Corso di fotografia subacquea

I corpi si dividono in trasparenti ed opachi rispetto al comportamento che assumono a riguardo della luce incidente. I corpi trasparenti lasciano passare tutta la luce che ricevono mentre gli opachi assorbono gran parte della stessa.

Quando un raggio luminoso passa da un mezzo ad un altro di maggiore densità diminuisce la propria velocità e cambia in direzione. Il raggio è deviato nel punto di contatto dei due elementi e tende ad avvicinarsi alla retta normale (perpendicolare) al piano di incidenza.
Ogni sostanza trasparente devia la luce in modo caratteristico secondo un indice (di rifrazione) determinato dalla differente velocità con cui la luce lo attraversa.

In aria la velocità della luce è prossima ai 300.000 km/sec, mentre in acqua è 225.000 km/sec, per cui l'indice di rifrazione dell'acqua è di circa 1,3.
Poichè il valore è >1 avremo che il raggio si avvicina alla normale (perpendicolare).

In immersione il globo oculare avrà la sua funzione compromessa dal fatto che è strutturato per una rifrazione nel mezzo aria, per cui in acqua per la densità del mezzo avremo una mancanza di messa a fuoco dell'immagine (questo fenomeno è un problema che gli oculisti chiamano ipermetropia).
Affinchè l'immagine sia nitida (a fuoco) occorre che si formi sulla retina. Perchè ciò possa avvenire la cornea deve essere posta a contatto con un elemento di idoneo indice di rifrazione come è l'aria.

La maschera, interponendo tra l'acqua esterna e la cornea uno strato di aria ristabilisce le condizioni di funzionamento normali permettendo la visione dell'ambiente acquatico.

La visione così ottenuta è chiara ma soffre di altre alterazioni dovute sempre alla rifrazione: distanza apparente e variazioni nella sensazione delle dimensioni.
Per quantificare questi fenomeni interviene il principio di Fermat che afferma:

Dr x Ia = Da x Im

Dr = distanza reale
Da = distanza apparente
Ia = indice aria
Im = indice acqua

Da questa formula ricaviamo che Da = 0,75 Dr

In altre parole in acqua le distanze appaiono accorciate del 25 %.

Se un soggetto è ad una distanza Dr = 4 metri apparirà a Da = 3 metri. Se si vuole che questo appaia a 4 metri dovremo disporlo a Da x 1,33 = 5,32.

Questo problema si ha anche per le macchine fotografiche: le loro lenti devono formare l'immagine su un piano ben definito (immagine a fuoco) che viene calcolato e verificato con l'aria.
Nella storia della fotosub questo problema è stato affrontato in due modi distinti:
- interposizione di aria tra una lente protettiva e l'obiettivo propriamente detto come accade nelle custodie;
- formulazione di obiettivi pensati per lavorare in acqua e solo in acqua (come alcune lenti del sistema nikonos (per questo motivo insuperabili per caratteristiche ottiche).

Ma anche i vetri, i cristalli, sono mezzi trasparenti, ovverosia lasciano passare la gran parte delle radiazioni luminose. Possiamo ragionevolmente supporre che siano diversi dall'acqua. Questa supposizione viene confermata dal trovare per ognuno di questi materiali indici diversi.
Per la stessa legge per cui conosciamo l'Ir dell'acqua (la legge è quella di Snell) siamo in grado di definire quello del vetro. Scopriamo che questo è variabile, assume valori che vanno da 1,5 a 1,9. Questa variabilità dipende ovviamente dalla sua composizione.

Il sistema vetro aria è un vero sistema ottico e, come tale, comporta alcuni problemi. L'occhio, ad esempio vede tutto più grande e più vicino. Agli obiettivi succede lo stesso variando, in contemporanea, l'angolo di campo.
Succede che un 35 mm in aria a cui si pone un vetro piano e dell'aria per portarlo in acqua si comporterà approssimativamente come un 50 mm.
Per questo motivo alcune custodie presentano la possibilità di cambiare l'oblò anteriore permettendo in particolare l'uso di lenti correttrici (oblò sferici).
Ovviamente per lavorare al meglio questi oblò andranno pensati e calzati per lenti specifiche e dovranno essere realizzati con cristalli ottici e a spessore controllato e verificato.
Questi oblò permettono di correggere il problema angolo di campo ma la trasportano in una nuova dimensione. Infatti in questi casi la messa a fuoco varrà per una immagine virtuale.

Un oblò piano oltre a ridurre l'area di ripresa di ben il 25% crea una particolare aberrazione cromatica. Per evitare che tutto ciò accada o si usano obiettivi normali oppure, nel caso di grandangoli dobbiamo usare l'oblò correttore.

Con questo tipo di oblò la macchina fotografica vede come se fosse in aria raggiungendo così due risultati:
- ripristino dell'angolo di ripresa dell'ottica usata
- eliminazione della aberrazione cromatica con buona saturazione del colore.

Quando un raggio di luce passa dall'acqua all'aria, la sua direzione si allontana dalla perpendicolare alla superficie di separazione tra i due mezzi.
Questa legge è valida anche nel caso in cui la superficie di separazione è sferica con la differenza che la deviazione va considerata rispetto alla perpendicolare al piano che è tangente alla superficie nel punto di incidenza del raggio luminoso considerato. Se il raggio incidente è perpendicolare il raggio incidente non viene deviato come nel caso dell'oblò piano.

In prima approssimazione possiamo considerare l'oblò di spessore nullo, perchè l'indice di rifrazione (Ir) dell'acqua e quello del cristallo o del lexan sono simili.

Se osserviamo lo schema dell'oblò, notiamo che il prolungamento del raggio proveniente dal punto A dell'oggetto, non subisce deviazioni perchè giunge perpendicolare alla tangente alla sfera di costruzione dell'oblò.

Un osservatore posto all'interno della calotta sferica non si renderà conto della deviazione che subiscono i raggi ma questi gli sembreranno provenire dalla direzione sul prolungamento degli stessi.
Ripetendo l'operazione per ogni singolo punto formante l'immagine noteremo che l'osservatore la vedrà più vicina della distanza reale, più piccola e priva di aberrazioni cromatiche. Un'immagine quasi perfetta, adatta ad essere fotografata: l'immagine virtuale.

Questo tipo di oblò viene chiamato correttore. Per effetto della sua forma sferica, tutti i raggi luminosi utilizzati dall'obiettivo incidono con un angolo di 90° o prossimo a 90° e quindi eliminano il verificarsi dei fenomeni di rifrazione dovuti ai diversi indici.

Questa peculiarità permette il raggiungimento di fedeltà cromatica e nitidezza irraggiungibile con i normali oblò piani.

Ricordiamo però, che l'oblò a forma sferica origina una immagine virtuale a una distanza inferiore a quella reale del soggetto.

Quando metteremo a fuoco utilizzando un apparecchio reflex di fatto utilizzeremo l'immagine virtuale che si forma, come detto, più vicina all'oblò del reale, per cui l'obiettivo impiegato deve permettere di mettere a fuoco a quella distanza.

In alcuni casi (quando si voglia utilizzare oblò pensati per altre lenti) si rende necessario anteporre una lente addizionale (le caratteristiche vengono comunicate dai costruttori di oblò). Ricordiamo che gli oblò correttori sono da ritenersi ottimizzati per un obiettivo specifico.

La gran parte della gente è convinta che sott'acqua il mondo sia oscuro con una forte prevalenza dei toni sul blu.

Queste convinzioni non corrispondono del tutto alla realtà tanto che si può dire, in prima approssimazione, che solo sotto i 400 metri di profondità ci sia il vero buio (ma chi ci arriva veramente?).

Questo comporta che alla profondità a cui si spinge normalmente un sub (20-30 metri) la luce sia più che sufficiente, affermazione che va controbilanciata dal notare un nuovo fenomeno che va sotto il nome di Assorbimento selettivo che impone la scomparsa selettiva dei colori all'aumentare della profondità.

Probabilmente ricorderemo l'esempio riportato su molti libri di fisica delle nostre scuole, del prisma attraverso di cui si fa passare un raggio di luce solare che magicamente si scompone in vari colori: rosso, arancione, giallo, verde, blu, viola.
La stessa cosa succede con l'arcobaleno.

Questi fenomeni portarono a rappresentare la luce come un trasportatore di onde elettromagnetiche di varie lunghezze. Ad ognuna di queste onde corrisponde un colore (non è esattamente così, ma, direbbero i saggi, lo è a larghe spanne, mi perdoneranno gli esperti).

L'acqua di fatto si comporta come un filtro e, secondo il suo spessore (e quindi anche la profondità) ferma i colori, assorbendo la radiazione di lunghezza d'onda corrispondente.

Così succede con il Rosso, che scompare per primo, il suo assorbimento inizia già a -1 m, seguito dall'Arancione, dal Giallo e così via.

A causa di questo fenomeno il paesaggio sottomarino ci appare monocromatico e sempre più blu.

La luce c'è ma è composta solo da lunghezze d'onda in cui la parte preponderante è blu-violacea.

I più scafati avranno notato che poco prima ho parlato di spessore di acqua e non di profondità e l'ho fatto perché il fenomeno dell'assorbimento selettivo dei colori varia al variare della quantità di acqua posta tra il nostro obiettivo (o i nostri occhi) ed il soggetto.
Insomma, possiamo dire che risulterà più nitida una foto scattata ad 1 metro di distanza obiettivo-soggetto, anche se è fatta ad una profondità maggiore, e ciò perché c'è una quantità d'acqua notevolmente inferiore tra la macchina fotografica ed il soggetto per cui sono minori gli effetti dovuti alla diffusione e la foto avrà un miglior contrasto ed una maggior definizione rispetto a quella scattata a 3 metri di distanza obiettivo-soggetto.

È quindi proprio a causa dell'assorbimento selettivo che è importante utilizzare fonti artificiali d’illuminazione come i flash ed i faretti. Questi strumenti riportano una situazione normale e corretta di luce sui soggetti.

Ovviamente anche la distanza di posizionamento delle luci oltre che i dati tecnici degli strumenti (i gradi kelvin di emissione delle luci) saranno influenzati da queste problematiche.
A larghe spanne un flash che esce tarato dalla fabbrica sui 5000 °Kelvin resta tale in aria ma ad un metro di distanza in acqua avrà già perso una parte delle sue componenti.

A queste indiscutibili difficoltà se ne aggiunge una nuova che è un nostro retaggio. Noi tutti, infatti, percepiamo la realtà in modo diverso dalla fotocamera (sia essa digitale che analogica) e ciò perchè il nostro occhio è collegato con la parte del nostro cervello che elabora le immagini. Quindi, noi, inconsapevolmente, eseguiamo un’interpretazione della realtà con le informazioni che giungono tramite gli occhi cervello. Costruiamo un’immagine che non esiste realmente.
A causa di questa nostra capacità spesso ci accade di "vedere" determinati colori ad una profondità alla quale non possono essere visti e ciò accade specialmente per il rosso.
Per questi motivi i sub devono abituarsi a "razionalizzare" la percezione visiva e a vedere come vedono le nostre pellicole o i sensori delle nostre macchine fotografiche per non avere brutte delusioni nel rivedere le immagini che abbiamo scattato.
Il fenomeno dell’assorbimento selettivo legato alla profondità si lega anche all’ora in cui si effettua l’immersione. L’arrivo di raggi solari perpendicolari, infatti, diminuisce il fenomeno della riflessione e aumenta il quantitativo di raggi che penetrano. Per il fotosub le ora migliori sono quelle attorno a mezzogiorno (come si vede, in estrema diversità con quello che accade in superficie).

Ritorno, brevemente, anche sul concetto di diffusione: il fenomeno di assorbimento della luce da parte di corpuscoli in sospensione nell'acqua (corpuscoli sia fisici, che biologici, plancton) che attutiscono l'energia dei raggi luminosi deviandoli in ogni direzione secondo un effetto molto simile a quello della nebbia.

Problemi che si hanno anche in grotta o nelle cavità.

Abbiamo già detto che questo ci imponga sia di dimenticare il concetto di infinito sott'acqua sia, per riportare la sensazione di foto di paesaggio, l'utilizzo di grandangoli spinti (il 16 millimetri per le macchine analogiche e il 10.5 per le digitali, sono lenti da 180° angolo di campo che restano tali se usati in scafandri con oblò correttore sferico).

Purtroppo questo fenomeno non è costante e dipende dalla qualità e dalla tipologia di acqua in cui andiamo ad immergerci. Un'acqua limpida aiuta, mentre non si può dire altrettanto per un acqua torbida.