ציפור טורפת דגים עומדת על ענף מעל המים ומחפשת דג לטרוף. במים יש דגים שרוצים לא להיטרף. איך הציפור מאתרת את הדג למרות השתקפויות ושבירת האור? או שאולי היא פוקחת עיניים במים ורואה שם? איך בכלל רואים במים? בפוסט זה אכתוב על ראייה באוויר ובמים ועל ראייה מתוך האוויר אל המים ומתוך המים אל האוויר.
ציפורים טורפות דגים
בישראל יש לנו מספר מינים של ציפורים טורפות דגים, למשל: שלדג (ופרפור), קורמורן, אנפה, שלך. בפני ציפורים אלו עומדים אתגרים רבים: איך להצליח לראות בתוך המים למרות השתקפויות ועיוותים הנובעים מתנועת המים? איך לצלול במהירות ובשקט על מנת לתפוס את הדג? ואיך לראות בתוך המים?
כל התמונות הנ"ל צולמו במצלמת שביל בשמורה החבויה בעינות צוקים
אתגר מס' 1: השתקפויות
לפעמים אנחנו לא יכולים לראות טוב מה קורה בתוך המים בגלל השתקפויות.
יש ציפורים שמסתמכות על תנועת המים שיוצר הדג במקום לראות את הדג הן מחפשות את האדוות שהדג מייצר.
אז איך אפשר להפחית השתקפויות?
בכל פעם שאור עובר מתווך לתווך, כלומר כל פעם שאור נע מאוויר למים או מהמים לאוויר נוצרת אינטראקציה בין האור לחומר. חלק מהאור מוחזר ע"י המים, חלק מועבר (ונשבר) לתוך המים וחלק נבלע במים וכך גם כשהאור נע מהמים לאוויר. כמה אור מוחזר וכמה מועבר? את התשובה לשאלה זו עונה הפתרון למשוואות פרנל.
הפתרון למשוואות פרנל הם מקדמי החזרה וההעברה של האור. מקדמים אלו נותנים מידע כמה אחוז מהאור עובר וכמה חוזר. המקדמים הללו תלויים בזווית הכניסה של האור .
).האור המגיע מהשמש הוא אור מבולגן, כלומר השדה החשמלי מתנדנד בכיוונים שונים בצורה אקראית. ניתן להתייחס אל אור "לא מקוטב" שכזה כאל אור שחציו מקוטב לינארית אופקית בכיוון מקביל לשפת המים וחציו מקוטב אנכית, בכיוון מאונך לשפת המים. נהוג לקרוא להם קיטוב s- קיטוב מאונך לפני המים וקיטוב p- קיטוב מקביל לפני המים.
מימין אור מקוטב לינארית אנכית ומשמאל אור מקוטב לינארית אופקית.
מקדמי ההעברה וההחזרה כתלות בזווית הכניסה של האור (ביחס לאנך למישור המפגש בין המים לאוויר):
Gianni Di Domenico (Université de Neuchâtel)"Fresnel Equations"
http://demonstrations.wolfram.com/FresnelEquations/
Wolfram Demonstrations Project
Published: March 7 2011
ניתן לראות כי עד זווית הנקראת זווית ברוסטר, האור כמעט ואינו מוחזר ומזווית זו והלאה ישנה יותר ויותר החזרה ופחות העברה. בין 80 ו-85 מעלות, כלומר כאשר האור שמגיע כמעט מקביל למים חצי מהאור מועבר וחצי וחצי מוחזר. זו הסיבה שבזריחה ובשקיעה של שמש או ירח על גוף מים, ההשתקפות הכי ברורה וחזקה וכשהשמש באמצע השמים היא בקושי משתקפת.
ההשתקפויות הקרובות הן בסביבות זווית ברוסטר כלומר כמעט כל האור החוזר מהמים הוא מקוטב אופקית. המקטב מסנן את הקיטוב האופקי וכך ניתן להעלים את ההשתקפויות. לעומת זאת, ההשתקפויות הרחוקות, שהן בשני הקיטובים השונים, לא נעלמות כאשר משתמשים במקטב.
פתרון מס' 1- לצוד ממש מעל הטרף
מסיבה זו יש ציפורים מעדיפות לעמוד ממש מעל המים. השלדג עומד על ענף גבוה לצד המים (perch hunting). ככל שזווית הכניסה של האור למים יותר אנכית למשטח המים כך ההחזרה קטנה יותר ולכן יש פחות השתקפות וניתן לראות טוב יותר מה יש בתוך המים. הציד מעל המים גם חשוב כדי לצבור מהירות לשם טכניקת הציד שלו: plunge diving (צניחה צלילה)
לפעמים אין ענף ממש יציב והשלדג נאלץ להשתמש בענף שנע עם הרוח. על נמת לחפש טרף עליו לייצב את מבטו. בני אדם מסוגלים לסובב את העיניים שלהם בתוך ארובות העין אבל ציפורים לא כל כך (שיקולים של הקטנת גולגולת אז יש להם פחות שרירים בעיניים) ולכן כדי לראות טוב הן מייצבות את כל הראש:
ועוד אחד כי זה פשוט מעולה…
החסרון בשיטה זו שרואים טוב רק מתחת לענף ואם אין ענף אז לא ניתן לצוד. לכן השלך והפרפור פיתחו יכולת "תעופה במקום" והם ממש מרפרפים בעמידה במקום מעל המים שזו יכולת מיוחדת מאוד. ככה הם יכולים לסרוק מקומות שונים מעל המים ולא תלויים בענף. החסרון של השיטה הזו היא כמובן כמות האנרגיה הגדולה הדרושה לרפרף במקום ולהשאר יציב.
הפרפור העקוד, גם סוג של שלדג, פיתח טכניקה של רחיפה (רפרוף) במקום מעל המים כדי לא להיות תלוי בענף ולהיות מסוגל לצוד בכל מקום. בעבר חשבו שציפור שגדולה יותר מפרפור לא מסוגלת מבחינה אנרגתית לרפרף במקום אבל מסתבר שכן..
פתרון מס' 2: הצללה
פתרון נוסף, שבו משתמשות האנפות, הוא לפרוש כנפיים כדי להסתיר את השמש ולייצר צל על המים. ההשתקפות של השמש היא חזקה וזה גורם מפריע מאוד.
אנפת לואיזיאנה (Egretta tricolor) עושה צל עם הכנפיים שלה על מנת לסנן השתקפויות:
פתרון מס' 3: סינון האור המוחזר
פתרון נוסף ומעניין מאוד, הוא לסנן את האור אשר משתקף מהמים. ניתן לראות בגרף למעלה שבערך בין 30- 65 מעלות האור המוחזר הוא כמעט ורק בקיטוב מאונך למים. כלומר אור שמוחזר ממים הוא מקוטב חלקית או לגמרי (בזווית ברוסטר) בכיוון אנכי. מסתבר שציפורים רבות מבחינות בקיטובים השונים.
דרך אגב, גם פה יש עניין אקולוגי- פיזיקלי- זיהום אור מקוטב. ציפורים יודעות שהאור המוחזר מהמים הוא מקוטב חלקית אנכית ולכן הן יכולות להתבלבל ולחשוב שכל מיני משטחים חלקים וכהים כמו יריעות פלסטיק שחורות, כבישי אספלט, מכוניות, שלוליות ומאגרי שמן, פאנלים סולאריים ואפילו אבני מצבה שחורות. עובדה זו יכולה לגרום להן לנחות במהירות על משטח קשה כמו כביש או פאנל סולארי ולהיפצע, לבחור סביבת מחיה שהיא לא מתאימה לה או לשנות את מסלולי הנדידה שלה.
לכן, אם משתמשים במקטב לינארי שמסנן את האור שמקוטב אנכית, אז כל האור שמגיע מהמים הוא רק אור שמגיע מתוך המים ולא אור שמוחזר, דהיינו השתקפות.
המקטב מאפשרים לראות יותר טוב את מה שנמצא בתוך המים. בתמונות אלו- את האבנים.
ציפורים רבות רואות אור מקוטב ויכולות לזהות את כיוון הקיטוב האור. ייתכן כי ציפורים מסוימות יכולות לסנן את האור המקוטב אנכית וכך לראות היטב מה קורה בתוך המים. יש לציפורים מסוימות מעין טיפות ששמן על הרשתית שמסננות חלק מהאור אולי יש להן תפקיד בסינון השתקפויות.
יש ציפורים שכלל לא מחפשות לראות את הדג אלא הן רואות את המים זזים בעקבות תנועת הדגים. אבל זה מתאים רק לדגים בחיים ממש על פני המים וגם רק כאשר המים עומדים וחלקים.
אתגר מס' 2: מיקום וגודל מדומים
כאשר האור יוצא מהמים אל האוויר הוא נשבר, לפי חוק סנל. העין שלנו לא יודעת שהאור נשבר. היא יודעת מאיפה הגיע האור לתוך העין ואז המוח שלנו ממשיך את הקו שממנו הגיע האור וממקם את העצם שממנו האור מגיע, במיקום של המשך הקרן של האור.
האורכים מתקצרים במים.
כמה עמוק יותר? זה תלוי בזווית שממנה מסתכלים ובעומק האמיתי של הדג במים.
פתרון מס' 1: חישוב המיקום האמיתי של הדג
הליבניות מבצעות חישוב
פרופ' גדי קציר הישראלי חקר הרבה מהנושאים במאמר זה (תמצאו במקורות כמה מאמרים). הוא ועמיתיו פרסם מחקרים על לבניות שצדות דגים וחקר את המנגנונים של ציפורים טורפות דגים לפיצוי עיוותים ע"י שבירת אור. זהו תחום שנקרא "אקולוגיה חושית" וזה תחום שמרתק אותי במיוחד. הוא מערב אופטיקה, אקולוגיה, ביולוגיה, מדעי המוח ומה לא..
במאמר על הלבנית, החוקרים מזהים שני תנועות נבדלות במהלך התקיפה של הלבנית את הדג. השינוי בין התנועה הראשונה לשניה מתרחש בנקודה שנקראת נקודת התקיפה. נק' זו יכולה להשתנות במרחב אבל יש קורלציה משמעותית בין עומק הטרף והעומק המדומה שנמדדו עבור מיקום העין של האנפה באותו הרגע.
הקשר הוא :
המאמר טוען שהלבנית מנסה להשיג את הקשר הזה באמצעות בחירת נקודת התקיפה כראוי ואז היא משתמשת בקשר הזה כדי לתקן את התקיפה בהתאם לעיקום האור.
אם אכן זה ככה, אם יגדילו לה לפעול מחוץ לטווח שלה, כלומר יגדילו מאוד את הזווית, היא תפספס יותר. בנוסף, התדירות של הפספוסים צריך להיות קשור להבדל בין היחס הצפוי והיחס הנמדד בין העומק האמיתי לעומק המדומה. ואכן כך נמצא. כאשר הזווית הייתה עבור הקשר הנכון בין העומק האמיתי למדומה
חישוב על ידי תנועת הראש למעלה ולמטה -bobbing
בכללי תנועות ראש והזזת מיקום העיניים מגבירות את יכולות הראייה. ניתן באמצעות חוק סנל ובאמצעות גאומטריה וטריגונומטריה להגיע לביטוי שמקשר בין מיקום העין, מיקום העצם, היחס בין מקדמי השבירה של התווכים והנקודה בה קרן האור יוצאת מהמים אל האוויר.
אם הציפור משנה את מיקום העין שלה ע"י תנועת הראש, גם המיקום הנראה של הדג משתנה בהתאם והיא יכולה להשתמש בנתונים האלו כדי לחשב את המיקום האמיתי של הדג. אפשר לקרוא על זה עוד במאמר של קספרסון (נמצא במקורות למטה)
פתרון מצחיק: לחכות שהדגים יגיעו אליה…
אתגר מס' 3: ראייה בתוך המים
ומאנפות לקומורנים:
ראייה מטושטשת מתחת למים
בתוך המים אנחנו רואים מטושטש. מדוע?
בתוך המים אנחנו רואים מטושטש כאילו היינו צריכים משקפיים עם מספר -43!
ראייה חדה מתבססת על שבירת האור שמגיע מהאוויר כך שיתרכז כולו ברשתית של העין, שם נמצאים קולטני האור. כדי שהאור יתמקד בנק' אחת הוא צריך להישבר. האור נשבר בכניסה לעין מהאוויר לקרנית ואחר כך עוד במעבר בעדשת העין. מקדם השבירה של הקרנית הוא דומה לשל מים (1.33) וכך האור עובר מהאוויר לקרנית ונשבר ואז נעשה עוד מיקוד ותיקון ע"י העדשה בעין. כשאנחנו נמצאים במים, האור עובר ממים לקרנית, ולמעשה לא מתבצעת שבירה של אור, לכן הוא לא מתמקד ולכן רואים מטושטש.
בעלי חיים שרואים טוב במים
דגים ודו חיים מן הסתם רואים טוב יותר במים. העדשות של דגים, דו חיים, פינגוויונים וכלבי ים נוטות להיות כדוריות עם מקדם שבירה שמשתנה בהדרגתיות ממרכז העדשה כלפי חוץ וכך מתקבל אפקט של מיקוד אור חזק יותר ע"י העדשה.
לחלקם הקרנית, שממקדת את רוב האור בעין שלנו, היא שטוחה והעדשה היא הגורם הממקד העיקרי והיא חזקה יותר. לחלק אחר יש חלק מסוים בעין שרואה טוב יותר באוויר וחלק אחר /שרואה במים באמצעות עדשה אליפטית, שרירי עדשה חזקים על מנת לייצר שינויים גדולים בצורת העדשה כאשר הם רואים במים וכאשר הם רואים באוויר. יש המסתמכים על הפחתה או שינוי בצורת האישון מחוץ למים ובתוך המים.
הפתרון: משקפת
ומה הפתרון? כמובן משקפת. פתרון מאוד פשוט שמשאיר אוויר בין הקרנית למים ולכן האור כעת נכנס מהאוויר לקרנית ומתרחש מעבר מתווך לתווך. עדיין האור נשבר במעבר מהמים למשקפת ומהמשקפת לאוויר ולכן דברים בתוך המים נראים קרובים יותר וגדולים יותר.
אז יש ציפורים שגם להן יש משקפת!
לציפורים רבות יש "עפעף שלישי" (Nictitating membrane) שזה עפעף המצמוץ שהוא שקוף עד לבן. העפעף עוזר להם לראות בכל רגע וגם בזמן המצמוץ כי עופות צריכים לתמרן מהר בתעופה ולא יכולות להרשות לעצמם אפילו למצמץ.
ישנם עופות שלמדו להשתמש בעפעף הזה כמשקפת וככה הם יכולים לראות גם בתוך המים.
מסתבר שאנשים בעלי קוצר ראייה רואים יותר טוב במים מאנשים עם ראייה תקינה! זה הגיוני כי קוצר ראייה זה אומר שהעדשה חזקה מדי והאור מתמקד בתוך העין לפני שהוא מגיע לרשתית. אם העדשה חזקה מדי זה טוב לראייה בתוך המים כי אז העדשה מצליחה קצת למקד את קרני האור למרות שהיחס בין מקדמי השבירה הוא קטן.
ומסתבר שיש יותר קוצר ראייה באנשים שגרים ליד מים צלולים. אולי ההתפתחות שלהם מתאימה יותר לראייה במים?
ילדים מתאילנד, אנשי המוקן, רואים פי 2 יותר טוב מילדים אירופאים במים! חדות הראייה השתפרה אצלם כנראה בגלל שילוב של סיגול מקסימלי גדול יותר של העדשה שלהם בעין וגם ע"י צמצום האישון.
מסתבר שניתן להתאמן על ראייה בתוך המים. מחקר שוודי מ2005 אימן ילדים אירופאים לראות טוב יותר בתוך המים על ידי כך שנתנו להם לזהות צורות בתוך המים. תוך חודש אחד ו-11 אימונים הילדים הצליחו לראות חד כמו ילדי המוקן. עוד דבר מדהים במאמר הזה שאחרי שבחנו את הילדים האירופאים שוב לאחר 4 חודשים ללא אימון נוסף הם ראו שיפור נוסף בראייה שלהם! מה שמלמד אותנו שהלמידה ממשיכה ברקע במוח שלנו גם לאחר שסיימנו אקטיבית להתאמן!
אתגר מס' 4: ראיית התווך האווירי מתוך המים
גם מי שנמצא בתוך המים חווה עיוותים רבים במה שנמצא באוויר. האור נשבר כאשר הוא נכנס מאוויר למים וישנה גם החזרה פנימית מלאה מחלק מהאור שמכוון מהמים כלפי חוץ.
החזרה פנימית מלאה
בתחילת המאמר תיארתי את מקדמי ההחזרה וההעברה שמתקבלים ממשוואות פרנל עבור אור שנכנס מאוויר למים. המקדמים האלו נראים שונה במעבר ממים לאוויר מכיוון שמקדם השבירה של מים גדול משל האוויר ולכן מעל הזווית הקריטית תתרחש גם החזרה פנימית מלאה.
Gianni Di Domenico (Université de Neuchâtel)"Fresnel Equations" http://demonstrations.wolfram.com/FresnelEquations/
Wolfram Demonstrations Project
Published: March 7 2011
ניתן לראות כי מתחת ל48 מעלות והלאה (מהאנך למישור בין האוויר למים- זווית קריטית) אף אור אינו עובר ממים לאוויר ו100% מוחזר.
חלון סנל
מה שמתחת לזווית הקריטית יותר מראה של מעגל בתוך המים הידוע בתור חלון סנל. המעגל הזה הוא הבסיס של חרוט שקודקודו בעין הצופה בתוך המים וזווית הפתיחה שלו היא כ48 מעלות (זה גם תלוי במקדם השבירה של המים ולכן גם במליחות!)
גודל החלון תלוי בעומק של הדג. כלל אצבע נוח הוא שרדיוס החלון הוא קצת יותר מפי 2 מעומק הדג. ככל שהדג נמצא במקום רדוד יותר כך חלון סנל שלו קטן יותר.
עדשת עין הדג
הראיה של החוץ מתוך המים אמנם מוגבלת לחלון סנל. אבל למעשה כל התמונה של 180 מעלות נדחסת לתוך חלון סנל. לכן העולם של החוץ מעוות דרך החלון. דברים באמצע החלון נראים גדולים יותר ובפריפריה קטנים ומעוותים יותר.
עדשת עין הדג היא עדשה רחבה והיא מייצרת תמונה פונורמית כדורית. השם שלה נקרא כך מכיוון שהיא מדמה את מה שהדג רואה בחלון סנל.
אולי ניתן לנצל את העובדה שלדגים יש אזור שהם לא רואים בו ולארוב להם משם?
חידה לסיום
מה קורה פה? מוזמנים לכתוב הסבר בתגובות
מאמרים קשורים
פעילות אופטיקה אקולוגית: "טריק היעלמות"
מקורות
- מאמר ישראלי של קציר על פרפור עקוד- Sustained hovering, head stabilization and vision through the water surface in the Pied kingfisher (Ceryle rudis) Gadi Katzir, Dotan Berman, Moshe Nathan, Daniel Weihs bioRxiv 409201; doi: https://doi.org/10.1101/409201
- על זיהום אור מקוטב- Horvath, Gabor & Kriska, Gyorgy & Malik, Péter & Robertson, Bruce. (2009). Polarized light pollution: A new kind of ecological photopollution. Frontiers in Ecology and the Environment. 7. 317-325. 10.1890/080129.
- על מקום וטכניקת ציד של שלדגים ופרפורים- Renila, R., Bobika, V.K., Nefla, A. et al. Hunting Behavior and Feeding Success of Three Sympatric Kingfishers’ Species in Two Adjacent Wetlands in Southwestern India. Proc Zool Soc 73, 392–399 (2020). https://doi.org/10.1007/s12595-020-00344-4
- הסבר על ציד דגים עם חנית ושבירת אור
- הסבר על ציד חץ וקשת בדגים. אם נמצאים בזווית 45 מעלות מהדג, צריך לכוון פי 1.5 יותר עמוק מהעומק של הדג.
- מאמר ישראלי של קציר ושות' על ציד דגים ע"י לבנית: Gadi Katzir, Arnon Lotem, and Nathan Intrator Stationary underwater prey missed by reef herons, Egretta gularis: head position and light refraction at the moment of strike
- עוד מאמר של פרופ' קציר על לבניות. : Katzir, G., Intrator, N. Striking of underwater prey by a reef heron,Egretta gularis schistacea . J. Comp. Physiol. 160, 517–523 (1987). https://doi.org/10.1007/BF00615085
- Lee W. Casperson: Head Movement and Vision in Underwater-Feeding Birds of Stream, Lake, and Seashore
- מאמר על ראייה מתחת למים : Vision in water: David A. Atchison
- מאמר על אימון ויזואלי שמשפר את הראייה בתוך המים והשוואה עם ילדי המוקן:Gislén A, Warrant EJ, Dacke M, Kröger RH. Visual training improves underwater vision in children. Vision Res. 2006 Oct;46(20):3443-50. doi: 10.1016/j.visres.2006.05.004. Epub 2006 Jun 27. PMID: 16806388.
- מאמר של פרופ' קציר על ראייה של קורמורנים: Katzir, Gadi & Howland, Howard. (2003). Corneal power and underwater accommodation in great cormorants (Phalacrocorax carbo sinensis). The Journal of experimental biology. 206. 833-41. 10.1242/jeb.00142.
תגובה אחת