Ótica
As leis de ótica no meio aquático caracterizam-se por uma série de fenómenos que afetam a propagação dos raios luminosos e condicionam a visão dentro de água, uma vez que, ao atingir e penetrar no meio líquido, os raios luminosos são submetidos aos fenómenos de reflexão, refração, difusão e absorção.
De facto, quando um feixe de luz atinge a superfície da água, uma parte dos raios luminosos é refletida e não entra na água; os que atravessam a superfície da água sofrem um desvio (ou seja, são refratados) e depois vão sendo difundidos e absorvidos à medida que penetram na água.
REFLEXÃO
É a mudança de trajetória que sofre um raio luminoso num mesmo meio. A regra fundamental da reflexão diz que o ângulo de reflexão (α1) é igual ao ângulo de incidência (i1).
A perda de intensidade luminosa dentro de água, devido à reflexão da luz, depende do ângulo com que os raios luminosos incidem na superfície da água. Na verdade, essa perda é muito pequena, salvo se o ângulo de incidência ultrapassar os 60º. Neste caso, a perda de luminosidade atinge os 6%.
REFRAÇÃO
É o desvio que sofre um raio luminoso quando passa de um meio para outro meio com um índice de refração diferente (do ar para a água, por exemplo).
O índice de refração está relacionado com a velocidade de propagação da luz no meio que atravessa, que é sempre inferior à velocidade que atinge no vácuo. O índice de refração no ar é n1 = 1 e na água é n2 = 1,33.
Ao penetrar na água, meio com índice de refração maior do que o ar, um raio luminoso aproxima-se da normal. (A normal é uma linha imaginária, perpendicular à superfície da água, que passa pelo ponto onde a superfície é atravessada pelo raio luminoso).
Inversamente, um raio luminoso que sai da água afasta-se da normal, i1 = 30º, r1=41º41´.
Finalmente, um raio luminoso que entre ou saia perpendicularmente à superfície da água não é refratado (não sofre desvio).
Na passagem de um raio luminoso da água para o ar, o ângulo máximo de incidência (i2) em que se verifica a refração é de 48º45,2’. Neste caso, o raio luminoso refratado sai paralelamente à superfície da água (r2 = 90º).
Com um ângulo de incidência acima de i2 = 48º 45,2’ não se verifica a refração, isto é, os raios luminosos não atravessam a superfície da água e são totalmente refletidos, sendo o ângulo de reflexão igual ao ângulo de incidência (i1 = α1). Este fenómeno é muitas vezes observado durante o mergulho, quando se verificam as condições expostas, sendo conhecido pelo nome “efeito de espelho”.
Podemos ver, na tabela seguinte, os valores dos ângulos de incidência (i) correspondentes aos ângulos de refração (r).
| AR | <-ÁGUA / AR-> | ÁGUA |
| ÂNGULO DE REFRAÇÃO | ÂNGULO DE INCIDÊNCIA | ÂNGULO DE REFRAÇÃO |
| 13º 21’ | 10º | 7º 30’ |
| 27º 3,5’ | 20º | 14º 54’ |
| 41º 41’ | 30º | 22º 5’ |
| 58º 45’ | 40º | 28º 54’ |
| 90º | 48º 45,2’ | 34º 25,4’ |
| (*) | 50º | 35º 10’ |
| (*) | 60º | 37` |
| (*) | 70º | 44º 57’ |
| (*) | 80º | 47º 46’ |
| (*) | 90º | 48º 45,2’ |
O que foi acima descrito aplica-se sempre que um sistema ótico colocado em meio aéreo (olho humano ou aparelho fotográfico) observa um objeto submerso, independentemente da observação ser feita através da superfície ao ar livre, ou através do vidro de uma luneta de calafate, de um aquário ou de uma máscara de mergulho. É, portanto, oportuno falar da ação desempenhada por uma superfície plana transparente colocada a separar os dois meios, a que se chama “dioptro plano” (o vidro da máscara, por exemplo).
Um sistema ótico concebido para a visão no ar (olho humano, objetiva fotográfica), ao ser mergulhado na água, perde a sua eficiência. Na verdade, a convergência dos raios luminosos passa a fazer-se para lá do plano original (no olho a convergência faz-se atrás da retina – hipermetropização), produzindo uma imagem desfocada.
Para evitar esta situação, que se verifica quando se mergulha com os olhos em contacto direto com a água, utiliza-se um dioptro plano, o vidro da máscara de mergulho. A nitidez da visão é restabelecida pelo facto do olho humano deixar de estar em contacto com a água, mas sim com o ar.
Mas, para além do restabelecimento da nitidez, a refração através do dioptro plano produz algumas alterações na imagem que têm consequências muito importantes na visão subaquática.
Na realidade, um raio luminoso proveniente de um objeto mergulhado passa para o ar, através do vidro de separação, com um ângulo maior (refração). Este fenómeno origina a diminuição do ângulo do campo de visão em 1/4, o que provoca dois efeitos: o aumento do tamanho aparente dos objetos em 1/3 e a aproximação aparente do objeto.
Assim, para um sistema ótico de ar, um objeto colocado na água à distância x de um vidro de separação dos dois meios, aparenta estar à distância de y, cujo valor é y = 3/4*x. Portanto, verifica-se o encurtamento da distância aparente em 1/4. É o fenómeno observado por todo o mergulhador quando pela primeira vez usa uma máscara, em que, para além de ver as suas mãos com uma dimensão maior, comete erros na apreciação das distâncias, parecendo ter um braço mais curto do que o habitual.
X
Y
ABSORÇÃO
Ao penetrarem na água, os raios luminosos sofrem uma rápida perda de intensidade (segundo uma curva exponencial), uma vez que a sua energia se transforma em calor. Esta absorção é devida não só à massa de água, mas também às partículas em suspensão, cujo coeficiente de absorção é variável e intervém nas variações da extinção da luz.
Além da reflexão e da absorção, também a difusão (ver mais à frente) contribui para a extinção da luz. No mar, em média, a intensidade da luz é de cerca de 40% a –1m, 14% a –10m, 7% a –20m e apenas de 1,5% a –40m.
Esta extinção progressiva da luz não é uniforme, mas sim seletiva. De facto, a absorção é diferenciada para os diversos comprimentos de onda: as radiações que compõem o espetro solar são progressivamente absorvidas dos comprimentos de onda mais elevados (infravermelhos, vermelhos, etc.) para os comprimentos de onda mais baixos (azul, verde). Isto modifica a composição espectral da luz, alterando a visão das cores.
Este é o fenómeno constatado, mas nem sempre compreendido pelos mergulhadores, quando num mergulho profundo vêm o seu sangue sair verde de um pequeno golpe ou quando lhes parece azulada uma estrela-do-mar igual à que tinham visto no início do mergulho, junto da superfície, com uma magnífica cor vermelha viva.
Se admitíssemos não existir suspensão na água, as cores desapareceriam uma após outra pela seguinte ordem: o vermelho aos -5m (mas visivelmente alterado desde os -2m); o laranja entre os -10 e os -20m; o amarelo entre os -15 e os -25m; o violeta depois dos -20m. Para além dos -20m restam o azul e o verde, até chegarmos a uma visão crepuscular monocromática cerca dos -60m. A luz continua a diminuir com o aumento da profundidade até à extinção total cerca dos -400m.
É preciso notar que a absorção, nomeadamente o efeito de filtro seletivo, não depende da profundidade, como poderíamos supor, mas sim da extensão do percurso efetuado na água pelos raios luminosos. A mesma distância percorrida pela luz, qualquer que seja a profundidade e direção em que o trajeto é efetuado, produz a mesma absorção selectiva da radiação luminosa.
Assim, a quantidade e composição espectral de luz refletida pelo objeto que chega à objetiva da máquina é igual nos dois casos, pois o trajeto subaquático percorrido pelos raios luminosos é igual. Deste modo, quando se introduz no meio aquático uma fonte de luz artificial, esta restitui aos objetos as suas cores , pois se encontra perto dos objetos que ilumina. Porém, os raios luminosos da fonte de luz artificial estão sujeitos aos mesmos fenómenos de absorção seletiva a que estão submetidos os raios solares, por isso, o efeito será o mesmo após terem percorrido as mesmas distâncias.
DIFUSÃO
A difusão, tal como a absorção, resulta não só da água, mas também das partículas em suspensão, que desviam a trajetória dos raios luminosos.
Além de participar na diminuição progressiva da luz, a difusão provoca uma diminuição geral de contraste e imprecisão de contornos (efeito de nevoeiro ou véu), mais notável ainda para uma objetiva do que para o olho humano, uma vez que a objetiva não tem a ajuda do cérebro para interpretar e reconstituir a imagem captada. Quando as partículas são grandes e em quantidade elevada, a difusão traduz-se pelo chamado efeito de “sopa”, tão temido pelos fotógrafos submarinos.