Маяк — это башня, здание или другая физическая конструкция, предназначенная для излучения света от системы ламп и линз и служащая маяком для навигационных средств для морских лоцманов на море или на внутренних водных путях.
Маяки отмечают опасные береговые линии, опасные отмели , рифы , скалы и безопасные входы в гавани; они также помогают в воздушной навигации . Когда-то количество действующих маяков, когда-то широко использовавшихся, сократилось из-за затрат на техническое обслуживание и стало неэкономичным с появлением гораздо более дешевых, более сложных и эффективных электронных навигационных систем.
До появления четко определенных портов моряки ориентировались на костры, разведенные на вершинах холмов. Поскольку поднятие огня улучшало видимость, размещение огня на платформе стало практикой, которая привела к созданию маяка. [1] В древности маяк служил скорее указателем входа в порты, чем сигналом предупреждения о рифах и мысах , в отличие от многих современных маяков. Самым известным маяком древности был Александрийский маяк Фарос в Египте , который рухнул после серии землетрясений между 956 и 1323 годами нашей эры .
Нетронутая Башня Геркулеса в Ла-Корунье , Испания, дает представление о строительстве древнего маяка; другие свидетельства о маяках существуют в изображениях на монетах и мозаиках, многие из которых изображают маяк в Остии . Также существуют монеты из Александрии, Остии и Лаодикии в Сирии .
Современная эра маяков началась на рубеже 18-го века, когда количество строящихся маяков значительно увеличилось из-за гораздо более высокого уровня трансатлантической торговли. Достижения в области структурного проектирования и новое эффективное осветительное оборудование позволили создать более крупные и мощные маяки, в том числе выходящие на море. Функция маяков постепенно менялась с указания портов на видимое предупреждение об опасностях судоходства, таких как камни или рифы.
Скалы Эддистоун представляли собой серьезную опасность кораблекрушения для моряков, проплывавших через Ла-Манш . [2] Первый маяк, построенный здесь , представлял собой восьмиугольную деревянную конструкцию, закрепленную 12 железными стойками, закрепленными в скале, и был построен Генри Уинстенли с 1696 по 1698 год. Его маяк был первой башней в мире, полностью подвергавшейся воздействию открытое море. [3]
Инженер -строитель Джон Смитон перестраивал маяк с 1756 по 1759 год; [4] его башня ознаменовала собой важный шаг вперед в проектировании маяков и оставалась в использовании до 1877 года. Он смоделировал форму своего маяка по форме дуба, используя гранитные блоки. Он заново открыл и использовал « гидравлическую известь », форму бетона, которая затвердевала под водой, использовавшуюся римлянами, и разработал технику скрепления гранитных блоков вместе с помощью соединений «ласточкин хвост» и мраморных дюбелей . [5] Функция «ласточкин хвост» служила для улучшения структурной устойчивости , хотя Смитону также пришлось уменьшить толщину башни к вершине, для чего он изогнул башню внутрь по плавному уклону. Этот профиль имел дополнительное преимущество: он позволял некоторой части энергии волн рассеиваться при ударе о стены. Его маяк стал прообразом современного маяка и оказал влияние на всех последующих инженеров. [6]
Одним из таких влиятельных лиц был Роберт Стивенсон , который сам был выдающейся фигурой в развитии проектирования и строительства маяков. [7] Его величайшим достижением было строительство маяка Белл-Рок в 1810 году, одного из самых впечатляющих инженерных достижений того времени. [ нужна цитация ] Эта структура была основана на конструкции Смитона, но с несколькими улучшенными функциями, такими как включение вращающихся огней, чередующихся между красным и белым. [8] Стивенсон проработал в Совете Северных маяков почти пятьдесят лет [7] , в течение которых он проектировал и руководил строительством, а затем улучшением многочисленных маяков. Он ввел новшества в выборе источников света, креплений, конструкции отражателей, использовании линз Френеля , а также в системах вращения и опалубки, снабжающих маяки индивидуальными сигнатурами, позволяющими морякам идентифицировать их. Он также изобрел подвижный удлинитель и кран-балансир как необходимые детали при строительстве маяка.
Александр Митчелл спроектировал первый маяк на винтовых сваях – его маяк был построен на сваях, ввинченных в песчаное или илистое морское дно. Строительство по его проекту началось в 1838 году в устье Темзы и было известно как маяк Маплин-Сэндс , а впервые зажжено в 1841 году. [9] Хотя его строительство началось позже, маяк Уайр во Флитвуде, Ланкашир, был первым, который был построен. лит (в 1840 г.). [9]
До 1782 года источником освещения обычно были дровяные костры или горящий уголь. Лампа Аргана , изобретенная в 1782 году швейцарским ученым Эме Арганом, произвела революцию в освещении маяков своим устойчивым бездымным пламенем. В ранних моделях использовалось матовое стекло, которое иногда тонировали вокруг фитиля. В более поздних моделях над пламенем подвешивалась оболочка из диоксида тория , создавая яркий устойчивый свет. [10] В лампе Арганда в качестве топлива использовалось китовое масло , рапсовое , оливковое масло [11] или другое растительное масло , подаваемое самотеком из резервуара, установленного над горелкой. Лампа была впервые произведена Мэтью Бултоном в сотрудничестве с Аргандом в 1784 году и на протяжении более столетия стала стандартом для маяков. [12]
Маяк Саут-Форленд был первой башней, в которой успешно использовалось электрическое освещение в 1875 году. Угольные дуговые лампы маяка питались от парового магнето . [13] Джон Ричардсон Уигэм был первым, кто разработал систему газового освещения маяков. Его усовершенствованная газовая горелка «крокус» на маяке Бейли недалеко от Дублина была в 13 раз мощнее, чем самый яркий свет, известный на тот момент. [14]
Горелка на испаряемом масле была изобретена в 1901 году Артуром Китсоном и усовершенствована Дэвидом Худом в Тринити-Хаусе . Топливо испарялось под высоким давлением и сжигалось для нагрева мантии, что давало светимость более чем в шесть раз превышающую яркость традиционных масляных фонарей. Использование газа в качестве источника света стало широко доступным с изобретением шведским инженером Густавом Даленом лампы Далена . Он использовал Агамассан (Ага), субстрат , для поглощения газа, позволяя хранить газ и, следовательно, безопасно использовать. Дален также изобрел « солнечный клапан », который автоматически регулировал свет и выключал его в дневное время. [ Этот абзац требует цитирования ] Эта технология была преобладающим источником света в маяках с 1900-х по 1960-е годы, когда электрическое освещение стало доминирующим. [15]
С развитием постоянного освещения лампы Арганда применение оптических линз для увеличения и фокусировки интенсивности света стало практической возможностью. Уильям Хатчинсон разработал первую практическую оптическую систему в 1763 году, известную как катоптрическая система. [ нужна цитата ] Эта элементарная система эффективно коллимировала излучаемый свет в концентрированный луч, тем самым значительно увеличивая видимость света. [16] Способность фокусировать свет привела к появлению первых вращающихся лучей маяка, где свет казался морякам серией прерывистых вспышек. Также стало возможным передавать сложные сигналы с помощью световых вспышек.
Французский физик и инженер Огюстен-Жан Френель разработал многочастную линзу Френеля для использования в маяках. Его конструкция позволяла создавать объективы с большой светосилой и коротким фокусным расстоянием без массы и объема материала, которые потребовались бы для объектива традиционной конструкции. Линзу Френеля можно сделать намного тоньше, чем аналогичную традиционную линзу, в некоторых случаях принимая форму плоского листа. Линза Френеля также может улавливать больше наклонного света от источника света, что позволяет свету маяка, оборудованного такой линзой, быть видимым на больших расстояниях.
Первая линза Френеля была использована в 1823 году на Кордуанском маяке в устье Жиронды ; его свет можно было увидеть на расстоянии более 20 миль (32 км). [17] Изобретение Френеля увеличило яркость лампы маяка в четыре раза, и его система до сих пор широко используется.
Введение электрификации и автоматических переключателей ламп сделало смотрителей маяков устаревшими. На протяжении многих лет у маяков все еще были смотрители, отчасти потому, что смотрители маяков при необходимости могли выполнять функции спасательной службы . Улучшения в морской навигации и безопасности, такие как спутниковые навигационные системы, такие как GPS, привели к постепенному отказу от неавтоматизированных маяков во всем мире. [18] В Канаде эта тенденция остановлена, и по-прежнему существует 50 укомплектованных световых станций, из них 27 только на западном побережье. [19]
Остальные современные маяки обычно освещаются одним стационарным проблесковым светом, питаемым от солнечных батарей, установленных на стальном каркасе башни. [20] Там, где потребность в энергии слишком велика для солнечной энергии, используется циклическая зарядка с помощью дизельного генератора: для экономии топлива и увеличения периодов между техническим обслуживанием фонарь питается от батареи, при этом генератор вступает в работу только тогда, когда батарея должна быть заряжена. взимается плата. [21]
Джон Смитон примечателен тем, что спроектировал третий и самый известный маяк Эддистоун , но некоторые строители хорошо известны своей работой по строительству нескольких маяков. Семья Стивенсонов ( Роберт , Алан , Дэвид , Томас , Дэвид Алан и Чарльз ) сделали строительство маяков профессией трех поколений в Шотландии. Ричард Генри Брантон спроектировал и построил 26 японских маяков в Японии эпохи Мэйдзи , которые стали известны как «дети» Брантона. [22] Слепой ирландец Александр Митчелл изобрел и построил несколько маяков с винтовыми сваями. Англичанин Джеймс Дуглас был посвящен в рыцари за работу над четвертым маяком Эддистон. [23]
Лейтенант инженерного корпуса армии США Джордж Мид построил множество маяков вдоль побережья Атлантического океана и Персидского залива, прежде чем получил широкую известность как генерал-победитель в битве при Геттисберге . Полковник Орландо М. По , инженер генерала Уильяма Текумсе Шермана во время осады Атланты, спроектировал и построил одни из самых экзотических маяков в самых труднодоступных местах Великих озер США . [24]
Французский офицер торгового флота Мариус Мишель-паша построил почти сотню маяков вдоль берегов Османской империи за двадцать лет после Крымской войны (1853–1856). [25]
В маяке источник света называется «лампой» (электрической или масляной), а свет при необходимости концентрируется «линзой» или «оптикой». Источники питания маяков ХХ–ХХI веков различаются.
Лампа Арган с полым фитилем и параболическим отражателем , первоначально освещавшаяся открытым огнем, а затем свечами, была представлена в конце 18 века.
Китовый жир также использовался вместе с фитилями в качестве источника света. Керосин стал популярным в 1870-х годах, а на рубеже 20-го века электричество и карбид ( газ ацетилен ) начали заменять керосин. [20] Карбид был популяризирован лампой Дален , которая автоматически зажигала лампу с наступлением темноты и гасила ее на рассвете.
Во второй половине 20-го века многие отдаленные маяки в России (тогда Советском Союзе ) питались от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ). Их преимущество заключалось в том, что они обеспечивали электроэнергию днем и ночью и не нуждались в дозаправке или обслуживании. Однако, как сообщается, после распада советского правительства в 1990-х годах большая часть официальных записей о местонахождении и состоянии этих маяков была утеряна. [26] Со временем состояние РИТЭГов в России ухудшилось; многие из них стали жертвами вандализма и воров металлолома, которые, возможно, не знали об опасном радиоактивном содержимом. [27]
Энергоэффективные светодиодные фонари могут питаться от солнечных батарей с резервными батареями вместо дизельного генератора. [28]
Многие установки с линзами Френеля были заменены вращающимися аэромаяками , которые требуют меньшего обслуживания.
В современных автоматизированных маяках система вращающихся линз часто заменяется источником света высокой интенсивности, который излучает короткие всенаправленные вспышки, концентрируя свет во времени, а не в направлении. Эти огни похожи на заградительные огни, используемые для предупреждения самолетов о высоких конструкциях. Более поздними нововведениями стали «Vega Lights» и эксперименты со светодиодными (LED) панелями. [20]
К 2020 году широкое распространение получили светодиодные фонари, которые потребляют меньше энергии и их легче обслуживать. В Соединенном Королевстве и Ирландии около трети маяков были переведены с источников света накаливания на использование светодиодов, и переход продолжался примерно по три маяка на светодиоды. год. Источники света спроектированы так, чтобы максимально точно имитировать цвет и характер традиционного света. Это изменение часто не замечается жителями региона, но иногда предлагаемое изменение приводит к призывам сохранить традиционное освещение, включая в некоторых случаях вращающийся луч. Типичная светодиодная система, предназначенная для установки в традиционный корпус линзы Френеля 19-го века, была разработана Trinity House и двумя другими управлениями маяков и стоит около 20 000 евро , в зависимости от конфигурации, по словам поставщика; у него большие ребра для рассеивания тепла. Срок службы светодиодного источника света составляет от 50 000 до 100 000 часов по сравнению с примерно 1 000 часов для источника накаливания. [28]
Экспериментальные установки лазерных фонарей либо высокой мощности для создания «линии света» в небе, либо малой мощности, предназначенные для моряков, выявили проблемы повышенной сложности установки и обслуживания, а также требований к высокой мощности. Первая практическая установка, состоявшаяся в 1971 году на маяке Пойнт-Дейнджер в Квинсленде , через четыре года была заменена обычным фонарем, поскольку луч был слишком узким, чтобы его можно было легко увидеть. [29] [30]
В любой из этих конструкций наблюдатель вместо непрерывного слабого света видит более яркий свет в течение коротких интервалов времени. Эти мгновения яркого света устроены так, чтобы создать световую характеристику или рисунок, характерный для маяка. [31] Например, на Схевенингенском маяке продолжительность миганий составляет попеременно 2,5 и 7,5 секунды. Некоторые фонари имеют сектора определенного цвета (обычно образованные цветными панелями фонаря), чтобы отличать безопасные водные участки от опасных отмелей. Современные маяки часто имеют уникальные отражатели или транспондеры Racon , поэтому радиолокационная характеристика света также уникальна.
До появления современных стробоскопов для концентрации света от непрерывного источника использовались линзы . Вертикальные световые лучи лампы перенаправляются в горизонтальную плоскость, а по горизонтали свет фокусируется в одном или нескольких направлениях одновременно, при этом световой луч движется по кругу. В результате, помимо того, что свет виден сбоку, свет виден непосредственно с больших расстояний и имеет идентифицирующую световую характеристику .
Такая концентрация света достигается с помощью вращающегося узла линз. В первых маяках источником света была керосиновая лампа или, раньше, лампа Арганда на животном или растительном масле, а линзы вращались с помощью часового механизма с весовым приводом, который заводили смотрители маяка, иногда каждые два часа. Линзу в сборе иногда плавали в жидкой ртути , чтобы уменьшить трение. В более современных маяках использовались электрическое освещение и моторные приводы, обычно приводимые в движение дизель-электрическими генераторами. Они также снабжали электричеством смотрителей маяка. [20]
Для эффективной концентрации света от большого всенаправленного источника света требуется линза очень большого диаметра. Если бы использовалась обычная линза, для этого потребовалась бы очень толстая и тяжелая линза. Линза Френеля (произносится / f r eɪ ˈ n ɛ l / ) фокусировала 85% света лампы по сравнению с 20%, фокусируемыми параболическими отражателями того времени. Его конструкция позволила создавать линзы большого размера и с коротким фокусным расстоянием без использования веса и объема материала, присущих традиционным конструкциям линз. [32]
Линзы маяка Френеля ранжируются по порядку , показателю преломляющей силы, причем линза первого порядка является самой большой, самой мощной и дорогой; и линза шестого порядка является самой маленькой. Порядок зависит от фокусного расстояния объектива. Объектив первого порядка имеет самое длинное фокусное расстояние, а шестой — самое короткое. В прибрежных маяках обычно используются линзы первого, второго или третьего порядка, а в портовых огнях и маяках используются линзы четвертого, пятого или шестого порядка. [33]
Некоторые маяки, например, на мысе Рейс , Ньюфаундленд, и Макапуу-Пойнт , Гавайи, использовали более мощные гиперизлучающие линзы Френеля, производимые фирмой Chance Brothers .
Хотя здания маяков различаются в зависимости от местоположения и назначения, они, как правило, имеют общие компоненты.
Световая станция включает в себя башню маяка и все хозяйственные постройки, такие как жилые помещения смотрителя, топливный склад, эллинг и здание туманной сигнализации . Сам маяк состоит из башенной конструкции, поддерживающей фонарную комнату, в которой работает свет.
Фонарная комната представляет собой застекленное помещение на вершине башни маяка, в котором находятся лампа и линза. Его стеклянные штормовые стекла поддерживаются металлическими монтинами (стержнями для остекления), идущими вертикально или по диагонали. В верхней части фонарной комнаты находится защищенный от шторма вентилятор, предназначенный для удаления дыма от ламп и тепла, накапливающегося в стеклянном ограждении. Громоотвод и система заземления, соединенные с металлической крышей купола, обеспечивают безопасный канал для любых ударов молнии .
Непосредственно под комнатой с фонарями обычно находится сторожевая или служебная комната, где хранилось топливо и другие припасы и где хранитель готовил фонари на ночь и часто стоял на вахте. Там же располагались часовые механизмы (для вращения линз). На башне маяка открытая площадка, называемая галереей, часто располагается за пределами сторожевой комнаты (называемой Главной галереей) или Фонарной комнаты (Галереи фонарей). В основном его использовали для мытья окон Фонарной комнаты снаружи. [34]
Маяки, расположенные рядом друг с другом и похожие по форме, часто окрашены в уникальный узор, поэтому их можно легко узнать при дневном свете - маркировка, известная как дневной знак . Одним из примеров является черно-белый спиральный узор на маяке на мысе Хаттерас . Race Rocks Light на западе Канады окрашен в горизонтальные черно-белые полосы, чтобы выделяться на фоне горизонта.
Для обеспечения эффективности фонарь должен быть расположен достаточно высоко, чтобы его можно было увидеть до того, как моряк достигнет опасности. Минимальная высота рассчитывается методом тригонометрии (см. Расстояние до горизонта ) как , где H — высота над водой в футах, а D — расстояние от маяка до горизонта в морских милях, дальность действия маяка . [35]
Там, где опасные отмели расположены далеко от плоского песчаного пляжа, построен прототип высокого прибрежного маяка из каменной кладки, чтобы помочь мореплавателю выйти на берег после пересечения океана. Часто они имеют цилиндрическую форму, чтобы уменьшить воздействие ветра на высокие конструкции, такие как Cape May Light . Меньшие версии этой конструкции часто используются в качестве портовых огней, чтобы обозначить вход в гавань, например, New London Harbour Light .
Там, где есть высокая скала, на ее вершине можно разместить меньшую конструкцию, например, в Horton Point Light . Иногда такое место может быть слишком высоко, например, на западном побережье США, где частые низкие облака могут затенять свет. В этих случаях маяки размещаются под вершиной скалы, чтобы их можно было увидеть на поверхности в периоды тумана или низких облаков, как на маяке Пойнт-Рейес . Другой пример — в Сан-Диего , штат Калифорния : маяк Олд-Пойнт-Лома находился слишком высоко и часто был скрыт туманом, поэтому в 1891 году его заменили более низким маяком — маяком Нью-Пойнт-Лома . [ Этот абзац требует цитирования ]
По мере развития технологий для маяков, построенных в 20 веке, стали использовать сборные каркасные железные или стальные конструкции. Они часто имеют узкий цилиндрический сердечник, окруженный открытой решетчатой распоркой, как, например, Finns Point Range Light .
Иногда маяк необходимо построить прямо в воде. Маяки, омываемые волнами, представляют собой каменные конструкции, построенные так, чтобы противостоять воздействию воды, такие как маяк Эддистон в Великобритании и маяк на рифе Святого Георгия в Калифорнии. В более мелких бухтах железные конструкции маяка с винтовыми сваями ввинчиваются в морское дно, а над открытым каркасом размещается низкая деревянная конструкция, например, маяк Thomas Point Shoal . Поскольку винтовые сваи могут разрушиться льдом, в холодном климате используются стальные кессонные маяки, такие как Orient Point Light . Orient Long Beach Bar Light (Bug Light) представляет собой смесь светильников с винтовыми сваями, которые были преобразованы в кессонные светильники из-за угрозы повреждения льдом. [36] Скелетные железные башни с винтовыми свайными фундаментами были построены на Флоридском рифе вдоль Флорида-Кис, начиная с Кэрисфорт-Риф-Лайт в 1852 году. [37]
В водах, слишком глубоких для обычной конструкции, вместо маяка можно использовать плавучий маяк , такой как бывший плавучий маяк «Колумбия» . Большинство из них теперь заменены стационарными легкими платформами (такими как Ambrose Light ), аналогичными тем, которые используются для разведки нефти на море. [33]
Выравнивание двух фиксированных точек на суше дает мореплавателю линию положения , называемую диапазоном в Северной Америке и транзитом в Великобритании. Диапазоны можно использовать для точного выравнивания судна в узком русле, например в реке. Благодаря освещению ориентиров полигона набором стационарных маяков возможна ночная навигация.
Такие парные маяки называются дальними огнями в Северной Америке и ведущими огнями в Великобритании. Ближний свет называется маяком или передним диапазоном; дальний свет называется задним диапазоном. Задний габаритный фонарь почти всегда выше переднего.
Когда судно движется правильным курсом, два огня выравниваются вертикально, но когда наблюдатель находится не на своем месте, разница в выравнивании указывает направление движения для корректировки курса.
Существует два типа маяков: расположенные на суше и на море.
Морские маяки — это маяки, расположенные не близко к суше. [38] Для строительства этих маяков может быть ряд причин. В нескольких милях от суши может быть мелководье , риф или затопленный остров .
Нынешний Кордуанский маяк был построен в 1611 году в 7 км (4,3 мили) от берега на небольшом островке, но был построен на основе предыдущего маяка, который датируется 880-ми годами и является старейшим сохранившимся маяком во Франции . С материком он соединен дамбой. Самый старый сохранившийся океанический морской маяк — маяк Белл-Рок в Северном море , у побережья Шотландии . [39]
В Австралии маяки находятся в ведении Австралийского управления морской безопасности .
В Индии маяки обслуживаются Генеральным управлением маяков и маяков, подразделением Министерства портов, судоходства и водных путей . [40]
Бывшее советское правительство построило несколько автоматических маяков, работающих на радиоизотопных термоэлектрических генераторах, в отдаленных районах севера России. Они работали в течение длительного времени без внешней поддержки с большой надежностью. [41] Однако многочисленные объекты пришли в негодность, были украдены или подверглись вандализму. Некоторые из них невозможно найти из-за плохого ведения учета. [42]
Соединенное Королевство и Республика Ирландия вместе имеют три органа: за маяками вокруг побережий Англии и Уэльса присматривает Тринити-хаус , за маяками вокруг Шотландии и острова Мэн - Совет северных маяков , а за маяками вокруг Ирландии - Комиссары Ирландии. Фары .
В Канаде маяки находятся в ведении Канадской береговой охраны .
В Соединенных Штатах маяки обслуживаются Береговой охраной США , в которую в 1939 году была объединена Служба маяков США. [33]
Поскольку маяки стали менее важными для судоходства, многие из их исторических построек столкнулись с сносом или заброшенностью. В Соединенных Штатах Закон о сохранении национального исторического маяка 2000 года предусматривает передачу маяковых конструкций местным органам власти и частным некоммерческим группам, в то время как Береговая охрана США продолжает обслуживать лампы и линзы. В Канаде Общество по сохранению маяков Новой Шотландии получило статус наследия для маяка на острове Самбро и выступило спонсором Закона о защите маяков , вносящего изменения в канадские федеральные законы, направленные на защиту маяков. [43]
Многие группы сформировались для восстановления и спасения маяков по всему миру, в том числе Всемирное общество маяков и Общество маяков США , [44] , а также Общество радиолюбителей-маяков , которое отправляет радиолюбителей пропагандировать сохранение удаленных маяков по всему миру. мир. [45]
[Мэплин-Сэндс] не был, однако, первым маяком на винтовых сваях, фактически возведенным, поскольку во время длительного процесса подготовки, который проводился в Мэплин-Сэндс, сооружение по тому же принципу было начато и завершено в Порт-Флитвуде. .
построенный на фундаменте из свай, камней или кессонов.
