Widzialność pozioma

 

Andrzej A. Marsz i Anna Styszyńska (wszelkie prawa autorskie zastrzeżone) materiał pierwotnie przygotowany dla studentów nawigacji AM w Gdyni

Widzialność pozioma stanowi jednej z najważniejszych elementów meteorologicznych w praktyce nawigacyjnej. Należy pamiętać, że warunki widzialności poziomej określają stosowalność szeregu prawideł MPDM (wymieniono dalej tylko niektóre: prawidło 3, ust. b (ograniczona widzialność), prawidło 5 (obserwacja, wezwanie kapitana na mostek), prawidło 6 MPDM (szybkość bezpieczna), prawidło 19 b, c, d (gotowość maszyny do natychmiastowego manewru, ..., podjęcie środków zapobiegających powstaniu sytuacji nadmiernego zbliżenia), prawidło 35 a i b (nadawanie sygnałów mgłowych przez statek w drodze posuwający i nie posuwający się po wodzie) i dalsze, prawidło 35 g (sygnały mgłowe statku na kotwicy).


Czynniki określające widzialność poziomą

Widzialność pozioma określa możliwość dostrzeżenia z odpowiedniej, największej odległości, obiektu o danych rozmiarach kątowych i wystarczająco odróżniających się od tła. Widzialność pozioma uzależniona jest od trzech głównych grup czynników: geograficznych, fizycznych, psychofizycznych.

Czynniki geograficzne

wyznaczają tak zwany geograficzny zasięg widoczności, stanowiący funkcję rozmiarów Ziemi (krzywizna powierzchni Ziemi), rozmiarów pionowych obserwowanego obiektu i wysokości oka obserwatora ponad powierzchnię Ziemi. Na lądzie geograficzny zasięg widoczności dodatkowo określony jest przez występującą rzeźbę terenu i tak zwane "pokrycie terenu" (drzewa, lasy, zabudowa, inne ruchome i nieruchome obiekty nie będące budowlami...). Szczęściem na morzu nie mamy problemu ani z rzeźbą terenu ani z budowlami czy suszącą się bielizną. Przy ignorowaniu zmian przezroczystości powietrza i założeniu prostoliniowego rozchodzenia się światła w atmosferze można na morzu określić geograficzny zasięg widoczności jako:

D = 2,08 * ((H^0,5) + (z^0,5)),

gdzie: D - geograficzny zasięg widoczności w Mm [milach morskich], H - wysokość obserwowanego obiektu ponad lustro wody [m], z - wysokość oka obserwatora ponad lustro wody [m]. Uwaga: (H^0,5) czytaj jako H do potęgi 0,5, czyli pierwiastek kwadratowy z H (0,5 = 1/2).

Im wyżej ponad poziom morza znajduje się obserwator i jego oko, tym większy będzie geograficzny zasięg widoczności, o czym wszyscy wiedzą. Im wyższy, lub wyżej położony będzie obserwowany obiekt, tym z większej odległość będzie go można dostrzec. Ponieważ na statku, najwyżej położone ma maszty, te pierwsze wyłonią się ponad widnokręgiem, potem, itd. Również najpierw pojawią się szczyty gór, potem ich środkowe partie, wybrzeże na samym końcu.

Czynniki fizyczne

Zespół czynników fizycznych jest znacznie bardziej rozbudowany. Zasięg widzialności określa cały zespół czynników, powiązanych, lub nie powiązanych ze sobą. Z głównych należy tu wymienić:

  • zespół czynników określających przezroczystość powietrza. Im atmosfera silniej pochłania i rozprasza światło, tym jej przezroczystość jest mniejsza, a tym samym i zasięg widzialności staje się mniejszy. Przezroczystość atmosfery uzależniona jest od ilości występujących w powietrzu cząstek ciał stałych i ciekłych oraz stopnia ich dyspersji. Im w jednostce objętości powietrza więcej jest pyłów pochodzenia lądowego (naturalnego i wprowadzonych w wyniku działalności człowieka) oraz aerozoli pochodzenia morskiego, drobin zestalonej wody (lodu) tym przezroczystość atmosfery jest mniejsza. Im więcej w jednostce powietrza jest mikrokropel i kropel wody, tym również przezroczystość atmosfery jest mniejsza.
  • Ilość pyłów znajdujących się w powietrzu uzależniona jest od charakteru masy atmosferycznej - masy powietrza formujące się nad obszarami pokrytymi lodem i śniegiem zawierają minimalne ilości cząstek pochodzących ze skał budujących daną powierzchnię, stąd, o ile w powietrzu takim nie występują produkty kondensacji pary wodnej, przezroczystość takiego powietrza będzie bliska doskonałej. Masy powietrza arktycznego kontynentalnego (PAk), arktycznego morskiego (PAm) oraz powietrza antarktycznego (PAn) charakteryzują się najwyższymi przezroczystościami naturalnymi (na dodatek działalność człowieka w tych strefach nie należy do specjalnie ożywionych, stąd praktycznie brak w tych masach zanieczyszczeń antropogenicznych). Na ogół bardzo dobrą i dobrą przezroczystość mają masy morskie (PPm, PZm). Z kolei masy powietrza kontynentalnego, zwłaszcza formujące się nad obszarami pozbawionymi pokrywy roślinnej (pustynie, półpustynie; masy powietrza zwrotnikowego kontynetalnego (PZk) zawierają bardzo dużo pyłów pochodzących z powierzchni terenu i ich przezroczystość naturalna jest bardzo zła.
    W sporadycznych przypadkach ilość pyłów, a nawet frakcji większych od pyłów, znajdujących się w powietrzu może być bardzo duża, co silnie ogranicza przezroczystość powietrza - patrz ryc. 1. Dotyczy to sytuacji, gdy nad przyległym lądem występują burze pyłowe lub piaskowe (Morze Czerwone, śródziemne i NW wybrzeża Afryki), występują pyłowe erupcje wulkaniczne, na pobliskim lądzie występują rozległe pożary (ryc. 2), a wiatr przenosi dym nad morze (np. w 1986, na Wschodnim Pacyfiku autor spotkał się z sytuacją, że znoszone dymy z pożarów szalejących w pobliżu Santa Barbara (Kalifornia) ograniczały widzialność do około 5 kabli (1 kabel = 0,1 mili morskiej = 185,2 metra) w odległości 15 Mm od brzegu).


Ryc. 1. Zdjęcie po lewej - zmętnienie pyłowe - zawiesina w powietrzu składająca się z pyłów lub małych ziarenek piasku, uniesionych uprzednio z powierzchni ziemi przez wichurę pyłową lub piaskową (fot. G. Kruszewski). Zdjęcie po prawej - burza piaskowa, która 12 stycznia 2013 roku w rejonie Onslow (Australia Zachodnia) wraz z silnym wiatrem (do 40 węzłów) wkroczyła znad lądu na 23 Mm w morze (źródło: https://weather.com/news/news/dust-storm-australia-20130110#7).


Ryc. 2. Zdjęcie po lewej - dymy z pożarów lasów w SE Australii znoszone nad ocean - zdjęcie z 4 stycznia 2020 roku. Zdjęcie NASA Earth Observatory w naturalnych kolorach zostało wykonane przez spektroradiometr MODIS na satelicie Aqua. Dym ma jasnobrązowy kolor, a chmury są jaskrawo białe. Jest prawdopodobne, że niektóre białe plamy nad dymem to chmury pirocumulonimbus - chmury tworzone przez konwekcję i ciepło wznoszące się z ognia (źródło: https://earthobservatory.nasa.gov/images/146110/fires-and-smoke-engulf-southeastern-australia). Zdjęcie po prawej - wody Zatoki Sydney 10 grudnia 2019 roku - opera przesłonięta dymem z pożarów lasu (źródło: https://sea.mashable.com/science/7967/sydney-engulfed-in-smoke-has-a-ghastly-air-quality-problem).

  • Występujące w powietrzu produkty kondensacji pary wodnej powodują głównie rozpraszanie światła, w mniejszym stopniu pochłaniają światło. Im jest bardziej drobnodysperyjny roztwór koloidalny wody w powietrzu i im więcej wody w jednostce objętości powietrza, tym przezroczystość takiego powietrza jest mniejsza. Z tego względu większe ograniczenie przezroczystości powietrza występuje w przypadku występowania w powietrzu mikrokropel tworzących mgłę, niż przez taką samą ilość wody w jednostce objętości powietrza tworzącą nieporównanie większe krople opadu. W przypadku występowania opadów, przy porównywalnym natężeniu opadu (mm/godz) w opadzie stałym (śnieg, krupa) zasięg widzialności będzie o połowę mniejszy od tego, jaki wystąpi w opadzie ciekłym (deszczu, mżawce). Bardzo intensywne opady śniegu mogą ograniczyć widzialność do poniżej 1 kabla. Jednak przy bardzo dużym natężeniu opadów ciekłych (np. w deszczach burz tropikalnych) zasięg widzialności poziomej może być ograniczony w niektórych przypadkach nawet do 1,0-1,5 kabla (ryc. 3). W warunkach występującej dużej siły wiatru, wraz ze wzrostem siły wiatru coraz większa ilość pyłu wodnego, bryzgów i piany zostaje podnoszona z powierzchni wody, tworząc zawiesinę powietrzno-wodną. Zmniejsza ona silnie widzialność poziomą. Wyraźne obniżenie widzialności poziomej następuje już przy sile wiatru 10°B, przy wietrze 11/12°B zasięg widzialności ograniczony jest do 1-2 Mm lub mniejszej.


Ryc. 3. Produkty kondensacji pary wodnej silnie obniżające widzialność poziomą. Zdjęcie po lewej - deszcz związany z burzą tropikalną, zdjęcie środkowe - intensywny opad śniegu, zdjęcie po prawej - bardzo gęsta mgła

  • zespół czynników określających rozchodzenie się światła w powietrzu. W atmosferze, w związku ze zmianami gęstości powietrza w pionie (zmiana ciśnienia, temperatury i wilgotności), promienie świetlne nie rozchodzą się prostoliniowo (poziomo, równolegle do płaszczyzny horyzontu obserwatora), lecz wykazują ugięcie w kierunku powierzchni Ziemi (wypukłość w górę). Średnia wartość refrakcji atmosferycznej wynosi 0°34'. Występująca refrakcja powoduje zwiększenie zasięgu widoczności widnokręgu o około 9% w stosunku do tego, gdyby promienie świetlne rozchodziły się rzeczywiście prostoliniowo. Zmiany pionowego gradientu termicznego w przyziemnej (przywodnej) warstwie powietrza zmieniają współczynnik załamania światła, zmieniając tym samym i wartość kąta refrakcji. Refrakcją anomalną nazywa się refrakcję znacznie różniącą się od średniej. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje refrakcji anomalnej: superrefrakcję i subrefrakcję.
    W przypadku wystąpienia superrefrakcji następuje zmniejszenie ugięcia się promieni świetlnych w warstwie przywodnej. Zasięg widzialności poziomej może w takich warunkach sięgnąć poza linię widnokręgu, określonego przez działanie czynnika geograficznego i nad widnokręgiem będą widoczne obiekty, które w normalnych warunkach byłyby niewidoczne. Jeśli w takich warunkach przezroczystość powietrza będzie bardzo dobra, zasięg widzialności poziomej może być niebywale duży. W skrajnych warunkach wystąpić mogą w takich warunkach miraże (uniesienie obiektów ponad widnokrąg a nawet miraże odwrócone). Wzrasta również zasięg mikrofal (radar) i częstotliwości VHF, możliwe staje się niekiedy odbieranie sygnałów (ech) na podwójnej i potrójnej podstawie czasu i sygnałów UKF-ek z bardzo dużych odległości (np. program III PR na UKF-ie na środku Zatoki Biskajskiej). Warunki sprzyjające powstaniu superrefrakcji występują wówczas gdy temperatura powietrza rośnie lub wilgotność maleje wraz ze wzrostem wysokości. Najczęściej ma to miejsce wtedy gdy ciepła i sucha masa powietrza przemieszcza się ponad znacznie chłodniejszym morzem. W rezultacie mieszania przywodna warstwa powietrza ulega szybkiemu schłodzeniu i nawilżeniu. Superrefrakcja może wystąpić również wtedy, gdy w nocy dochodzi do rozwoju niskiej inwersji temperatury, z którą związany jest gwałtowny spadek wilgotności wraz z wysokością.
    W przypadku wystąpienia subrefrakcji następuje powiększenie ugięcia się promieni świetlnych w warstwie przywodnej. Widnokrąg zostaje obniżony, zasięg widoczności może zostać skrócony na tyle, że w przypadku dużej przezroczystości powietrza nie sięgnie nawet do granicy widnokręgu, określonej przez wysokość obserwatora. Zmniejszeniu ulega również zasięg radaru ! (np. na radarze pracującym na zasięgu 24 Mm pierwsze echa pojawiały się dopiero w odległości 14-13 Mm !!!). Często odnosi się wrażenie, że obserwowane obiekty znajdują się dalej niż są w rzeczywistości. Subrefrakcja ma miejsce wówczas gdy temperatura powietrza maleje lub wilgotność rośnie wraz ze wzrostem wysokości. Warunki do powstania subrefrakcji zachodzą wówczas gdy, zimne powietrze przemieszcza się ponad ciepłą wodą. Jest to typowe zjawisko dla strefy subarktycznej. Zjawisko to może uniemożliwić wykrycie małych łodzi rybackich, niskich gór lodowych itp.


Ryc. 4. Kattegat - zdjęcie przedstawia miraż górny wybrzeża wokół małej szwedzkiej wioski Höganäs, widocznej z łodzi na duńskim wybrzeżu, w pobliżu mostu Osterrenden. Ziemia widziana jest w odległości 100 km, ale została podniesiona ponad horyzont i zniekształcona przez miraż. Źródło: https://timmaltin.com/2013/09/18/cold-water-mirage-titanic/

Czynniki psychofizyczne

Zespół czynników psychofizycznych związany jest głównie z szeregiem własności osobniczych obserwatora, ostrości jego wzroku, adaptacji oka do obserwacji w danych warunkach, stopnia koncentracji, zmęczenia. Zakładając, że obserwator na morzu ma dobry wzrok, główną rolę należy przypisać adaptacji wzroku do warunków oświetlenia, koncentracji i stopniowi zmęczenia obserwatora. Szczególnie dużą rolę odgrywa adaptacja oka do obserwacji w warunkach słabego i bardzo słabego oświetlenia.


Morska skala widzialności

Na stacjach lądowych zasięg widzialności określa się łatwo, lekko i przyjemnie. W zasięgu wzroku obserwatora znajdują się różnego rodzaju obiekty i punkty stałe, do których odległość jest znana (łatwo choćby pomierzyć te odległość z mapy). W takiej sytuacji obserwator stwierdza, że obiekt położony np. w odległości 3500 m jest jeszcze widoczny, obiektu położonego w odległości 4000 m już nie widać. Zasięg widzialności poziomej może być w takich warunkach określony precyzyjnie i w sposób pewny. Na morzu (niestety?, na szczęście?) nie ma wież kościelnych, samotnych drzew, czy innych obiektów o znanej, stałej odległości od statku. To jest przyczyną, że obserwacje widzialności na morzu prowadzi się według innej skali niż na stacjach lądowych. Do zwięzłego scharakteryzowania widzialności poziomej na morzu stosuje się morską skalę widzialności. Jest to skala 10 stopniowa (0 + 9), silnie nieliniowa. Pierwszym stopniem widzialności odpowiadają niewielkie przedziały odległości, w miarę wzrostu zasięgu widzialności, dany przedział skali jest coraz to większy.


Określenia słowne, stosowane w tej skali, wykorzystywane są w dokładnie tym samym znaczeniu w komunikatach i biuletynach. Jeśli w komunikacie dla danego akwenu podaje się "widzialnośc słaba" oznacza to jednoznacznie, że widzialność mieścić się będzie w przedziale od 0,5 do 2,0 Mm. Podobnie, jeśli w komunikacie podaje się: "widzialność 7, w opadach 5-6", oznacza to, że w strefie poza opadami widzialność wynosi 5 -11 Mm, w strefach opadów ulega obniżeniu do 1-5 Mm.

Wartości morskiej skali widzialności wykorzystywane są również do szyfrowania depesz meteorologicznych w grupie iRiXhVV. Stosując morską skalę widzialności na miejsce pierwszego V stawia się cyfrę 9, oznaczającą, że widzialność pozioma jest określana za pomocą morskiej skali widzialności, na miejscu drugiego V - wartość widzialności poziomej; na przykład przy widzialności równej 8 VV przybiera wartość 98. Za pomocą tych samych wartości dokonuje się zapisu warunków widzialności w Dzienniku Okrętowym (strona lewa). Załączniki do Konwencji STCW wymagają od oficera znajomości morskiej skali widzialności na pamięć!

Obserwacje widzialności poziomej na morzu

Wbrew pozorom, wykonanie na morzu prawidłowej obserwacji widzialności nie jest wcale łatwe. Wiąże się to z faktem, że ocena odległości na morzu jest trudna, zwłaszcza dla osób nie mających większego doświadczenia w tym zakresie. Brak tu stałych obiektów, które mogłyby służyć jako punkty odniesienia. Stosunkowo łatwo dokonać obserwacji widzialności poziomej, jeśli w polu widzenia znajdują się inne statki lub linia brzegowa. Porównanie obserwacji wzrokowych z obserwacją radarową pozwala na dość dokładną ocenę widzialności. Również gdy występują opady (zwłaszcza ciekłe), za pomocą radaru 3 cm można określić odległość do strefy opadowej, co może być pomocne w bardziej ścisłym określeniu widzialności. W przypadku, gdy w polu widzenia nie ma żadnych obiektów (a tak się dzieje najczęściej), najlepsze wyniki uzyskuje się z oceny widoczności widnokręgu. Ostrość linii oddzielającej niebo od wody zależy od wysokości ocznej obserwatora i przezroczystości powietrza. Tabelaryczne zestawienie widoczności widnokręgu w dzień i odpowiadające im wartości widzialności poziomej zestawione są w tabeli poniżej:

W przypadku, gdy widzialność pozioma nie jest jednakowa we wszystkich kierunkach (np. gdy występują w pewnych rejonach w polu widzenia opady śniegu z chmur konwekcyjnych lub występuje dymienie morza, mgła w ławicach, itp.) zawsze widzialność określa się według tego stopnia, jaki odpowiada najmniejszej odległości, na którą widać (powierzchnię morza).  Np. od statku do strefy opadu jest odległość 0.5 Mm, poza strefą opadu widać dobrze widnokrąg (widzialność 8); widzialność notowana jest w Dzienniku Okrętowym jako 3 - 4, do depeszy (OBSa) - 3.


Uwagi i komentarze:

Należy zwrócić uwagę, że pojęcie widzialność i widoczność to dwa różne pojęcia i nie można stosować ich zamiennie.

Mgła - pojęcia tego można używać wyłącznie wtedy, gdy czynnikiem ograniczającym widzialność jest zawiesina mikrokropel wody w powietrzu a zasięg widzialności poziomej nie jest większy od 0,5 Mm (5 kabli).

Zamglenie - pojęcie określające stan, w którym czynnikiem ograniczającym widzialność poziomą jest zawiesina mikrokropel wody w powietrzu, a zasięg widzialności jest większy od 0,5 Mm.

Zmętnienie - pojęcie określające stan, w którym zasięg widzialności poziomej jest ograniczony przez występującą w powietrzu zawiesinę pyłową (litometeory), bez udziału produktów kondensacji pary wodnej (zazwyczaj ograniczenie widzialności od 0,5 do 5 Mm).

Należy zauważyć, że w morskiej skali widzialności określenia słowne dla 0 i 1 (widzialność bardzo zła) oraz  4 i 5 (widzialność słaba) są połączone. Zauważ również, że morska skala widzialności nie zawiera określenia "widzialność ograniczona", znanego Ci z MPDM. Pojęcie "widzialność ograniczona" ma inny kontekst, szerzej na ten temat patrz wnikliwy komentarz kpt. ż.w., prof. dra Władysława Rymarza w pracy "Międzynarodowe Prawo Drogi Morskiej"; Biblioteka Nautyki, dowolne wydanie.