L’acqua e la rifrazione della luce
Nel seguire un primo corso di immersioni si impara che gli oggetti sott’acqua appaiono più grandi di circa 1/3 rispetto a come apparirebbero se osservati sulla terra ferma.
Ciò ha effetto anche sugli obiettivi? Quali sono le cause di questo effetto? Quali le conseguenze per il fotografo subacqueo?
Ecco le domande che solitamente ci si pone sentendo questa affermazione se si è anche fotografi subacquei.
Alla base di questo fenomeno c’è il principio della rifrazione.
Per descrivere in modo molto semplice, quando un raggio di luce colpisce la superficie dell’acqua perpendicolarmente, esso penetra la superficie senza problemi. Se il raggio è invece inclinato una parte della luce viene riflessa dalla superficie dell’acqua e solo una parte penetra verso il fondo. In funzione dell’angolo con cui la luce colpisce la superficie, in questo
caso dell’acqua, si avrà una maggiore o minore parte di luce che giunge sul fondo. Ciò, non verificandosi quando i raggi di luce sono perpendicolari alla superficie, spiega perché quando il sole è alto nel cielo sulla verticale che si ha la massima quantità di luce in profondità.
Figura 6: la luce che giunge verticale sulla superficie dell’acqua passa quasi totalmente verso il fondo. Se la luce giunge invece con una inclinazione differente, solo una parte di essa penetra verso il fondo mentre una parte viene riflessa. Quando poi il sole è molto basso all’orizzonte, la superficie del mare si comporta come uno specchio e riflette una enorme quantità di luce
Va poi notato che i raggi di luce che giungono sulla superficie dell’acqua non verticalmente, subiscono una deviazione. Infatti, a causa della minore velocità della luce nell’acqua, tendono a cambiare direzione avvicinandosi alla retta perpendicolare alla superficie che passa per il punto in cui i raggi colpiscono la superficie. La deviazione determina di conseguenza il ben noto fenomeno della matita che, se parzialmente immersa in un bicchiere pieno d’acqua, appare spezzata.
Se i raggi luminosi che passano dall’aria all’acqua vengono deviati e la loro direzione diventa più vicina alla perpendicolare, al contrario, passando dall’aria all’acqua si ha uno scostamento dalla perpendicolare. Nella figura 7 si può vedere cosa accade a causa di questo fenomeno quando un oggetto è osservato stando sulla terra ferma (1). In questo caso i raggi luminosi non sono deviati e viaggiano indisturbati procedendo lungo linee rette.
Figura 7: se il medesimo soggetto, in questo caso un pesce, viene osservato stando sulla terra ferma si ha un angolo di visione di una certa misura. Osservandolo sott’acqua, il passaggio dei raggi luminosi dall’acqua all’aria determina un angolo di visione inferiore che porta a percepire gli oggetti come più grandi o più vicini
Se invece si osserva l’esempio 2, in cui il pesce è nell’acqua mentre gli occhi del sub, che immaginiamo protetti dalla maschera – sono circondati da aria, si nota che avviene esattamente quanto prima indicato per la luce del sole. I raggi luminosi che passano dall’acqua all’aria tendono a spostarsi allontanandosi dalla perpendicolare che passa per il punto in cui i raggi colpiscono la superficie. Essendo raffigurati due ipotetici raggi luminosi, si notano le due rispettive perpendicolari ossia le due linee tratteggiate orizzontali. Facendo il raffronto tra l’esempio 1 e 2 si nota che l’angolo di ripresa, per dirlo in termini fotografici, varia. Nell’esempio 2 si ha un angolo di ripresa minore e il pesce occupa una parte più ampia dell’area normalmente visibile. Il risultato è poi raffigurato negli esempi 3 e 4. In questi si nota che, affinché il pesce occupi la medesima porzione del campo visivo, dovrà essere o più vicino, esempio 3, di circa 1/4 oppure, come nell’esempio 4, più grande di circa 1/3.
È forse per questo motivo che i pescatori narrano spesso di catture di pesci dalle dimensioni eccezionali?
Scherzi a parte, l’effetto è decisamente molto influente sulla visione dell’uomo quando si immerge e si comprende, su una base scientifica, il motivo di quanto affermato all'inizio di questo paragrafo ossia che gli oggetti sott’acqua appaiono più grandi di circa 1/3 rispetto a quanto sono nella realtà.
NOTA: la deviazione subita dai raggi luminosi quando dall’aria passano verso l’acqua è calcolata mediante la proporzione tra la velocità della luce nell’aria (poco meno di 300 000 km/sec) e nell’acqua (circa 275 000 km/sec) e corrisponde a 1,33.
Si è detto che gli oggetti appaiono più vicini; per determinare la distanza a cui appaiono (detta distanza apparente) conoscendo quella reale (per es. 4 m), si divide il valore di questa per l’indice di rifrazione (ossia 1,33). Esempio: 4 : 1,33 = 3 m
I soggetti appaiono più vicini e più grandi. Conoscendo l’indice di rifrazione è possibile calcolare la dimensione di un pesce di cui si stima la misura in base a ciò che si vede. Immaginando di vedere una cernia e stimandone la lunghezza in 60 cm sarà sufficiente dividere questo valore per 1,33. Esempio: 60 : 1,33 = 45 cm
Un metodo di calcolo più semplice utilizzabile in queste circostanze consiste nel ridurre di 1/4 le dimensioni stimate.
L’influenza della rifrazione in fotografia
È evidente che, essendo gli obiettivi molto simili agli occhi umani, l’influenza della rifrazione è avvertita anche in fotografia.
Tutto, parlando di vista umana, appare più vicino o più grande quando sott’acqua e allo stesso modo accade anche per la fotocamera sia essa digitale che tradizionale. In questo caso, le fotocamere più svantaggiate, anche se è possibile attuare delle contromisure, sono le reflex digitali. Per ora è comunque meglio concentrarsi solo su quanto applicabile in tutte le circostanze e con tutte le fotocamere. Come si vede nella parte 1 della figura 8, quando la fotocamera è utilizzata in ambiente terrestre ha una angolo di ripresa caratteristico e questo non subisce alcuna variazione. L’angolo è quello determinato dalla lunghezza focale dell’obiettivo. Obiettivi con una lunghezza focale ridotta hanno un angolo di ripresa molto ampio e sono adatti a riprendere, per esempio, panorami. Obiettivi con angolo di ripresa molto ampio sono i teleobiettivi e sono adatti soprattutto a riprese a distanza.
Detto ciò, la prima deduzione logica è che per la foto subacquea sono da preferire obiettivi grandangolari così da potere stare piuttosto vicini al soggetto evitando i problemi dovuti alla diffusione e all’assorbimento selettivo della luce.
Tornando a esaminare la figura 8, nella sezione 2 si vede la custodia subacquea con il vetro nella parte frontale. Immaginiamo di fare partire due raggi di luce con le medesime inclinazioni dell’angolo di ripresa dell’obiettivo. Come già detto, la luce incontrando l’acqua “piega” avvicinandosi alla perpendicolare del piano che separa l’acqua dall’aria ossia, nel caso della custodia, in corrispondenza del vetro.
Questo comportamento avverrà anche fotografando, vedi sezione 3, e si avrà come risultato un angolo di ripresa inferiore.
Ecco che l’angolo di ripresa, diminuendo, trasforma il comportamento dell’obiettivo rendendolo più simile a quello di un teleobiettivo.
Figura 8: quando la fotocamera viene portata sott’acqua, la luce, passando dall’aria all’acqua, subisce gli effetti della rifrazione già descritti. Ne risulta un angolo di ripresa minore rispetto a quello ottenibile col medesimo obiettivo usato in ambiente terrestre
L’obiettivo riprenderà quindi, così come gli occhi, oggetti che appariranno più grandi e più vicini. Per avere un’idea precisa degli effetti è necessario ricorrere ancora al valore dell’indice di rifrazione dell’acqua ossia il famoso valore di 1,33. È sufficiente moltiplicare il valore della lunghezza focale della fotocamera per 1,33 e ottenere così la lunghezza focale equivalente in acqua. Il tradizionale obiettivo da 50 mm, quello che simula meglio degli altri la visione umana, diventa così pari a 50 x 1,33 = 66,5 mm.
NOTA: moltiplicando la lunghezza focale di un obiettivo per l’indice di rifrazione dell’acqua (1,33) si ottiene la lunghezza focale equivalente in acqua. Se si desidera in acqua una specifica lunghezza focale (es. 50 mm) occorre avere sulla fotocamera un obiettivo dalla lunghezza focale pari a quella desiderata diviso l’indice di rifrazione. Esempio: 50:1,33 = 37,5 mm
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