Маяк — это башня, здание или другой тип физической конструкции, предназначенный для излучения света с помощью системы ламп и линз и служащий ориентиром для навигации , для морских лоцманов в 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 широко используемые, число действующих маяков сократилось из-за расходов на обслуживание и появления гораздо более дешевых, более сложных и более эффективных электронных навигационных систем.
До развития четко обозначенных портов мореплаватели ориентировались по кострам, разведенным на вершинах холмов. Поскольку возвышение огня улучшало видимость, размещение огня на платформе стало практикой, которая привела к развитию маяка. [1] В древности маяк функционировал скорее как входной маркер в порт, чем как предупреждающий сигнал о рифах и мысах , в отличие от многих современных маяков. Самым известным маячным сооружением древности был Фарос в Александрии , Египет , который рухнул после серии землетрясений между 956 и 1323 годами.
Нетронутая Башня Геркулеса в Ла-Корунье , Испания, дает представление о древнем строительстве маяков; другие свидетельства о маяках существуют в изображениях на монетах и мозаиках, многие из которых представляют маяк в Остии . Также существуют монеты из Александрии, Остии и Лаодикии в Сирии .
Современная эра маяков началась на рубеже XVIII века, когда число строящихся маяков значительно возросло из-за значительно возросшего уровня трансатлантической торговли. Достижения в области структурной инженерии и новое и эффективное осветительное оборудование позволило создать более крупные и мощные маяки, в том числе и те, которые были открыты для моря. Функция маяков постепенно изменилась с указания портов на предоставление визуального предупреждения об опасностях для судоходства, таких как скалы или рифы.
Скалы Эддистоун были серьезной опасностью кораблекрушения для моряков, плывущих через Ла-Манш . [2] Первый маяк, построенный там, представлял собой восьмиугольную деревянную конструкцию, закрепленную на 12 железных стойках, закрепленных в скале, и был построен Генри Уинстенли в 1696–1698 годах. Его маяк был первой башней в мире, полностью открытой открытому морю. [3]
Инженер -строитель Джон Смитон перестраивал маяк с 1756 по 1759 год; [4] его башня ознаменовала собой важный шаг вперед в проектировании маяков и использовалась до 1877 года. Он смоделировал форму своего маяка по форме дуба , используя гранитные блоки. Он заново открыл и использовал « гидравлическую известь », форму бетона , которая затвердевает под водой, которую использовали римляне, и разработал технику крепления гранитных блоков вместе с помощью соединений «ласточкин хвост» и мраморных штифтов . [5] Функция соединения «ласточкин хвост» служила для улучшения структурной устойчивости , хотя Смитону также пришлось сузить толщину башни к вершине, для чего он изогнул башню внутрь под небольшим уклоном. Этот профиль имел дополнительное преимущество, позволяя части энергии волн рассеиваться при ударе о стены. Его маяк был прототипом современного маяка и повлиял на всех последующих инженеров. [6]
Одним из таких влияний был Роберт Стивенсон , сам являющийся основополагающей фигурой в развитии проектирования и строительства маяков. [7] Его величайшим достижением было строительство маяка Белл-Рок в 1810 году, одного из самых впечатляющих подвигов инженерного искусства того времени. [ требуется ссылка ] Эта конструкция была основана на проекте Смитона, но с несколькими улучшенными функциями, такими как включение вращающихся огней, чередующихся между красным и белым. [8] Стивенсон работал в Northern Lighthouse Board почти пятьдесят лет [7], в течение которых он проектировал и контролировал строительство и последующее усовершенствование многочисленных маяков. Он внес новшества в выбор источников света, креплений, конструкции отражателя, использования линз Френеля , а также в системы вращения и опалубки, обеспечивающие маяки индивидуальными подписями, позволяющими мореплавателям идентифицировать их. Он также изобрел подвижную стрелу и балансировочный кран как необходимую часть для строительства маяка.
Александр Митчелл спроектировал первый маяк с винтовыми сваями — его маяк был построен на сваях, которые были вкручены в песчаное или илистое морское дно. Строительство его проекта началось в 1838 году в устье Темзы и было известно как маяк Маплин-Сэндс , и впервые зажжено в 1841 году. [9] Хотя его строительство началось позже, маяк Уайр во Флитвуде, Ланкашир, был зажжен первым (в 1840 году). [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. Ранние модели использовали матовое стекло, которое иногда тонировалось вокруг фитиля. Более поздние модели использовали мантию из диоксида тория , подвешенную над пламенем, что создавало яркий, устойчивый свет. [10] Лампа Аргана использовала китовый жир , рапс , оливковое масло [11] или другое растительное масло в качестве топлива, подаваемое самотеком из резервуара, установленного над горелкой. Лампа была впервые произведена Мэтью Бултоном в партнерстве с Арганом в 1784 году и стала стандартом для маяков на протяжении более столетия. [12]
Маяк Саут-Форленд был первой башней, которая успешно использовала электрическое освещение в 1875 году. Угольные дуговые лампы маяка питались от парового магнето . [13] Джон Ричардсон Уигхэм был первым, кто разработал систему газового освещения маяков. Его усовершенствованная газовая горелка «крокус» на маяке Бейли близ Дублина была в 13 раз мощнее самого яркого известного тогда света. [14]
Испаряющаяся масляная горелка была изобретена в 1901 году Артуром Китсоном и усовершенствована Дэвидом Худом в Trinity House . Топливо испарялось под высоким давлением и сжигалось для нагревания сетки, давая выход более чем в шесть раз больше яркости традиционных масляных ламп. Использование газа в качестве источника света стало широко доступно с изобретением лампы Далена шведским инженером Густавом Даленом . Он использовал Агамассан (Ага), субстрат , для поглощения газа, что позволяло хранить газ и, следовательно, безопасно использовать его. Дален также изобрел « солнечный клапан », который автоматически регулировал свет и выключал его в дневное время. [ Этот абзац нуждается в цитате(ах) ] Эта технология была преобладающим источником света на маяках с 1900-х по 1960-е годы, когда электрическое освещение стало доминирующим. [15]
С развитием постоянного освещения лампы Аргана применение оптических линз для увеличения и фокусировки интенсивности света стало практической возможностью. Уильям Хатчинсон разработал первую практическую оптическую систему в 1777 году, известную как катоптрическая система. [16] Эта элементарная система эффективно коллимировала излучаемый свет в концентрированный луч, тем самым значительно увеличивая видимость света. [17] Возможность фокусировать свет привела к появлению первых вращающихся маячных лучей, 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 многокомпонентную линзу Френеля для использования в маяках. Его конструкция позволила создать линзы с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием , без массы и объема материала, которые потребовались бы для линзы обычной конструкции. Линзу Френеля можно сделать намного тоньше, чем сопоставимую обычную линзу, в некоторых случаях принимая форму плоского листа. Линза Френеля также может захватывать больше косого света от источника света, таким образом позволяя свету от маяка, оборудованного такой линзой, быть видимым на большем расстоянии.
Первая линза Френеля была использована в 1823 году на маяке Кордуан в устье эстуария Жиронды ; ее свет можно было увидеть на расстоянии более 20 миль (32 км). [18] Изобретение Френеля увеличило яркость лампы маяка в четыре раза, и его система до сих пор широко используется.
Введение электрификации и автоматических смен ламп привело к тому, что смотрители маяков стали ненужными. В течение многих лет на маяках все еще были смотрители, отчасти потому, что смотрители маяков могли выполнять функции спасательной службы , если это было необходимо. Улучшения в морской навигации и безопасности, такие как Глобальная система позиционирования (GPS), привели к постепенному отказу от неавтоматизированных маяков по всему миру. [19] В Канаде эта тенденция была остановлена, и там по-прежнему есть 50 обслуживаемых маяков, из которых 27 находятся только на западном побережье. [20]
Оставшиеся современные маяки обычно освещаются одним стационарным мигающим фонарем, работающим от солнечных батарей и установленным на стальной каркасной башне. [21] Там, где потребность в энергии слишком велика для одной только солнечной энергии, предусмотрена циклическая зарядка батареи дизельным генератором. Генератор включается только тогда, когда батарея нуждается в зарядке, что экономит топливо и увеличивает периоды между обслуживанием. [22]
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 ) сделала 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. [23] Слепой ирландец Александр Митчелл изобрел и построил несколько маяков на винтовых сваях. Англичанин Джеймс Дуглас был посвящен в рыцари за свою работу над четвертым маяком Эддистоун. [24]
Лейтенант инженерного корпуса армии США Джордж Мид построил множество маяков вдоль побережья Атлантики и залива, прежде чем получить широкую известность как победоносный генерал в битве при Геттисберге . Полковник Орландо М. По , инженер генерала Уильяма Текумсе Шермана во время осады Атланты, спроектировал и построил некоторые из самых экзотических маяков в самых труднодоступных местах на Великих озерах США . [25]
Французский офицер торгового флота Мариус Мишель-паша построил почти сотню маяков вдоль побережья Османской империи в течение двадцати лет после Крымской войны (1853–1856). [26]
В маяке источник света называется «лампа» (электрическая или работающая на масле), а свет концентрируется, если необходимо, «линзой» или «оптикой». Источники питания для маяков в 20–21 веках различаются.
Лампа Арганда с полым фитилем и параболическим отражателем , изначально освещавшаяся открытым огнем, а позднее свечами, появилась в конце XVIII века.
Китовый жир также использовался с фитилями в качестве источника света. Керосин стал популярным в 1870-х годах, а электричество и ацетиленовый газ, получаемые на месте из карбида кальция, начали заменять керосин на рубеже 20-го века. [21] Карбид был популярен благодаря лампе Далена , 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 (РИТЭГ). Они имели преимущество в том, что обеспечивали электроэнергией днем и ночью и не нуждались в дозаправке или обслуживании. Однако после распада советского правительства в 1990-х годах большинство официальных записей о местоположении и состоянии этих маяков, как сообщается, были утеряны. [27] Со временем состояние РИТЭГ в России ухудшилось; многие из них стали жертвами вандализма и воров металлолома, которые, возможно, не знали об опасном радиоактивном содержимом. [28]
Энергосберегающие светодиодные светильники могут питаться от солнечных панелей , используя батареи вместо дизельного генератора в качестве резервного питания. [29]
Многие установки с линзами Френеля были заменены вращающимися аэромаяками , которые требуют меньшего обслуживания.
В современных автоматизированных маяках система вращающихся линз часто заменяется светом высокой интенсивности, который испускает короткие всенаправленные вспышки, концентрируя свет во времени, а не в направлении. Эти огни похожи на заградительные огни, используемые для предупреждения самолетов о высоких сооружениях. Более поздними инновациями стали «Vega Lights» и эксперименты со светодиодными панелями. [21]
Светодиодные фонари, которые потребляют меньше энергии и более просты в обслуживании, получили широкое распространение к 2020 году. В Соединенном Королевстве и Ирландии около трети маяков были переоборудованы с нитяных источников света на светодиоды, и переоборудование продолжалось примерно по три в год. Источники света разработаны так, чтобы максимально точно воспроизводить цвет и характер традиционного света. Изменение часто не замечается людьми в регионе, но иногда предлагаемое изменение приводит к призывам сохранить традиционный свет, включая в некоторых случаях вращающийся луч. Типичная светодиодная система, разработанная для установки в традиционный корпус линзы Френеля 19-го века, была разработана Trinity House и двумя другими органами власти маяков и стоит около 20 000 евро в зависимости от конфигурации, по словам поставщика; она имеет большие ребра для рассеивания тепла. Срок службы светодиодного источника света составляет от 50 000 до 100 000 часов по сравнению с примерно 1000 часами для нитяного источника. [29]
Экспериментальные установки лазерных огней, либо высокой мощности, чтобы обеспечить «линию света» в небе, либо, используя низкую мощность, направленную на моряков, выявили проблемы повышенной сложности в установке и обслуживании, а также высокие требования к мощности. Первая практическая установка, в 1971 году на маяке Point Danger , Квинсленд , была заменена обычным светом через четыре года, потому что луч был слишком узким, чтобы его было легко увидеть. [30] [31]
В любой из этих конструкций наблюдатель, вместо того, чтобы видеть непрерывный слабый свет, видит более яркий свет в течение коротких промежутков времени. Эти моменты яркого света организованы так, чтобы создать световую характеристику или рисунок, характерный для маяка. [32] Например, вспышки маяка Схевенингена попеременно длятся 2,5 и 7,5 секунд. Некоторые огни имеют сектора определенного цвета (обычно образованные цветными стеклами в фонаре), чтобы отличать безопасные водные зоны от опасных отмелей. Современные маяки часто имеют уникальные отражатели или радиолокационные транспондеры , поэтому радиолокационная сигнатура 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 распространяется по кругу. В результате, помимо того, что можно видеть сторону светового луча, свет виден непосредственно с больших расстояний и имеет идентифицирующую световую характеристику .
Эта концентрация света достигается с помощью вращающегося узла линз. В ранних маяках источником света была керосиновая лампа или, ранее, лампа Арганда на животном или растительном масле, а линзы вращались с помощью часового механизма с грузом, который заводился смотрителями маяка, иногда каждые два часа. Иногда узел линз плавал в жидкой ртути , чтобы уменьшить трение. В более современных маяках использовались электрические фонари и моторные приводы, обычно работающие от дизельных электрогенераторов. Они также поставляли электроэнергию смотрителям маяка. [21]
Эффективная концентрация света от большого всенаправленного источника света требует линзы очень большого диаметра. Это потребовало бы очень толстой и тяжелой линзы, если бы использовалась обычная линза. Линза Френеля (произносится как / f r eɪ ˈ n ɛ l / ) фокусировала 85% света лампы по сравнению с 20%, фокусировавшимися с параболическими отражателями того времени. Ее конструкция позволяла создавать линзы большого размера и с коротким фокусным расстоянием без веса и объема материала, характерных для обычных линз. [33]
Линзы маяков Френеля ранжируются по порядку , мере преломляющей способности, при этом линза первого порядка является самой большой, самой мощной и дорогой; а линза шестого порядка является самой маленькой. Порядок основан на фокусном расстоянии линзы. Линза первого порядка имеет самое большое фокусное расстояние, а линза шестого порядка является самым коротким. Прибрежные маяки обычно используют линзы первого, второго или третьего порядка, в то время как портовые огни и бакены используют линзы четвертого, пятого или шестого порядка. [34]
На некоторых маяках, например на мысе Рейс (Ньюфаундленд) и на мысе Макапуу (Гавайи), использовались более мощные сверхизлучающие линзы Френеля, изготовленные 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 надворные постройки, такие как жилые помещения смотрителя, топливный склад, лодочный ангар и здание для противотуманной сигнализации . Сам маяк состоит из башенной конструкции, поддерживающей фонарную комнату, где работает свет.
Комната с фонарем — это застекленное помещение наверху башни маяка, содержащее лампу и линзу. Его стеклянные штормовые панели поддерживаются металлическими muntins (стеклянными планками), проходящими вертикально или диагонально. В верхней части комнаты с фонарем находится штормозащитный вентилятор, предназначенный для удаления дыма ламп и тепла, которое накапливается в стеклянном корпусе. Громоотвод и система заземления, соединенные с металлической купольной крышей, обеспечивают безопасный канал для любых ударов молнии.
Сразу под комнатой с фонарями обычно находится комната для наблюдения или служебная комната, где хранилось топливо и другие припасы, и где смотритель готовил фонари на ночь и часто стоял на страже. Часовые механизмы (для вращения линз) также располагались там. На башне маяка открытая платформа, называемая галереей, часто располагается за пределами комнаты для наблюдения (называемой Главной галереей) или комнаты для фонарей (галерея фонарей). Она в основном использовалась для очистки внешней стороны окон комнаты для фонарей. [35]
Расположенные рядом друг с другом маяки, похожие по форме, часто окрашены в уникальный узор, чтобы их можно было легко распознать при дневном свете, маркировка, известная как дневной знак . Черно-белый узор из спирали шестов парикмахера на маяке мыса Хаттерас является одним из примеров. Маяк Рейс Рокс в западной Канаде окрашен в горизонтальные черные и белые полосы, чтобы выделиться на фоне горизонта.
Для эффективности фонарь должен быть достаточно высоким, чтобы его можно было увидеть до того, как опасность достигнет моряка. Минимальная высота рассчитывается тригонометрией (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 . [36]
Там, где опасные отмели находятся далеко от плоского песчаного пляжа, прототип высокого каменного прибрежного маяка строится, чтобы помочь навигатору, высаживающемуся после пересечения океана. Часто они имеют цилиндрическую форму, чтобы уменьшить влияние ветра на высокое сооружение, например, маяк Кейп-Мей . Меньшие версии этой конструкции часто используются в качестве портовых огней для обозначения входа в гавань, например, маяк Нью-Лондонской гавани .
Там, где есть высокий утес, на его вершине может быть размещено строение поменьше, например, маяк Хортон-Пойнт . Иногда такое место может быть слишком высоко, например, вдоль западного побережья Соединенных Штатов, где частые низкие облака могут затмевать свет. В этих случаях маяки размещаются ниже вершины утеса, чтобы гарантировать, что их все еще можно будет увидеть на поверхности в периоды тумана или низкой облачности, как маяк Пойнт-Рейес . Другой пример — Сан-Диего , Калифорния : старый маяк Пойнт-Лома был слишком высок и часто скрывался из-за тумана, поэтому в 1891 году его заменили на более низкий маяк, новый маяк Пойнт-Лома . [ Этот абзац нуждается в цитате(ах) ]
По мере развития технологий, сборные каркасные железные или стальные конструкции стали использоваться для маяков, построенных в 20 веке. Они часто имеют узкое цилиндрическое ядро, окруженное открытой решетчатой структурой, как, например, Finns Point Range Light .
Иногда маяк необходимо построить в самой воде. Волноопасные маяки — это каменные конструкции, построенные для того, чтобы выдерживать удары воды, например, маяк Эддистоун в Великобритании и маяк Сент-Джордж-Риф в Калифорнии. В более мелких заливах металлические конструкции маяков с винтовыми сваями ввинчиваются в морское дно, а над открытым каркасом размещается низкая деревянная конструкция, например, маяк Томас-Пойнт-Шол . Поскольку винтовые сваи могут быть разрушены льдом, в холодном климате используются стальные кессонные маяки, такие как маяк Ориент-Пойнт . Маяки Ориент-Лонг-Бич-Бар (Баг-Лайт) представляют собой смесь маяка с винтовыми сваями, который был преобразован в кессонный маяк из-за угрозы повреждения льдом. [37] Каркасные железные башни с фундаментами из винтовых свай были построены на Флоридском рифе вдоль Флорида-Кис, начиная с маяка Карисфорт-Риф в 1852 году. [38]
В водах, слишком глубоких для обычного сооружения, вместо маяка может использоваться плавучий маяк , такой как бывший плавучий маяк Columbia . Большинство из них теперь заменены стационарными световыми платформами (такими как Ambrose Light ), похожими на те, которые используются для разведки нефти на шельфе. [34]
Выравнивание двух фиксированных точек на суше дает навигатору линию положения , называемую диапазоном в Северной Америке и транзитом в Британии. Диапазоны могут использоваться для точного выравнивания судна в узком канале, например, в реке. С ориентирами диапазона, освещенными набором фиксированных маяков, возможна ночная навигация.
Такие парные маяки называются маяками в Северной Америке и ведущими огнями в Соединенном Королевстве. Ближний огонь называется маяком или передним огнем; дальний огонь называется задним огнем. Задний огонь почти всегда выше переднего.
Когда судно следует правильным курсом, два огня располагаются вертикально, но если наблюдатель находится не на своем месте, разница в расположении указывает направление движения для корректировки курса.
Существует два типа маяков: те, которые расположены на суше, и те, которые находятся в море.
Оффшорные маяки — это маяки, которые не находятся близко к земле. [39] Может быть несколько причин для строительства таких маяков. В нескольких милях от земли может быть отмель , риф или затопленный остров .
Нынешний маяк Кордуан был достроен в 1611 году, в 7 километрах (4,3 мили) от берега на небольшом островке, но был построен на предыдущем маяке, который можно проследить до 880-х годов, и является старейшим сохранившимся маяком во Франции . Он соединен с материком дамбой. Старейшим сохранившимся океаническим прибрежным маяком является маяк Белл-Рок в Северном море , у побережья Шотландии . [40]
В Австралии маяки находятся в ведении Австралийского управления по безопасности на море .
В Индии маяки обслуживаются Генеральным директоратом маяков и маячных плавучих средств, подразделением Министерства портов, судоходства и водных путей . [41]
Бывшее советское правительство построило ряд автоматизированных маяков, работающих на радиоизотопных термоэлектрических генераторах, в отдаленных местах на севере России. Они работали в течение длительного времени без внешней поддержки с большой надежностью. [42] Однако многочисленные установки были изношены, украдены или испорчены. Некоторые из них не могут быть найдены из-за плохого ведения учета. [43]
В Соединенном Королевстве и Республике Ирландия действуют три органа: маяки вдоль побережья Англии и Уэльса находятся под надзором Trinity House , маяки вокруг Шотландии и острова Мэн — Northern Lighthouse Board , а маяки вокруг Ирландии — Commissioners of Irish Lights .
В Канаде маяки находятся в ведении Канадской береговой охраны .
В Соединенных Штатах маяки обслуживаются Береговой охраной США , в которую в 1939 году вошла Служба маяков США. [34]
Поскольку маяки стали менее важными для навигации, многие из их исторических сооружений столкнулись с разрушением или запустением. В Соединенных Штатах Закон о сохранении национальных исторических маяков 2000 года предусматривает передачу маячных сооружений местным органам власти и частным некоммерческим группам, в то время как Береговая охрана США продолжает поддерживать лампы и линзы. В Канаде Общество по сохранению маяков Новой Шотландии добилось статуса наследия для маяка острова Самбро и спонсировало Закон о защите маяков наследия, чтобы изменить канадские федеральные законы для защиты маяков. [44]
Было создано множество групп для восстановления и спасения маяков по всему миру, включая Всемирное общество маяков и Общество маяков США [45] , а также Общество радиолюбителей маяков, которое посылает радиолюбителей для пропаганды сохранения отдаленных маяков по всему миру [46] .
[Мэйплин Сэндс] был, однако, не первым маяком на винтовых сваях, фактически возведенным, поскольку во время длительного процесса подготовки, который велся в Мэплин Сэндс, сооружение того же принципа было начато и завершено в Порт-Флитвуде...
Маяк, расположенный вдали от берега, построенный на фундаменте из свай, камней или кессонов.
