Хрустальные посланники небес. Способ измерения температуры иустройство для его осуществления Люди, перед которыми я в долгу

Большая книга о маленьких снежинках

Тимофей Черепанов

© Тимофей Черепанов, 2015

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero.ru

Снег
Опять он падает, чудесно молчаливый,
Легко колеблется и опускается…
Как сердцу сладостен полет его счастливый!
Несуществующий, он вновь рождается…

Все тот же, вновь пришел, неведомо откуда,
В нем холода соблазны, в нем забвенье…
Я жду его всегда, как жду от Бога чуда,
И странное с ним знаю единенье.

Пускай уйдет опять – но не страшна утрата.
Мне радостен его отход таинственный.
Я вечно буду ждать его безмолвного возврата,
Тебя, о ласковый, тебя, единственный.

Он тихо падает, и медленный и властный…
Безмерно счастлив я его победою…
Из всех чудес земли тебя, о снег прекрасный,
Тебя люблю… За что люблю – не ведаю.

Зинаида Гиппиус

Половина населения Земли никогда не видела снега. Соответственно, другая половина – видела. На 1 января 2015 года число людей на Земле составило 7 263 339 729 человек. Половину от этого числа определить, к сожалению, нельзя, потому что делимое число – нечетное, а люди пополам не делятся. Но даже приблизительно это очень много – более 3,6 миллиардов.

В то же время все эти люди (исключая, конечно, младенцев) знают, что снег состоит из снежинок. Ученые и тут не остались в стороне: они подсчитали, что на землю ежегодно падает 1 септильон снежинок. Это единица и 24 нуля. Чтобы получить такое число, надо миллиард возвести в квадрат и результат умножить на миллион. Теперь уже мы сами с помощью простого деления можем определить, что на каждого жителя из «счастливой» половины, включая младенцев, приходится примерно по 275 триллионов снежинок. Пожалуй, более чем достаточно, чтобы знать о них все. Ну, хотя бы об их внешнем виде.

Однако уже то, что вы сейчас держите в руках эту книгу, говорит о вашем желании узнать больше. Мне это кажется совершенно естественным и вы тоже в этом убедитесь, когда прочтете или хотя бы просмотрите эту книгу до конца, поэтому не спешите откладывать ее в сторону. Перед вами откроется мир, о котором вы, скорее всего, даже не подозревали. Удивительный и прекрасный мир снежных кристаллов. Они в буквальном смысле слова падают во множестве нам на голову, но не будет большим преувеличением сказать, что подавляющее большинство людей не знает о снежинках ничего или почти ничего.

Всего лишь несколько лет назад я тоже ничем в этом плане не отличался, пока однажды мне не пришла в голову мысль сфотографировать снежинку. Пришла чисто случайно, запись в файле того снимка сохранила дату и время – это произошло 1 января 2009 года в 14.59. Город был пустой, все еще отсыпались после встречи Нового года. А я с собакой погулять вышел. Отдельные снежинки падали на все вокруг, и каждую можно было рассмотреть. Но они так малы… Поэтому я вернулся домой, нацепил на фотоаппарат макрообъектов и опять вышел во двор. Нашел на скамейке самую красивую, как мне показалось, снежинку и сфотографировал. Так поступают многие – современные фотоаппараты есть почти у каждого, да и макросъемка в наши дни тоже не является чрезвычайно сложным делом. В таком случае вдвойне непонятно утверждение, что люди почти ничего не знают о снежинках. Однако это становится понятно любому, кто пытается это осуществить на практике. Даже специализированные макрообъективы обеспечивают съемку в масштабе до 1:1, то есть изображение на матрице фотоаппарата будет иметь тот же размер, что и сам объект. Снежинки размером 4 мм считаются уже очень крупными. Матрицы профессиональных зеркальных фотокамер имеют размер 24х36 мм, площадь так называемых «кропнутых» примерно вполовину меньше. Матрицы компактных камер значительно меньше, но у них и объективы не обеспечивают такой масштаб съемки. В любом случае получается, что изображение снежинки занимает лишь малую часть кадра. Это, конечно, лучше, чем наблюдать невооруженным глазом, но явно недостаточно для полноценных исследований. Те, кто совершает подобные попытки, совершенно естественным образом выбирают для съемки самые крупные кристаллы «классической» формы, и именно они формируют устоявшийся образ снежинки в виде шести расходящихся в одной плоскости лучей. Образ же этот, к слову, сформировался задолго до изобретения фотографии.

Изображения снежинок обнаружены даже в петроглифах – наскальных рисунках эпохи неолита на берегах Онежского озера. Сделаны они за несколько тысяч лет до нашей эры. Несмотря на примитивизм изображений и ошибку в счете – число лучей не равно шести – сомнений в том, что древний человек высекал на камне именно снежинку, не возникает. Снежинки можно увидеть также на некоторых старых иконах.

Еще в самом начале XVII века Иоганн Кеплер написал небольшой трактат «О шестиугольных снежинках». Он издавался в русском переводе1 и интересен, пожалуй, в большей степени как исторический документ, хотя в научном мире и считается, что тем самым Кеплер заложил основу науки кристаллографии. Судить об этом не мне, но читать интересно. Хотя бы в том отношении, чтобы понять, что представляла собой в те времена наука. При отсутствии хотя бы какой-то теории в ее современном понимании Кеплер умозрительно пытается обосновать, почему снежинки шестиугольные, а не имеют, скажем, пять или семь углов или граней. Рассматривая при этом такие аналогии, как пчелиные соты, зерна граната или горошины в стручке.

Никакая наука о природе немыслима без достаточного количества экспериментального материала. Казалось бы, при таком астрономическом количестве падающих на землю снежинок никаких проблем с этим быть не должно. Однако снег – это не снежинки, хотя и образуется из них. Извлечь из массы даже свежевыпавшего снега одну-единственную снежинку нереально. Даже если бы подобная идея пришла кому-либо в голову и была реализована, ценность полученного таким способом материала была бы весьма невысока. Причина в том, что в химическом отношении снежинки состоят из воды, только в твердом агрегатном состоянии. Это кристаллы льда. Вещества, как известно, имеют и третье агрегатное состояние – газообразное, или паровое. Все имеют возможность наблюдать, как лед и снег превращаются в жидкую фазу, когда тают. Точно так же все видели, как вода превращается в пар при кипении. Однако практически незаметным для глаза остается третий процесс, именуемый сублимацией. Это когда твердое вещество (в данном случае лед) превращается в газообразное непосредственно, минуя жидкую фазу. Снег по сравнению с водой имеет очень малую плотность. Свежевыпавший, он на 95% состоит из воздуха, заполняющего все пространство между кристаллами. Из этого следует, что снег имеет огромную поверхность соприкосновения с воздухом, что и является предпосылкой к интенсивной сублимации. Известно, что в течение зимы испаряется половина выпавшего снега.

Поэтому, если мы хотим получить достоверные сведения о снежинках, мы должны исследовать их сразу после падения, а не когда они полежат в сугробе. Мой опыт говорит, что при температурах около -5 °С снимки снежинки, сделанные с интервалом в одну минуту, уже очень существенно отличаются друг от друга: скругляются углы, укорачиваются лучики, а мелкие элементы исчезают совсем. Ни о каком таянии тут речь не идет, превращения в жидкую фазу при такой температуре не происходит. При более низких температурах процесс замедляется, но по-прежнему остается заметным. К тому же для различных температур характерно образование разных форм снежинок, так что погоня за холодом – это не выход из положения.

Вот поэтому фотосъемка снежинок является своего рода охотой. Нужно поймать падающую снежинку, каким-то образом изолировать ее от других и как можно быстрее сфотографировать. Само собой понятно, что делать это следует при отрицательной температуре, в противном случае она в течение секунд превратится просто в капельку воды. Если же говорить не о съемке одной-двух «для попробовать», а о серьезной длительной работе, то главным врагом становится уже совсем не тепло, а, наоборот, мороз. Вот без мороза уж точно никуда. Снежинка – это такая же «внучка» Деда Мороза, как и мифологическая Снегурочка, только она настоящая. Когда меня спрашивают, что необходимо для фотографирования снежинок, то я полушутя, полусерьезно отвечаю: «Тулуп и валенки». Работа неподвижная, при этом тонкая – это же по сути микроскопия! Как тепло ни одевайся, долго не выдержишь. Больше всего мерзнут руки, потому что в перчатках работать с кнопочками не получается.

Да и технике тоже приходится несладко. Обычно фотографы зимой прячут камеры под одеждой, доставая их лишь чтобы сделать кадр. Тут же о таком не может быть и речи – камера стоит неподвижно на массивном штативе. Вы, наверное, обращали внимание, что микроскопы монтируются на массивных основаниях? Так поступают, чтобы уменьшить влияние вибраций. То же самое приходится делать и в данном случае. И это далеко не все проблемы, которые ожидают фотографа снежинок, их можно перечислять довольно долго, но я пишу не пособие для фотографов, а книгу о снежинках.

Союз Советских

Социалистических

Республик

Госудврствеииый комитет

AG делам изобретеиий и открытий (53) УДК 536.53 (088. S), У 2) Авторы изобретения

В. Н. Золкин, IO.A. Комаров, В. П. и Т.Я.Черепанов (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к термометрии и предназначено, главным образом, для дистанционного измерения температуры об ъек то в в услови ях во эдей ст ви я сильных электромагнитных полей, например труднодоступных участков силовых трансформаторов, электродвигателей и других электрических машин.

Известен способ дистанционного измерения температуры, основанный на изменении цвета измеряемого объектами), Однако точность измерения темпера" туры таким способом невелика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ измерения температуры, заключающийся в размещении полупроводникового термочувствительного элемента в исследуемой облас-2() ти, освещении его монсхроматическим излучением с длиной волны, расположенной в области температурного смещения края полосы поглощения полупроводника. Способ основан на сдвиге края полосы поглощения полупроводника в зависимости от температуры.

Способ реализуется устройством, содержащим источник света с блоком питания, световод, термочувствитель- 3() ный элемент в виде полупроводниковой пластины,- которая одной стороной прикреплена к торцу световода, а на другой ее стороне укреплен отражатель в виде зеркала или призмы, фатоприемник и регистратор. Спектр излучения монохроматического источника света, например светодиода, располагается в непосредственной близкости от края полосы поглощения полупроводника. При изменении температуры изменяется коэффициент поглощения на длине волны источника света следовательно,амплитуда сигнала на выходе фотоприемника 2).

Однако как данный способ, так и устройство для era реализации обладают существенными недостатками.Пос" кольку о величине температуры судят по изменению интенсивности светового потока, а на величину этой интенсивности оказывает влияние не только спектральный сдвиг полосы поглощения полупроводника, но и возникающие со временем дефекты термочувствительного элемента, точность при длительной работе оказывается недостаточной, так как градуировка возможна лищь один раз при монтаже датчика и весь после800705 дующий дрейф целиком входит в погрешность измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что полупроводниковый термочувствительный элемент дополнительно освещают монохроматическим излучением с

)цлиной волны, лежащей в области окна прозрачности полупроводника, а о величине температуры судят.по отношению интенсивностей прошедших через полупроводник световых потоков.

На фи.-. 1 показана спектральная характеристика коэффициента поглощения с в зависимости от длины. волны

g (сплошная кривая соответствует некоторому значению температуры Т, пунктирная — Т > Т,); на Фиг. 2— блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Световой поток, прошедший через Щ термочувствительный элемент и тракт передачи информации и имеющий длину волны излучения А, соответствующую краю полосы поглощения полупроводника, пропорционален гроизведению Я

f, (Т). F,(t,х„), где f, (T) — светопропускание самого полупроводника как функция температуры, F, (t,x) — светопропускание тракта передачи информации как «,ункция времени и различных З,1 помех, нестабильностей и т.д. Ионохроматический световой поток, прошедший по тому же пути, но имеющий длину волны A.», лежащую в пределах окна прозрачносTH полупроводнYка, пропорционален произведению f»(T) F> (t,õ;), 0 где функции f u F аналогичнй по физическому смыслу f, и F . Поскольку светопропускание самого полупроводника на длине волны A. практически не зависит от температуры, f (T) =const. 40

Длина волны излучения А выбирается в непосредственной близкости к краю полосы поглощения., так что разница между Л и Л невелика и функция помехи

F, практи блески совпадает с Р», т.е.

F, (t,х) = F> (t,xÄ). Отношение же.световых потоков с длинами волн А, и

А» пропорционально, следоватех; но„ только f, (Т), т.е. дает неискаженную информацию о температуре. 50

Практически для нахождения отношения интенсивностей световых потоков целесообразно вначале преобразовать каждый сетовой поток в пропорциональный электрический сигнал и после это- 55 го определить величину отношения.

Отличие устройства, реализующего предлагаемый способ, состоит в том, что в него введены второй источник света, временной селектор, информа-ционный вход которого через усилитель 69 подключен к выходу Фотоприемника,и схема отношений, соединенная с регистратором, к двум входам которого через интеграторы подключены выходы временного селектора, соединенного двумя 45 управляющими входами с блоком питания источников света.

Блок питания содержаит задающий генератор, выполненный в виде мультивибратора, один выход которого подключен к первому источнику света и к одному иэ управляющих входов временного селектора, а второй выход подключен ко второму источнику света и второму управляющему входу временного селектора.

Устройство содержит источники света 1 и 2 с.общим блоком 3 питания,два волоконных световода 4 и В, термочувствительный элемент б, отражатель

7, фотоприемник 8, усилитель 9, временной селектор 10, интеграторы 11 . и 12, схему 13 отношений и регистратор 14.

Генератор импульсов вырабатывает импульсы таким образом, что каждый нечетный (условно) импульс создается на выходе 1 и возбуждает источник монохроматического света 1 с длиной волны излучения А, . Каждый четный импульс поступает на выход 2 и возбуждает источник монохроматического света 2 (опорный) с длиной волны излучения (. Эти же импульсы с выходов генератора (вых. 1 и вых 2) подаются на управляющие входы временного селектора 10 и открывают соответствующие выходы таким образом, что в момент свечения источника 1 света открывается выход на интегратор ll, а в момент свечения источника 2 света открывается выход на интегратор 12. Интеграторы сглаживают последовательности импульсов, на выходе образуется медленно меняющийся электрический сигнал, пропорциональный световому потоку, попадающему на фотоприемник В от источников света 1 и 2. Отношение таких сигналов дает неискаженную информацию о температуре, поэтому выходы интеграторов подключены к входам схемы 13 отношений, выход которой подсоединен непосредственно к регистратору 14.

Выход интегратора 12, на который приходят импульсы, пропорциональные световому потоку, попавшему на фотоприемник 8 от опорного источника 2 света, может быть подключен к входу

АРУ усилителя 9 (связь показана на фиг. 2 пунктирной линией). В этом случае сигнал на выходе интегратора 12 будет поддерживаться на пос- тоянном уровне и схема отношений 13 может быть выполнена просто в виде согласующего каскада.

Таким образом, исключение из результатов измерений погрешностей, связанных с наличием помех и нестабильностей в тракте передачи информации, приводит к повышению точности измерения.

Формула изобретения з 10401/51 одписное

l. Способ измерения температуры, заключающийся в раэмещеиии полупроводникового термочувствительного элемента в исследуемой области, освеще- 5 нии его монохроматическим излучением с длиной волны, расположенной в области температурного смещения края полосы поглощения полупроводника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, полупроводниковый термочувствительйый элемент дополнительно освещают монохроматическим излучением с длиной волны, лежащей в области окна прозрачности полупроводника, а о величине температуры судят но отношению интенсивностей прошедших чер з полупроводник световых потоков °

2. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее источник 20 света с блоком питания, световод,термочувствительный элемент в виде полупроводниковой пластины, которая одной стороной прикреплена к торцу световода, à íà другой ее стороне укреп- у5 лен отражатель в виде зеркала или призмы, фотоприемник и регистратор, отличающеесятем,чтов него введены второй источник света, временной селектор, информационный вход которого через усилитель подключен к выходу фоток, иемника, и схема отношений, соединенная с регистратором, к двум входам которого через интеграторы подключены выходы временного селектора, соединенного двумя управляющими входами с блоком питания источников света.

З.устройство по п.2,о т л и ч а ющ е е с я тем,что блок питания содержит задающий генератор, выполненный в виде мультивибратора, один выход которого подключен к первому источнику света и к.одному иэ управляющих входов временного селектора, а второй выход подключен ко второму источнику света и второму управляющему входу временного селектора.

Птицы в кадре

Записки фотоохотника

Тимофей Черепанов

© Тимофей Черепанов, 2017

ISBN 978-5-4485-9087-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Благодарности

Люди, перед которыми я в долгу:

Ольга Викторовна Волцит – сотрудник Зоологического музея Москвы, к.б.н., любезно согласившаяся просмотреть книгу на предмет правильности определения видов и названий птиц и сказавшая тёплые напутственные слова.

Полина Лихачёва (г. Рязань), создавшая в своё время клуб «Птицы» на Я.ру и заразившая своей любовью ко всем тварям земным многих, включая и автора.

Введение

Боги дали нам птиц, чтобы мы видели каждый день, что такое красота. Но мы редко смотрим в небо и забываем про красоту и свободу

Конфуций

Я начал с удовольствием следить за жизнью птиц, и в своей простоте удивлялся, как это каждый джентльмен не делается орнитологом

Чарльз Дарвин

«Ну и нахал же этот автор, – подумает читатель, – уж не у Тургенева ли он подзаголовок позаимствовал?». Да нет, Тургенев писал о людях, а книга эта – именно о птицах, но глазами фотоохотника. Просто специального слова для обозначения именно такого рода занятий в русском языке пока что нет. Со словообразованием в нашей стране в последние два десятка лет вообще большие проблемы. Общественное сознание не успевает за стремительными переменами во всех сферах, поэтому вместе с вещами и понятиями в нашу жизнь приходят заимствованные из других языков слова-кальки, в основном с английского. Так уже не раз бывало в истории. Вот и говорим мы «шопинг», «кайтинг», «мониторинг», «рафтинг», «банкинг» и т. п. Самое близкое слово для обозначения того, о чём книга, это «бёрдвотчинг», такая же калька с английского – «bird-watching», наблюдение за птицами. «Бёрдвотчер» или «бёрдер» – смотрящий за птицами, орнитолог-любитель. Хотя и то, и другое не совсем точно: оба совершенно не обязательно являются фотографами. Я буду использовать слово «бёрдвотчер» в книге, но в названии считаю всё же преждевременным – книга-то не для специалистов или тех самых «бёрдвотчеров», да и толкование этого слова в русском языке тоже ещё не устоялось. Одни относят к бёрдвотчерам только спортсменов, соревнующихся в том, кто больше увидит птиц за определённый период (для знакомства с этим рекомендую добрый и смешной фильм режиссёра Дэвида Фрэнкела «Большой год»), другие же – всех наблюдателей. Понятно, что подавляющее большинство составляют определители. Определителей по птицам издано много, как в бумажном виде, так и в электронном. Если прежде единственной возможностью иллюстрировать их были рисунки, то в последние годы издано немало и с иллюстрациями в виде фотографий птиц в реальной среде обитания. В качестве примера достаточно упомянуть роскошный трехтомный «Полный определитель птиц европейской части России», подготовленный ведущими орнитологами страны под общей редакцией д. б. н. М.В.Калякина (издательство «Фитон XXI», 2013 г.).

Однако что такое определитель? В какой-то степени он подобен словарю. Вещь столь же необходимая, сколь и скучная. Как это ни парадоксально звучит, но в те времена, когда о фотографировании птиц в живой природе можно было только мечтать, о птицах писали больше мастера словесности. Когда они сочетали в себе талант литератора со знаниями орнитолога, на свет появлялись такие до сей поры непревзойденные шедевры, как, например, труды А. Брема. Ведь ещё Козьма Прутков пошутил, что специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. Иногда одна метко подмеченная деталь в облике или в поведении птицы скажет больше, чем полное описание в определителе. Когда я услышал однажды в небе блеяние барашка, из памяти мгновенно всплыла прочитанная ещё в детстве книга Бианки «Кто чем поёт?». Да это же бекас! К слову, вблизи его я так и не увидел, однако считаю, что встреча с бекасом всё же состоялась (бёрдвотчеры тоже так считают, если верить сказанному в фильме «Большой год»). То же самое произошло, когда из кустов доносилось: «Витю видел?». Слова лишь по созвучию передают песнь птицы, а мне явственно услышалось: че-че-вица! Многие названия отражают именно звуки птиц, если не в русском языке, то в других. латинское название удода Upupa epops весьма точно передаёт звуки, издаваемые этой птицей: «Упу-уп!». Кукушка кукует не только по-русски. И таких примеров много. Это касается не только голоса, но и других характерных черт во внешнем облике или в поведении птицы: заметной окраски оперения, движений или типичных мест обитания. Народ ничего и никого не называл просто так, поэтому шилоклювкой может называться лишь птица с клювом в форме шила, камышевка должна обитать в камышах или среди других трав с высокими стеблями, например, крапивы, а сизоворонка должна иметь в оперении сизые и черные цвета. Бормотушка бормочет, пересмешка пересмеивает…

Книг, посвященных птицам, издано много. Когда-то я приобрёл и не раз перечитывал прекрасную книгу Г.Н.Симкина «Певчие птицы» (М., «Лесная промышленность», 1990). Если бы ещё полиграфическое качество фотографий соответствовало содержанию! Пожалуй, первой книгой в знакомстве с птицами для меня стал «Школьный атлас-определитель птиц» В.М.Храброго. Уже начав работать над этой, я обнаружил целые библиотеки изданий разных лет, например, http://zoomet.ru/metod_ptica.html. Не могу не отметить с большой душой написанную книгу С.П.Пасхального «Север, птицы, люди». – Екатеринбург: Из-во Уральского университета, 2004. Уральский писатель Николай Никонов – книга тоже называется «Певчие птицы» (Свердловск, Средне-Уральское книжное издательство, 1973).

С другой стороны, сейчас почти каждый человек имеет фотоаппарат в том или ином виде – они встраиваются даже в мобильные телефоны. Все снимают всё. Правда, птицу в природе обычным мобильником не снимешь, но и фотографов с дорогой специальной техникой сейчас множество. Многим удалось собрать замечательные коллекции, которым можно лишь позавидовать. Но какова их судьба? Единицам удаётся увидеть свои произведения в напечатанном виде – в определителях или, если уж совсем повезёт – на выставке. Подавляющее же большинство фотографий вывешивается в интернете и растворяется в этой бесконечности. По каждой птице можно найти исчерпывающую информацию. Дело за малым: знать, что это за птица… Проблема эта общая, идёт ли речь о птицах, растениях, грибах или даже минералах или звёздах. Новичок, не знакомый с систематикой в этой области, будет долго перелистывать определители в надежде найти увиденное. Но если гриб или, предположим, растение всё же есть в руках, то увиденная птица уже давно улетела, оставшись лишь в воспоминаниях. А как они непрочны, известно каждому, кто имел дело с так называемыми очевидцами или свидетелями. В кругу знакомых я получил благодаря своему увлечению репутацию «орнитолога» (коим отнюдь не являюсь), и ко мне часто обращаются с таким примерно вопросом: «К нам на участок прилетает птичка. Похожа на воробья, но не воробей. Грудка красная (голубая, зелёная…), хвостик длинненький… Подскажи, кто это?». Понятно, что по такому описанию птицу не узнает никакой даже настоящий орнитолог, поэтому я даю спрашивающему самый полный определитель и предлагаю поискать самому. Через некоторое время определитель откладывается в сторону со словами «нет тут этой птицы». Ура, в науке сделано очередное открытие: обнаружен новый вид!