海洋科普 | “指路明灯”——灯塔的光学奥秘

灯塔，常常见诸于诗歌、小说、影视剧等，被赋予“指路明灯”的重要意义，近年来也成为人们争相打卡的地标性建筑。大家喜欢灯塔的伟岸、神秘，赞扬“指路明灯”的伟大，却对它的发光原理不甚了解。 灯塔之光究竟可以照多远？小小灯泡为什么能有那么强大的射程？发射出来的光线又是如何闪烁的？接下来，逐一解答——

灯塔的光能照多远？

1海里 = 1.852公里 。也就是说，很多一级灯塔发出的光能绕西湖三圈多！

而在灯器内部，只有一个小小的灯泡或灯管，增加射程的功臣还得看发光体外围的透镜。

如今，菲涅尔透镜被广泛运用于灯塔灯器。

菲涅尔透镜的奥秘

在菲涅尔的发明之前，最明亮的灯塔光束也只有 10海里 左右的射程，而透过菲涅尔透镜发出的光整整 增强了一倍 。

这是因为用明火会损失近97%的光，使用反射镜会损失约60%-80%的光，但是菲涅尔透镜最多只会损失20%的光。相较于普通的凸透镜只能在与光的交界面发生折射反应，菲涅尔透镜把玻璃平面由外向内刻画出一圈一圈的同心圆，中心保留一块球面。

从剖面看，就好像在一条椭圆弧线两边形成了一个个锯齿形凹槽，每个凹槽都能作为一个独立的小透镜。

这样，几乎所有的光线都可以被捕获进来，然后以平行光束发射出去。

就像这样

由于中间的球面凸镜形似牛眼，所以菲涅尔透镜也被俗称为“牛眼透镜”。“牛眼”一瞪，光芒远照海天，为南来北往的船只指引航向。

不过，要想导航，只靠灯亮可不够。

每座灯塔都有规定的灯质，一般为不同节奏的闪光，这种间隔光线可使船舶在恶劣气候下更容易捕捉到灯光信号。

闪光如何实现？

大家比较容易想到的可能是通过电组件按一定频率开关电源来让灯光闪烁。

此外，还有一种方式——光源始终开着，将镜头围绕光源旋转，闪烁的光线就映照在了船员眼中。

镜头是怎么转起来的呢？

现在的灯塔基本都使用步进电机来驱动转台，转速可以调节，以满足不同灯质的要求。

更久远的时候，则是以重锤下落时产生的重力势能作为旋转驱动，再通过齿轮的啮合进行减速。

每隔一到两个小时，灯塔工要将落到底部的重锤再摇上去。如此循环往复。

另外，旋转机组中还有一个重要角色——水银浮槽。

因为有些大型灯塔的透镜足足有数吨重，为了减轻转台承重，就将透镜悬浮在水银槽上，可以有效减少摩擦。

航标的科技含量和现代化程度越来越高，运行也越来越稳定，灯塔作为重要的助航标志，除了通过配备视觉航标设备外，现在还通过配备雾号等音响航标、无线电指向标、雷达应答器、AIS岸基站、VTS雷达站、DGPS基准站等导助航设备来发挥作用。灯塔通过能最大限度捕集光线的透镜、凝结智慧的旋转机组，还有闪烁着不同节奏光线的灯质，用它独有的方式提供精准的导助航服务，以“明灯”为过往船舶“指路”引航，用无言的坚守为交通强国建设奉献出自己的光热，新时期的航保人也将紧跟时代步伐，不忘初心，砥砺前行。

海一言不发

守在鸿蒙初开时她就在的地方

亘古、辽阔、深邃

千百年来，始终如一

永远不会老去，也永远不会失去魅力

矗立在海上岛屿的灯塔亦如是

安静而坚定地守护着过往船只

既照来路，也照归途

相信航标灯的光能带我们继往开来

接续奋进，迎来更加灿烂辉煌的明天！

文章来源：原刊于“中国水运网”，转载请注明原出处及由中国海洋发展研究中心编排