Маяки: История и эволюция навигационных огней.

Введение

Структура, предназначенная для излучения света в помощь навигации.

Маяк — это башня, здание или другое сооружение, предназначенное для излучения света от системы ламп и линз, служащее маяком для помощи в навигации морским судам в море или на внутренних водных путях. Маяки отмечают опасные береговые линии, мели, рифы, скалы и безопасные входы в гавани; они также используются для навигации воздушных судов. Хотя когда-то маяки широко использовались, их количество сократилось из-за дорогостоящего обслуживания и стало нерентабельным с появлением более дешевых, сложных и эффективных электронных навигационных систем.

Древние маяки

До появления чётко определённых портов моряки ориентировались по кострам, разводимым на вершинах холмов. Поскольку поднятие костра улучшало видимость, размещение костра на возвышении стало практикой, которая привела к появлению маяков. В античности маяки служили скорее указателями входа в порты, чем предупреждающими сигналами о рифах и мысах, в отличие от многих современных маяков. Самым известным маяком античности был Александрийский маяк, разрушившийся в результате серии землетрясений между 956 и 1323 годами нашей эры. Сохранившаяся башня Геркулеса в А-Корунье, Испания, даёт представление о строительстве маяков в древности; другие свидетельства о маяках сохранились на монетах и мозаиках, многие из которых изображают маяк в Остии. Также существуют монеты из Александрии, Остии и Лаодикеи в Сирии.

Современное строительство

Современная эра маяков началась на рубеже XVIII века, когда число строящихся маяков значительно возросло из-за резкого увеличения объемов трансатлантической торговли. Достижения в области строительной инженерии и новые, эффективные осветительные приборы позволили создавать более крупные и мощные маяки, в том числе и открытые для воздействия моря. Функция маяков постепенно изменилась от указания портов до предоставления видимого предупреждения об опасностях для судоходства, таких как скалы или рифы. Скалы Эддистоун представляли серьезную угрозу для моряков, проходящих через Ла-Манш. Первый маяк, построенный там, представлял собой восьмиугольную деревянную конструкцию, закрепленную 12 железными стойками, установленными в скале, и был возведен Генри Винстанли в период с 1696 по 1698 год. Его маяк стал первой в мире башней, полностью открытой для открытого моря. Инженер-строитель Джон Смитон перестроил маяк с 1756 по 1759 год; его башня стала важным шагом вперед в проектировании маяков и оставалась в эксплуатации до 1877 года. Он смоделировал форму своего маяка по образцу дуба, используя гранитные блоки. Он заново открыл и применил "гидравлическую известь" – разновидность бетона, затвердевающую под водой, которую использовали римляне, и разработал технику соединения гранитных блоков с помощью ласточкиного хвоста и мраморных штифтов. Эта конструкция с ласточкиным хвостом способствовала повышению структурной устойчивости, хотя Смитону также пришлось сужать толщину башни кверху, для чего он слегка изогнул башню внутрь. Такой профиль имел дополнительное преимущество, позволяя частично рассеивать энергию волн при ударе о стены. Его маяк стал прототипом современного маяка и оказал влияние на всех последующих инженеров. Одним из таких инженеров был Роберт Стивенсон, сам являющийся выдающейся фигурой в развитии проектирования и строительства маяков. Его величайшим достижением стало строительство маяка Белл-Рок в 1810 году – одного из самых впечатляющих инженерных подвигов того времени. Эта конструкция была основана на проекте Смитона, но с несколькими усовершенствованиями, такими как использование вращающихся огней, чередующихся между красным и белым. Стивенсон работал в Северном совете маяков почти пятьдесят лет. Хотя его строительство началось позже, маяк Уайр-Лайт в Флитвуде, Ланкашир, был первым, который был зажжен (в 1840 году). Лампа Арганда использовала китовое масло, рапсовое, оливковое или другое растительное масло в качестве топлива, которое подавалось самотеком из резервуара, установленного над горелкой. Впервые лампа была произведена Мэтью Болтоном в партнерстве с Аргандом в 1784 году и на протяжении более века оставалась стандартом для маяков. Маяк Саут-Форленд был первой башней, успешно использовавшей электрический свет в 1875 году. Углеродные дуговые лампы маяка питались от парового магнито. Джон Ричардсон Вигхэм первым разработал систему газового освещения маяков. Его усовершенствованная газовая горелка "крокус" на маяке Бейли возле Дублина была в 13 раз мощнее самого яркого света, известного в то время. Паровая масляная горелка была изобретена в 1901 году Артуром Китсоном и усовершенствована Дэвидом Худом в Тринити-Хаус. Топливо испарялось под высоким давлением и сжигалось для нагрева мантии, обеспечивая мощность, более чем в шесть раз превышающую яркость традиционных масляных ламп. Использование газа в качестве осветительного средства стало широко доступным с изобретением света Далена шведским инженером Густафом Даленом. Он использовал Агамассан (Ага) – субстрат для поглощения газа, что позволяло безопасно хранить и использовать газ. Дален также изобрел "солнечный клапан", который автоматически регулировал свет и выключал его в дневное время. Эта технология была основным источником света в маяках с 1900-х по 1960-е годы, когда электрическое освещение стало доминирующим.

The modern era of lighthouses began at the turn of the 18th century, as the number of lighthouses being constructed increased significantly due to much higher levels of transatlantic commerce. Advances in structural engineering and new and efficient lighting equipment allowed for the creation of larger and more powerful lighthouses, including ones exposed to the sea. The function of lighthouses was gradually changed from indicating ports to the providing of a visible warning against shipping hazards, such as rocks or reefs. The Eddystone Rocks were a major shipwreck hazard for mariners sailing through the English Channel. The first lighthouse built there was an octagonal wooden structure, anchored by 12 iron stanchions secured in the rock, and was built by Henry Winstanley from 1696 to 1698. His lighthouse was the first tower in the world to have been fully exposed to the open sea. The civil engineer John Smeaton rebuilt the lighthouse from 1756 to 1759; his tower marked a major step forward in the design of lighthouses and remained in use until 1877. He modeled the shape of his lighthouse on that of an oak tree, using granite blocks. He rediscovered and used "hydraulic lime", a form of concrete that will set under water used by the Romans, and developed a technique of securing the granite blocks together using dovetail joints and marble dowels. The dovetailing feature served to improve the structural stability, although Smeaton also had to taper the thickness of the tower towards the top, for which he curved the tower inwards on a gentle gradient. This profile had the added advantage of allowing some of the energy of the waves to dissipate on impact with the walls. His lighthouse was the prototype for the modern lighthouse and influenced all subsequent engineers. One such influence was Robert Stevenson, himself a seminal figure in the development of lighthouse design and construction. His greatest achievement was the construction of the Bell Rock Lighthouse in 1810, one of the most impressive feats of engineering of the age. This structure was based upon Smeaton's design, but with several improved features, such as the incorporation of rotating lights, alternating between red and white. Stevenson worked for the Northern Lighthouse Board for nearly fifty years Although its construction began later, the Wyre Light in Fleetwood, Lancashire, was the first to be lit (in 1840). The Argand lamp used whale oil, colza, olive oil or other vegetable oil as fuel, supplied by a gravity feed from a reservoir mounted above the burner. The lamp was first produced by Matthew Boulton, in partnership with Argand, in 1784, and became the standard for lighthouses for over a century. South Foreland Lighthouse was the first tower to successfully use an electric light in 1875. The lighthouse's carbon arc lamps were powered by a steam driven magneto. John Richardson Wigham was the first to develop a system for gas illumination of lighthouses. His improved gas 'crocus' burner at the Baily Lighthouse near Dublin was 13 times more powerful than the most brilliant light then known. The vaporized oil burner was invented in 1901 by Arthur Kitson, and improved by David Hood at Trinity House. The fuel was vaporized at high pressure and burned to heat the mantle, giving an output of over six times the luminosity of traditional oil lights. The use of gas as illuminant became widely available with the invention of the Dalén light by Swedish engineer Gustaf Dalén. He used Agamassan (Aga), a substrate, to absorb the gas, allowing the gas to be stored, and hence used, safely. Dalén also invented the 'sun valve', which automatically regulated the light and turned it off during the daytime. The technology was the predominant light source in lighthouses from the 1900s to the 1960s, when electric lighting had become dominant.

Оптические системы

С развитием постоянного освещения лампы Арганд применение оптических линз для увеличения и фокусировки интенсивности света стало практической возможностью. Уильям Хатчинсон разработал первую практическую оптическую систему в 1763 году, известную как катоптическая система. Эта примитивная система эффективно коллимировала излучаемый свет в концентрированный луч, тем самым значительно увеличивая видимость света. Способность фокусировать свет привела к созданию первых вращающихся лучей маяков, при которых свет казался морякам серией прерывистых вспышек. Также стала возможной передача сложных сигналов с помощью световых вспышек. Французский физик и инженер Огюстен Жан Френель разработал многоэлементную линзу Френеля для использования в маяках. Его конструкция позволила создавать линзы с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием, без той массы и объема материала, которые потребовались бы для линзы обычной конструкции. Линзу Френеля можно сделать значительно тоньше, чем сопоставимую обычную линзу, и в некоторых случаях она может иметь форму плоского листа. Линза Френеля также способна улавливать больше наклонного света от источника света, что позволяет свету маяка, оснащенного такой линзой, быть видимым на больших расстояниях. Первая линза Френеля была использована в 1823 году в маяке Кордуан у устья реки Жиронда; ее свет был виден с расстояния более 20 миль (32 км). Изобретение Френеля увеличило яркость маячного света в четыре раза, и его система до сих пор широко используется.

Современные маяки

Внедрение электрификации и автоматических смен ламп начало делать профессию смотрителя маяка устаревшей. На протяжении многих лет маяки все еще обслуживались смотрителями, отчасти потому, что они могли выполнять функции спасательной службы при необходимости. Усовершенствования в морской навигации и безопасности, такие как глобальная система позиционирования (GPS), привели к постепенному выводу из эксплуатации неавтоматизированных маяков по всему миру. В Канаде эта тенденция была остановлена, и в настоящее время существует 50 укомплектованных станций маяков, 27 из которых расположены только на западном побережье. Оставшиеся современные маяки обычно освещаются одним неподвижным мигающим огнем, работающим от аккумуляторов, заряжаемых солнечной энергией, и установленным на стальной решетчатой башне.

Известные строители маяков

Джон Смитон известен тем, что спроектировал третий и самый знаменитый маяк Эддистоун, но некоторые строители прославились работой над возведением множества маяков. Семья Стивенсонов (Роберт, Алан, Дэвид, Томас, Дэвид Алан и Чарльз) на протяжении трех поколений в Шотландии сделала строительство маяков своим семейным делом. Ричард Генри Брантон спроектировал и построил 26 японских маяков в Японии эпохи Мэйдзи, которые стали известны как «дети» Брантона. Слепой ирландец Александр Митчелл изобрел и построил ряд маяков на винтовых сваях. Англичанин Джеймс Дуглас был удостоен рыцарского звания за работу над четвертым маяком Эддистоун. Лейтенант Джордж Мид из Инженерного корпуса армии США построил множество маяков вдоль Атлантического и Мексиканского побережья, прежде чем прославиться как победитель в битве при Геттисберге. Полковник Орландо М. По, инженер генерала Уильяма Текумсе Шермана во время осады Атланты, спроектировал и построил одни из самых необычных маяков в самых труднодоступных местах на Великих озёрах США. Французский офицер торгового флота Мариус Мишель-паша построил почти сто маяков вдоль побережья Османской империи в течение двадцати лет после Крымской войны (1853–1856).

Технология

В маяке источник света называется "лампой" (будь то электрическая или работающая на топливе), а свет, при необходимости, концентрируется "линзой" или "оптической системой". Источники энергии для маяков в XX–XXI веках различны.

Мощность

Первоначально освещалась открытым огнем, а затем свечами. В конце XVIII века были изобретены лампа Арганда с полым фитилем и параболический отражатель. В качестве источника света также использовалось китовое масло с фитилями. Керосин стал популярным в 1870-х годах, а в начале XX века керосин стали заменять электричество и ацетилен, получаемый на месте из карбида кальция. Со временем состояние РТГ в России ухудшилось, многие из них стали жертвами вандализма и воров металлолома, которые могли не знать об опасном радиоактивном содержимом. Энергоэффективные светодиодные светильники могут питаться от солнечных панелей, а для резервного питания вместо дизель-генератора можно использовать аккумуляторы.

Лазерный свет

Экспериментальные установки лазерных огней, как с высокой мощностью для создания "световой линии" в небе, так и с низкой мощностью, направленные на моряков, выявили сложности при установке и обслуживании, а также высокие требования к энергопотреблению. Первая практическая установка, в 1971 году на маяке Пойнт-Дэнджер в Квинсленде, была заменена на традиционный световой сигнал через четыре года, поскольку луч оказался слишком узким для удобного наблюдения.

Световые характеристики

В любом из этих конструкций наблюдатель видит не непрерывный слабый свет, а более яркий свет в течение коротких промежутков времени. Эти моменты яркого света организованы таким образом, чтобы создать световую характеристику или рисунок, свойственный конкретному маяку. Например, маяк Схевенинген подает вспышки, чередующиеся каждые 2,5 и 7,5 секунд. Некоторые маяки имеют секторы определенного цвета (обычно формируемые цветными стеклами в фонаре), чтобы отличать безопасные воды от опасных мелей. Современные маяки часто оснащены уникальными отражателями или ответчиками ракон, благодаря чему радарная сигнатура маяка также уникальна.

Объектив

До появления современных стробоскопов линзы использовались для концентрации света от непрерывного источника. Вертикальные лучи света от лампы перенаправлялись в горизонтальную плоскость, а затем горизонтально фокусировались в одном или нескольких направлениях одновременно, при этом световой луч смещался по окружности. В результате, помимо видимости боковой части луча, свет становился непосредственно виден с больших расстояний и обладал узнаваемой световой характеристикой. Такая концентрация света достигалась с помощью вращающегося линзового блока. В ранних маяках источником света служила керосиновая лампа или, ранее, масляная лампа Аргана, работающая на животном или растительном масле, а вращение линз обеспечивалось часовым механизмом с гиревым приводом, который сторожа маяка заводили, иногда каждые два часа. Иногда линзовые элементы помещались в ртуть для уменьшения трения. В более современных маяках использовались электрические лампы и двигатели, обычно питаемые от дизель-электрических генераторов, которые также обеспечивали электроэнергией персонал маяка. Маяки, расположенные близко друг к другу и имеющие схожую форму, часто окрашивались в уникальный узор для облегчения их распознавания в дневное время – эта маркировка известна как дневной опознавательный знак. Примером является черно-белая спиральная окраска маяка Кейп-Хаттерас. Маяк Race Rocks Light на западе Канады окрашен в горизонтальные черно-белые полосы, чтобы выделяться на фоне горизонта.

Дизайн

Для обеспечения эффективности, лампа должна быть достаточно высокой, чтобы быть видимой до того, как опасность будет достигнута судном. Минимальная высота рассчитывается тригонометрически (см. Расстояние до горизонта) как , где H – высота над уровнем воды в футах, а D – расстояние от маяка до горизонта в морских милях, то есть дальность маяка. В тех случаях, когда опасные отмели расположены далеко от плоского песчаного пляжа, строится типичный высокий каменный прибрежный маяк, чтобы помочь мореплавателям определить местоположение после пересечения океана. Часто они имеют цилиндрическую форму для уменьшения воздействия ветра на высокое сооружение, как, например, маяк Кейп-Мэй. Меньшие версии этой конструкции часто используются в качестве гаваньных огней для обозначения входа в гавань, например, маяк New London Harbor Light. Если существует высокий обрыв, на его вершине может быть установлена более низкая конструкция, как на маяке Horton Point Light. Иногда такое местоположение может быть слишком высоким, например, на западном побережье Соединенных Штатов, где частые низкие облака могут скрывать свет. В этих случаях маяки размещают ниже вершины обрыва, чтобы обеспечить их видимость с поверхности во время тумана или низкой облачности, как на маяке Point Reyes Lighthouse. Другой пример – в Сан-Диего, Калифорния: старый маяк Point Loma был слишком высоким и часто скрывался туманом, поэтому в 1891 году его заменили на более низкий маяк, New Point Loma Lighthouse. С развитием технологий, для строительства маяков в 20-м веке стали использовать сборные железные или стальные конструкции. Они часто имеют узкое цилиндрическое ядро, окруженное открытой решетчатой опорой, как, например, маяк Finns Point Range Light. Иногда маяк необходимо строить прямо в воде. Маяки, омываемые волнами, – это каменные сооружения, построенные для противостояния воздействию воды, такие как маяк Эддистоун в Великобритании и маяк St. George Reef Light в Калифорнии. В неглубоких заливах винтовые свайные маяки – железные конструкции, ввинченные в морское дно, – имеют низкую деревянную надстройку над открытым каркасом, как, например, маяк Thomas Point Shoal Lighthouse. Поскольку винтовые сваи могут быть повреждены льдом, в холодных климатах используются стальные кессонные маяки, такие как маяк Orient Point Light. Orient Long Beach Bar Light (Bug Light) представляет собой сочетание винтового маяка, который был переоборудован в кессонный из-за угрозы повреждения льдом. Скелетные железные башни с винтовыми фундаментами были построены на Флоридском рифе вдоль Флоридских Кис, начиная с маяка Carysfort Reef Light в 1852 году. В водах, слишком глубоких для обычной конструкции, вместо маяка может использоваться световой корабль, как, например, бывший световой корабль Columbia. Большинство из них теперь заменены стационарными световыми платформами (такими как Ambrose Light), аналогичными тем, которые используются для морской нефтедобычи.

For effectiveness, the lamp must be high enough to be seen before the danger is reached by a mariner. The minimum height is calculated by trigonometry (see Distance to the horizon) as , where H is the height above water in feet, and D is the distance from the lighthouse to the horizon in nautical miles, the lighthouse range. Where dangerous shoals are located far off a flat sandy beach, the prototypical tall masonry coastal lighthouse is constructed to assist the navigator making a landfall after an ocean crossing. Often these are cylindrical to reduce the effect of wind on a tall structure, such as Cape May Light. Smaller versions of this design are often used as harbor lights to mark the entrance into a harbor, such as New London Harbor Light. Where a tall cliff exists, a smaller structure may be placed on top such as at Horton Point Light. Sometimes, such a location can be too high, for example along the west coast of the United States, where frequent low clouds can obscure the light. In these cases, lighthouses are placed below the clifftop to ensure that they can still be seen at the surface during periods of fog or low clouds, as at Point Reyes Lighthouse. Another example is in San Diego, California: the Old Point Loma lighthouse was too high up and often obscured by fog, so it was replaced in 1891 with a lower lighthouse, New Point Loma lighthouse. As technology advanced, prefabricated skeletal iron or steel structures tended to be used for lighthouses constructed in the 20th century. These often have a narrow cylindrical core surrounded by an open lattice work bracing, such as Finns Point Range Light. Sometimes a lighthouse needs to be constructed in the water itself. Wave washed lighthouses are masonry structures constructed to withstand water impact, such as Eddystone Lighthouse in Britain and the St. George Reef Light of California. In shallower bays, Screw pile lighthouse ironwork structures are screwed into the seabed and a low wooden structure is placed above the open framework, such as Thomas Point Shoal Lighthouse. As screw piles can be disrupted by ice, steel caisson lighthouses such as Orient Point Light are used in cold climates. Orient Long Beach Bar Light (Bug Light) is a blend of a screw pile light that was converted to a caisson light because of the threat of ice damage. Skeletal iron towers with screw pile foundations were built on the Florida Reef along the Florida Keys, beginning with the Carysfort Reef Light in 1852. In waters too deep for a conventional structure, a lightship might be used instead of a lighthouse, such as the former lightship Columbia. Most of these have now been replaced by fixed light platforms (such as Ambrose Light) similar to those used for offshore oil exploration.

Световые приборы

Выровняв две фиксированные точки на суше, навигатор получает линию положения, называемую рейнджем в Северной Америке и транзитом в Великобритании. Рейнджи могут использоваться для точного выравнивания судна в узком канале, таком как река. Если ориентиры рейнджа освещены набором стационарных маяков, становится возможной ночная навигация. Такие парные маяки называются рейндж-маяками в Северной Америке и ведущими огнями в Великобритании. Ближний маяк называется передним огнем или передним рейнджем, а дальний – задним огнем. Задний огонь почти всегда выше переднего. Когда судно находится на правильном курсе, оба огня выравниваются по вертикали, а когда наблюдатель отклоняется от курса, разница в выравнивании указывает направление, в котором необходимо изменить курс.

Местоположение

Есть два типа маяков: расположенные на суше и открытом море. Открытоморские маяки – это маяки, которые находятся далеко от берега. Существует ряд причин для строительства таких маяков. В нескольких милях от суши может находиться отмель, риф или подводный остров. Современный маяк Кордуан был завершен в 1611 году и построен на небольшом островке, но возведен на месте предыдущего маяка, история которого восходит к 880-м годам, что делает его старейшим сохранившимся маяком во Франции. Он соединен с материком перешейком. Самый старый сохранившийся маяк в открытом океане – маяк Белл-Рок в Северном море, у побережья Шотландии.

Азия и Океания

В Австралии маяки находятся в ведении Австралийского управления по безопасности на море. В Индии маяки обслуживаются Генеральным директоратом маяков и световых кораблей, являющимся подразделением Министерства портов, судоходства и водных путей.

Европа

Бывшее советское правительство построило ряд автоматических маяков, работающих на радиоизотопных термоэлектрических генераторах в отдаленных районах северной России. Они долгое время работали без внешнего обслуживания с высокой надежностью. Однако многие установки пришли в негодность, были украдены или подверглись вандализму. Некоторые из них не удается обнаружить из-за ненадлежащего учета. В Соединенном Королевстве и Республике Ирландия функционируют три организации: маяки вдоль побережья Англии и Уэльса находятся под надзором Trinity House, вдоль побережья Шотландии и острова Мэн – Northern Lighthouse Board, а вдоль побережья Ирландии – Commissioners of Irish Lights.

Северная Америка

В Канаде маяками управляет канадская береговая охрана. В Соединенных Штатах маяки обслуживаются Береговой охраной США, в которую в 1939 году была объединена Служба маяков США. По всему миру образовалось множество организаций, занимающихся восстановлением и сохранением маяков, включая Всемирное общество маяков и Общество маяков США, а также Общество радиолюбителей-маячников, которое направляет радиолюбителей для привлечения внимания к сохранению отдалённых маяков по всему миру.