海洋科普 | “指路明燈”——燈塔的光學奧秘

燈塔，常常見諸于詩歌、小說、影視劇等，被賦予“指路明燈”的重要意義，近年來也成為人們爭相打卡的地標性建筑。大家喜歡燈塔的偉岸、神秘，贊揚“指路明燈”的偉大，卻對它的發光原理不甚了解。 燈塔之光究竟可以照多遠？小小燈泡為什么能有那么強大的射程？發射出來的光線又是如何閃爍的？接下來，逐一解答——

燈塔的光能照多遠？

1海里 = 1.852公里 。也就是說，很多一級燈塔發出的光能繞西湖三圈多！

而在燈器內部，只有一個小小的燈泡或燈管，增加射程的功臣還得看發光體外圍的透鏡。

如今，菲涅爾透鏡被廣泛運用于燈塔燈器。

菲涅爾透鏡的奧秘

在菲涅爾的發明之前，最明亮的燈塔光束也只有 10海里 左右的射程，而透過菲涅爾透鏡發出的光整整 增強了一倍 。

這是因為用明火會損失近97%的光，使用反射鏡會損失約60%-80%的光，但是菲涅爾透鏡最多只會損失20%的光。相較于普通的凸透鏡只能在與光的交界面發生折射反應，菲涅爾透鏡把玻璃平面由外向內刻畫出一圈一圈的同心圓，中心保留一塊球面。

從剖面看，就好像在一條橢圓弧線兩邊形成了一個個鋸齒形凹槽，每個凹槽都能作為一個獨立的小透鏡。

這樣，幾乎所有的光線都可以被捕獲進來，然后以平行光束發射出去。

就像這樣

由于中間的球面凸鏡形似牛眼，所以菲涅爾透鏡也被俗稱為“牛眼透鏡”?！芭Ｑ邸币坏?，光芒遠照海天，為南來北往的船只指引航向。

不過，要想導航，只靠燈亮可不夠。

每座燈塔都有規定的燈質，一般為不同節奏的閃光，這種間隔光線可使船舶在惡劣氣候下更容易捕捉到燈光信號。

閃光如何實現？

大家比較容易想到的可能是通過電組件按一定頻率開關電源來讓燈光閃爍。

此外，還有一種方式——光源始終開著，將鏡頭圍繞光源旋轉，閃爍的光線就映照在了船員眼中。

鏡頭是怎么轉起來的呢？

現在的燈塔基本都使用步進電機來驅動轉臺，轉速可以調節，以滿足不同燈質的要求。

更久遠的時候，則是以重錘下落時產生的重力勢能作為旋轉驅動，再通過齒輪的嚙合進行減速。

每隔一到兩個小時，燈塔工要將落到底部的重錘再搖上去。如此循環往復。

另外，旋轉機組中還有一個重要角色——水銀浮槽。

因為有些大型燈塔的透鏡足足有數噸重，為了減輕轉臺承重，就將透鏡懸浮在水銀槽上，可以有效減少摩擦。

航標的科技含量和現代化程度越來越高，運行也越來越穩定，燈塔作為重要的助航標志，除了通過配備視覺航標設備外，現在還通過配備霧號等音響航標、無線電指向標、雷達應答器、AIS岸基站、VTS雷達站、DGPS基準站等導助航設備來發揮作用。燈塔通過能最大限度捕集光線的透鏡、凝結智慧的旋轉機組，還有閃爍著不同節奏光線的燈質，用它獨有的方式提供精準的導助航服務，以“明燈”為過往船舶“指路”引航，用無言的堅守為交通強國建設奉獻出自己的光熱，新時期的航保人也將緊跟時代步伐，不忘初心，砥礪前行。

海一言不發

守在鴻蒙初開時她就在的地方

亙古、遼闊、深邃

千百年來，始終如一

永遠不會老去，也永遠不會失去魅力

矗立在海上島嶼的燈塔亦如是

安靜而堅定地守護著過往船只

既照來路，也照歸途

相信航標燈的光能帶我們繼往開來

接續奮進，迎來更加燦爛輝煌的明天！

文章來源：原刊于“中國水運網”，轉載請注明原出處及由中國海洋發展研究中心編排