrednoj blizini ugljenokopa. U slučajevima kad se ugljen koristio kao gorivo za svjetionike, nikako ne smijemo zanemariti ni fizički napor, koji je potreban da bi se ugljen transportirao do svjetionika, te trud koji je potreban da se gorivo dopremi do samog vrha tornja.

Toranj za loženje ugljena

Ugljen se najčešće podizao na toranj u adekvatnim posudama, te se stavljao u specijalnu peć na vrhu, gdje je najbolja prekomorska vidljivost. Originalan primjer takve jedne peći može se još pronaći u botaničkim vrtovima na otoku Tresco, arhipelaga Scilly – u Engleskoj. Ta peć se, primjerice, koristila od 1680. pa dalje, u starom svjetioniku, zvanom Scilly, koji je danas pretvoren u privatnu kuću, na otoku St. Agnes.

Svjetla odražavana ugljenom vatrom, ispočetka su se koristila najčešće samo na rtovima, a tijekom vremena na poboljšanim i kontejnerima za ugljen. Oni su omogućavali ugljenu da svijetli učinkovitije, da emitira više svjetla za istu količinu goriva i sa manje dima. Ovo posljednje svojstvo je oduvijek bilo problem, jer zatamnjuje svjetlo i stvara čađu, koji opet stvaraju neke druge, vezane probleme. Nešto kasnije, vatra je bila zatvorena unutar konstrukcija, koje su bile zatvorene redovima staklenih panela, zvanih "lanterna" ili prevedeno na hrvatski – rasvjetna komora svjetionika. Nažalost, koliko se god pažnje posvećivalo kontroli dima, staklo je učestalo bilo izloženo stvaranju i taloženju čađe, koja je reducirala vidljivost vatre.

Rt za paljenje otvorene vatre

Dosta je primjera svjetionika u Europi, gdje se nekad u prošlosti koristio ugljen kao gorivo. Stari toranj Skagen, u Danskoj, savršeno je očuvani primjer, ali nije jedini. Takav svjetionik je bio i Falsterbo u Švedskoj, ali i tornjevi North Foreland i Lizard Point u Engleskoj.

Na nekim mjestima su se koristili i posebne drvene poluge, koje su konstruirane da bi svjetioniku dali specifično svojstvo, promjenjivog sjaja. Takva svjetla su se nazivala izmjenjivima, a ti uređaji su korišteni na rtu Spurn Point (ili Spurn Head), u Engleskoj. Nazivali su ih "vipperfyr", ili izmjenična svjetla. Do danas nije očuvana niti jedan primjerak vipperfyr-a, no vjerne replike postoje u pomorskim muzejima, u Danskoj i Švedskoj.

Kako se to nekad radilo...

Svjetlosni izvor obično nastaje prilikom izgaranja nekoliko vrsta goriva. Primjerice, gorivo može biti:

• kruto: ugljen ili drvo
• tekuće: ulja
1. životinjska - npr. kitovo ulje;
2. biljna – laneno, od uljane repice;
3. mineralna ulja, kao npr. parafin
• plin: isparavajuća ulja ili npr. acetilen

U najranija vremena povijesti svjetioničarstva, najvažnija karakteristika svjetlosnog izvora je bila kontinuiranost i neprekidnost tijekom dužeg perioda, zbog čega nikako nije smjelo nedostajati goriva, niti se smjela dopustiti nedjelotvornost svjetioničara, kao ni zamračenje zbog dima ili nečiste opreme. Svjetioničari su bili vrlo zaposleni tijekom svojih dežurstava, osiguravajući dovoljno goriva i održavajući svjetionik čistim i u savršenom radnom redu.

Kako ćemo dalje vidjeti, još jedno svojstvo svjetionika jest održati rotaciju optike i to konstantno, za što je bilo potrebno navijanje satnih mehanizama, koji su održavali tu zadaću u funkciji. Danas, s automatskim sustavima, moderni elektronički sustavi, automatski nadziru kontrolu funkcija svjetlosnog izvora…

Refrakcija se pojavljuje kada svjetlost ipak uđe u medij (kao u prva dva od navedenih slučajeva refleksije). To je promjena putanje svjetlosne zrake i povezana je s interakcijom svjetla s medijem, koji može dovesti do arpsorbcije svjetla i može uzrokovati promjenu svjetlosne brzine. Veličina ove interakcije definirana je svojstvom medija, kojeg zovemo indeks refrakcije.

U slijedećim navedenim vrijednostima, možemo primijetiti da je svjetlosna zraka svinuta u odnosu na normalnu putanju, pa je kut nagiba veći nego li je kut refrakcije. To se događa zbog toga što je indeks refrakcije zraka (1.0). Pleksiglas ima indeks refrakcije 1.495, a indeks polistirena (prozirna umjetna plastična masa) je 1.591.

Vrlo je važno da navedeno uzmemo u obzir i za ubuduće, kako ćemo vidjeti za trenutak.

Zamislimo sad da je svjetlosna zraka prošla kroz staklo i dosegla pozadinu – pretpostavit ćemo da je staklo jedan pravokutan blok, sa pozadinom, koja je paralelna prednjoj strani. U tom slučaju, dogodit će se nešto od već navedenog: sva svjetlost može napustiti medij, sva svjetlost može ne napustiti medij ili samo dio svjetlosti je napusti. Primjerice, da sva svjetlost napusti staklo. Svjetlosna zraka je sada refraktirajuća, kao prije, samo sad ulazi u medij (zrak) s manjim refraktivnim indeksom, tako da je kut refrakcije trenutačno veći nego kut nagiba. Zbog toga što je situacija upravo suprotna, onoj prvoj (refleksiji); svjetlost izbija na površinu kroz staklo, uz liniju, paralelnu s izvornom putanjom kroz zrak, ali je i nešto malo pomaknuta u stranu.

Optika, koja se koristi u svjetionicima, iskorištava ova svojstva refleksije i refrakcije, na način da se pri dizajnu uređaja upotrebljavaju stakla različitih veličina i oblika, kako bi se sakupile i koncentrirale svjetlosne zrake iz svjetlosnog izvora. Sustav, koji koristi samo refrakciju, naziva se dioptrički; dok se sustav, koji koristi samo refleksiju, naziva katoptrički. Sustav, koji upotrebljava i refleksiju i refrakciju (kao većina modernih optičkih uređaja), naziva se katodioptrički sustav.

Ako se svjetlosna zraka sudari s površinama različitih medija, kao što su staklo, npr., mogu se dogoditi tri od navedenih slučajeva:

1. Sva svjetlost ulazi u medij;
2. Dio svjetlosti ulazi u medij;
3. Ništa od svjetlosti ne dopire u medij.

Refleksija se pojavljuje kad svjetlost uopće ne ulazi u medij. To se događa samo u posljednja dva slučaja. Zakoni fizike, koji vladaju u pogledu refleksije, najjednostavnije se svode na slijedeće:
Kut upada svjetlosnih zraka je jednak kutu refleksije.
Ovo pravilo je vrlo jednostavno, jer nikada ne varira i uvijek se pojavljuje u svim primjerima refleksije.

Kao što smo dosad imali prilike vidjeti, svjetlo putuje svemirom (u vakuumu), vrlo velikim brzinama, od 300 milijuna metara u sekundi. I zrakom putuje sličnom, no ne u potpunosti jednakom brzinom. Zrak je medij, u kojem svjetlost putuje, no postoje i drugi mediji, poput stakla, vode i nekih plastičnih materijala, u kojima se svjetlost ponaša slično. Naše proučavanje svjetionika najviše će se usmjeriti na putovanje svjetlosti kroz zrak i staklo.

Tvari, koje kroz sebe propuštaju svjetlost, nazivamo transparenti (jer su prozirni). One, koji to nisu, nazivamo translucenti (manje prozirni ili neprozirni); takvi su metali i stijene, npr. No, ima nekih minerala koji su prozirni. Staklo je, naposljetku, izrađeno od pijeska, kojeg nikad ne bismo povezali s transparentnošću. Plastika vrlo visoko kotira po stupnju translucentnosti, pa bi neke začudila činjenica da je danas većina najkvalitetnijih leća izrađena upravo od plastike!

Ova priča o transparentnosti i translucentnosti je zapravo pojednostavljena, jer medij kroz koje prolazi svjetlost može i upiti svjetlost, dok prolazi kroza nj. Vrijednost absorbiranog svjetla određuje činjenica da li je medij transparentan ili translucentan. Također je bitna i udaljenost, koju svjetlost mora prijeći kroz medij (gustoća). Tako da i u situaciji kada je medij vrlo transparentan, ako je njegova gustoća dovoljno velika, većina ili kompletna količina odaslane svjetlosti može biti absorirana. Primjerice, u morskim dubinama, već ispod nekoliko stotina metara nastaje potpuna tama, jer svjetlost ne može prodrijeti toliko duboko.

Absorbicija svjetla od strane određenih materijala je uzrokovana interakcijom svjetlosne energije s atomima i molekulama, koje određeni medij sadržava. S obzirom na sve navedeno, ne iznenađuje onda niti da ta interakcija utječe na različitu brzinu svjetlosti kroz medije. Tako, svjetlost kroz staklo prolazi brzinom od oko 450 milijuna metara u sekundi, dok je kroz vodu ta vrijednost oko 400 milijuna m/sec.

Dakle, ajmo zaključiti;

• Svi materijali (mediji) absorbiraju svjetlost većim ili manjim intenzitetom,
• Brzina svjetlosti je različita kroz različite medije.

Refrakcijski indeks
Refrakcijski indeks materijala, n, je omjer brzine svjetlosti u vakuumu (slobodnom prostoru) i brzine svjetlosti u nekom materijalu.

Dakle, n (staklo) = v(prostor) / v(staklo)

Snellov zakon
Za upad svjetlosti na granični prostor između dva medija, omjer sinusnog kuta upada svjetlosnih zraka i sinusnog kuta refrakcije upućuje na indeks dva medija.

Sin(i)/Sin(r) = n(medij 2)/n(medij 1)


Dioptar
Dioptar je jedinica za izmjeru snage leća i recipročna je fokusnoj udaljenosti, izraženoj u metrima. Međunarodna oznaka za dipotar je D.

Dakle, ako je fokusna udaljenost leće = 0.50 m, onda je njena snaga = 1/0.50 = 2 dioptra.

Svjetlosni tijek
Jedinica svjetlosnog tijeka je lumen, obilježena SI jedinicom lm. Definirana je kao svjetlosna energija, odaslana u sekundi pod pravim kutom u jedinstvenu izvorišnu točku, od 1 jedinice svjetlosnog intenziteta; ili jednostavnije rečeno, umnoškom steradijana i kandele, što se obilježava formulom:
1 cd = 1 lm sr-1


Iluminacija - osvjetljivanje
Iluminacija je definirana kao svjetlosni tijek, koji dopire okomito na jedinicu površine. Međunarodna metrička SI jedinica za izmjeru iluminacije jest lumen po kvadratnom metru (lm/m2), koja se također naziva lux (lx).

Zakon svjetlosne iluminacije
Kad na neku površinu svjetlost padne pod nepravilnim kutom, dakle ukoso, iluminacija je proporcijalna kutu upada zraka svjetlosti.

Luminacija – svjetljivost
Luminacija ili svjetljivost, jest svjetlost, koja je odaslana po jedinici površine na određenome mjestu, a kada je projekcija svjetlosti okomita na smjer gledanja. Jedinica se po međunarodnom SI standardu označava kao kandela po kvadratnom metru (cd m2).

Da bismo mogli razumjeti o čemu pričamo prilikom raspravljanja o tehničkim detaljima, vezanim za rad svjetionika, moramo precizirati pojmove i definicije koje koristimo, te razumjeti neke osnovne mjerne jedinice i zakone fizike.


Kut upada svjetlosnog signala
Ovaj pojam najčešće upotrebljavamo kada svjetlost putuje kroz nekakav providni medij (tvar) 1 i susretne se s medijem 2. Kut upada je kutna udaljenost između zrake svjetlosti u mediju 1 i normalnog (okomitog) upada na površinu medija 2.
Jednostavnije, to je kut između upada snopa svjetlosti i površine od koju se svjetlost odbija.


Zakon obrnutog kvadrata
Doseg svjetlosnog signala je subjekt zakona obrnutog kvadrata, koji kaže da se energija rasipa (širi) prema kvadratu udaljenosti, koju svjetlost prijeđe.

U formuli to izgleda ovako: E = 1/d2 (E = energija; d = daljina). Intenzitet luminescencije, izmjeren s udaljenosti od 1 m, biti će 0.25 jači od onog s 2 m i 0.01 od onog od 10 m.


Svjetlosna jakost
Jedinicu svjetlosne jakosti nazivamo kandela, a skraćeno cd. To je standardizirana mjerna jedinica po Međunarodnom mjernom sustavi (sustav SI).
Kandela je svjetlosna jakost, usmjerena prema određenom smjeru od izvora, koji emitira monokromatsko (jednobojno) zračenje, frekvencije 540 x 1012 Hz, i da je svjetlosna jakost u tom smjeru 1/683 W po steradijanu (pomoćna jedinica SI, za mjerenje ugla)
Nadalje, kandela je svjetlosna jakost, okomita na ohlađenu površinu (temp. zamrznute platine) na koju svjetlost pada na 1/600 000 m2 , pod pritiskom od 1 Bara (101325 N po m2).

Kandela zamjenjuje stariju jedinicu, poznatu kao međunarodna kandela, koja je bila definirana kao svjetlost, koja se u sekundi emitira u svim smjerovima od određenog izvora svjetlosti. Omjer stare jedinice i nove je slijedeći:

1 cd = 0.982 međunarodne kandele

Treba uvijek imati na umu da je Zemlja zaobljena, zbog čega je sasvim dovoljno da svjetlost svjetionika doseže horizont. Svjetlost putuje pravocrtno, zbog čega se ne može vidjeti iza horizonta. Također je bitno naznačiti da je vidljivost svjetlosnog signala ograničena ne samo horizontom, već i nadmorskom visinom, na kojoj je svjetlosni signal smješten. Iz ovog se vidi da je svjetlost na višoj nadmorskoj visini moguće vidjeti na većoj udaljenosti, nego, primjerice, svjetlo na morskoj razini.

Na primjer, ako postavimo neki svjetlosni signal od 250 000 kandela na morsku razinu, on će biti vidljiv do udaljenosti horizonta od, primjerice, 18 km. No, ako svjetlosni signal postavimo na nadmorsku visinu od 100 m, onda će i horizont biti udaljeniji, pa će se moći vidjeti do udaljenosti od 40 km, s time da se i jačina svjetla mora tome prilagoditi, pa će ona biti u ovom slučaju 1 milijun kandela.