История на морските фарове

От векове наред морските фарове са един от символите на човешката цивилизация и нейните постижения.

Да осветяваш пътя на корабите в античния свят, било чудо. И днес за моряците морските фарове са символ на надежда и очакване за скорошно завръщане.

Предшествениците на днешните фарове били огньове запалени по върховете на хълмовете, най-ранните препратки към които се съдържат в Илиада и Одисея. Според Омир създател на първия морски фар е евбейският принц Паламед.

Най-ранният фар, за който свидетелстват останки, е Александрийският фар. Построен около 280 г. пр. Хр. на остров Фарос, близо до град Александрия в Египет той е едно от седемте чудеса на античния свят.

Светлината, която е излъчвал, идвала от голям огън, и отразявана чрез огледала, се виждала на 50 км навътре в морето. Фарът представлявал кула с височина около 120 – 140 м и за времето си бил от най-високите конструкции, създадени от човека. Архитект на фара е Сострат Книдски. Изграждането му отнело 5 години. Бил е построен от бял мрамор и изграден с трегери, а не със сводове. Имал е три етажа. Най-долният представлявал правоъгълна кула с квадратна основа със страна 30 м и с височина между 55 и 65 м. Четирите ѝ стени били обърнати към четирите посоки на света. Следва вторият етаж, който бил с осмоъгълна форма, по направленията на осемте главни вятъра. Неговата височина била около 40 м. Най-горният етаж, висок 8 м, бил под формата на цилиндрична колонада – 8 колони носели купол, увенчан с 8-метрова бронзова статуя на повелителя на моретата Посейдон (или на Зевс според някои източници). В горната част на етажа имало метално вдлъбнато огледало, което денем отразявало слънчевата светлина, а нощем – светлината на горящ катран или масло. При земетресение през 1375 г. фарът е разрушен. Днес от него са останали само няколко фрагмента, които са потопени под водата.

Римляните издигнали много фарови кули в хода на разширяването на своята империя и до 400 г. н.е. имало около 30 в експлоатация от Черно море до Атлантическия океан. Това включва известния фар в Остия, пристанището на древен Рим, завършен през 50 г. н.е., и фарове в Булон, Франция, и Дувър, Англия. Фрагмент от оригиналния римски фар в Дувър е запазен до наши дни.

Финикийците, търгуващи от Средиземно море до Великобритания, маркирали пътя си с фарове. Тези ранни фарове са използвали огньове от запалени дърва или факли, горящи на открито, а понякога защитени с покрив.

Средновековие

Упадъкът на търговията през тъмните векове спира строителството на фарове до възраждането на търговията в Европа около 1100 г. н.е. Водеща роля в създаването на нови фарове играят Италия и Франция. До 1500 г. препратките към фарове стават неразделна част от картите и книгите за пътуване. Тези ранни фарове били подобни на предшествениците си от древността. В тях горели предимно дърва, въглища или факли на открито, въпреки че са използвани и маслени лампи и свещи. Известен фар от този период бил Фарът на Генуа (Lanterna di Genova) в Италия, построен окол 1139 г. Той е напълно възстановен през 1544 г., а неговата впечатляващата кула, остава морска забележителност и днес. Негов фаропазач през 1449 бил Антонио Колумб, роднина на Христофор Колумб

Известен френски фар от този период е Кордуанският фар (Tour de Cordouan) на малкия остров Кордуан в устието Жиронд близо до Бордо. Оригиналът е построен от Едуард Черния принц през 14 век. През 1584 г. Луи дьо Фоа, инженер и архитект, по нареждане на Анри III, предприема изграждането на нов фар, който е едно от най-амбициозните и великолепни постижения на своето време. Той бил с диаметър 135 фута (приблизително 41 метра) в основата и 100 фута (приблизително 30.5 метра) височина, със сложен интериор от сводести помещения, богато украсени навсякъде с изобилие от позлатени, резбовани статуи и сводести врати.

Построяването му отнело 27 години, тъй като островът напълно се скривал под водата по време на прилив. Кулата била завършена през 1611, с което става първата построена изцяло в морето и предшественик на структури, като Фарът Едистоун (Eddystone Lighthouse).

През 1782 г. фарът е в изключително лошо състояние, а моряците критикуват малката му височина. Височината на кулата била увеличена в периода 1788 – 1789 от инженера Жозеф Теулер, който запазил оригиналната концепция и я преустроил в съответствие с архитектурния стил на Луи дьо Фоа от 16-и век.

Днес монументалната кула на Кордуанския фар, украсена с пиластри, колони и скулптури, има 8 нива, които се издигат на височина от 67 метра над морското равнище и на 4.3 мили навътре в морето. Той е включен в списъка на исторически паметници през 1862 г. а на 24 юли 2021 г. е признат от ЮНЕСКО за обект на световното наследство.

Началото на съвременните фарове

Може да се каже, че развитието на съвременните фарове започва около 1700 г., когато подобренията в конструкциите и осветителното оборудване започват да се развиват по-бързо. Появяват се първите кули, изградени навътре в морето. Първата от тях е 120-футовата (≈ 36.6 метра) дървена кула на Хенри Уинстанли на прословутите скали Едистоун край Плимут, Англия. Въпреки че била с 12 железни подпори, старателно укрепени в изключително твърда скала, кулата просъществувала само от 1699 до 1703 г., когато е отнесена без следа от силна буря. Нейният проектант и строител, който по това време бил във фара, загива заедно с него. През 1708 г. е изградена втора дървена кула, от Джон Рудиърд, която е унищожена от пожар през 1755 г.

През 1759 г. тя е заменена от известната зидана кула на Джон Смитън. Професионалният инженер, въплъщава важен нов принцип в своята конструкция, при който отделните каменни блокове се свързват заедно в преплетена структура. Вместо права конична конструкция обаче, Смитън изгражда кулата с извит профил. Това не само разсейвало част от енергията на вълновото въздействие, но и направило кулата визуално привлекателна. Поради подкопаването на фундаментната скала, кулата на Смитън трябвало да бъде заменена през 1882 г. от днешния фар. Той бил изграден върху съседна част от скалите от сър Джеймс Н. Дъглас. За да попречи на вълните да се разбиват над фара по време на силни бури (проблем, често срещан при кулата на Смитън), Дъглас наредил новата кула да бъде построена върху масивна цилиндрична основа, която абсорбирала част от вълновата енергия. След фарът Едистоун, подобни зидани кули изцяло в морето били изградени и на други места.

Източници на светлина

Огньовете от запалени дърва продължават да се използват до около 1800 година, въпреки че след 1550 г. въглищата са все по-предпочитани в качеството им на по-компактно и по-дълго горящо гориво, особено в Северозападна Европа. Един фар в онези дни можел да консумира 300 тона или повече въглища годишно. Огънят от въглищата бил много по-добър източник на светлина в сравнение с маслените лампи или свещите. Техен общ недостатък обаче бил огромното количество произвеждан дим, който водел до бързо почерняване на стъклените повърхности и отслабване на светлината.

Маслени лампи

През 1782 г. швейцарският учен Ами Арганд (François-Pierre-Amédée Argand) изобретява маслена лампа, чийто постоянен бездимен пламък революционизира фаровете. В основата на неговото изобретение наречено аргандова лампа е цилиндричен фитил, монтиран така, че въздухът да може да преминава както през центъра на фитила, така и около външната му страна, преди да постъпи в цилиндричен комин, което стабилизира пламъка и подобрява въздушния поток. Били разработени аргандови лампи с до 10 цилиндрични фитила. Първоначално те изгаряли рибено масло, по-късно растително масло, а от 1860 г. минерално масло и се превърнали в основен източник на светлина за морските фарове в продължение на повече от 100 години.

През 1901 г. британецът Артър Китсън (Arthur Kitson) изобретява горелка, която по-късно е подобрена от Дейвид Худ (David Hood) и други. Тя използвала керосин разпръснат под налягане, смесен с въздух и изгорен, за да загрее до бяло разположената около пламъка мантия. Тази горелка била 6 пъти по мощна от дотогавашните маслени лампи с фитил.

Газови лампи

Към началото на 20-и век започва употребата на ацетилен, добиван на място от калциев карбид и вода. Това оказва благотворно въздействие върху развитието на технологиите използвани при морските фарове. Шведският инженер и изобретател Нилс Густаф Дален е пионер в приложението му между 1900 и 1910 г. Използван като гориво за открит огън или смесен с въздух в нажежаема мантия, ацетиленът произвеждал светлина равна на тази на маслото. Голямото му предимство било, че процесът можел лесно да се контролира. Така за първи път се появяват автоматичните морски фарове, които не се нуждаят от надзор. Дален прави редица гениални изобретения. Едно от тях е т.н. „слънчев клапан“ – автоматичен клапан, който прекратява подаването на газ през деня. Принципът му на работа се основава на разликата в топлопоглъщащите свойства между матова черна и гладко полирани повърхности. Създаденото диференциално разширение, чрез подходяща механична връзка управлява главния газов клапан. За това си изобретение Дален получава Нобелова награда за физика през 1912 г.

Втечненият пропан-бутан също намира приложение при морските фарове, въпреки че газовите и маслените лампи били изместени от електрическите.

Електрически лампи

Електрическото осветление под формата на въглеродни дъгови лампи започнало да се използва за морските фарове, когато маслените лампи били все още на мода. Първият електрически фар се появил в Саут Форланд, Англия, през 1858 г. последван от редица други. Повечето от тях обаче били отново преоборудвани с маслени лампи, тъй като дъговите лампи били трудни и скъпи за използване. През 1913 г. фарът на остров Хелголанд в Северно море е оборудван с дъгови лампи и огледала, за да излъчва светлина от 38 милиона свещи (кандела), най-мощният фар в света по това време.

Лампата с електрическа нажежаема жичка, която влиза в обща употреба през 20-те години на миналия век, сега е стандартното осветително тяло. Мощността им варира от около 1500 вата за големите фарове до около 5 вата за буйове и малки маяци. Повечето лампи са халогенен тип.

Светодиодните (LED) лампи, които изразходват значително по-малко енергия и са по-лесни за поддръжка, вече намират все по-широко приложение при морските фарове. Дългият експлоатационен живот и високата им ефективност ги правят отличен избор за източник на светлина, като при това може да се запази класическата оптика. В Обединеното кралство и Ирландия над една трета от фаровете вече са преоборудвани със светодиодни лампи.

Оптика

С появата на аргандовите лампи, надежден и стабилен източник на светлина, става възможно да се разработят ефективни оптични системи за увеличаване на интензитета на светлината. Първата система от този тип, известна като катоптрична система, използва параболични рефлектори, които концентрират светлината в лъч. През 1777 г. британският изобретател Уилям Хътчинсън, произвежда първите практични огледала за фарове, състоящи се от голям брой малки фасети от посребрено стъкло, поставени в гипсова отливка, формована в параболична форма. Обикновено за целта се използвали посребрени или силно полирани метални рефлектори. Тяхното състояние обаче бързо се влошавало под въздействието на топлината и корозията. Стъкленият фасетен рефлектор, макар и не толкова ефективен, издържал по-дълго.

Огледалото ефективно концентрирало светлината в ярък лъч, но за да се вижда той от всички посоки, огледалото трябвало да се върти. Така се появява вече познатият въртящ се лъч на фара, чиято светлина се вижда като серия от проблясвания. Моряците не били особено доволни от тези мигащи светлини, аргументирайки се, че фиксираната постоянна светлина е от съществено значение за навигацията. С течение на времето възраженията отпаднали поради силно увеличеният интензитет на светлинния лъч и предимствата от използването на определена последователност от проблясвания за идентифициране на фара. Първият фар с въртящ се лъч се появил при Карлстен, близо до Марщранд, Швеция, през 1781 г.

На 13 април 1821 г. вечерта, по време на публичен спектакъл, френският физик Огюстен Френел (Augustin-Jean Fresnel) представя първия апарат, използващ пречупващите свойства на стъклото (рефракция), сега известен като леща на Френел или Френелова леща. Предимството при този тип лещи е намаляване на теглото и дебелината. Би било почти невъзможно да се направи обикновена леща със същия диаметър и същото фокусно разстояние за голям морски фар поради нейната дебелина и тегло. С редица панели от лещи, въртящи се около лампата, Френел успява през 1824 г. да произведе няколко въртящи се лъча от един източник на светлина, за разлика от огледалото, което произвежда само един лъч. За да намали вертикалното разсейване на светлината, той добавил триъгълни призмени секции над и под основната леща, които едновременно пречупват и отразяват светлината. Така се появила пълната катадиоптрична (комбинираща рефракция и отражение) система  на Френел.

На 25 юли 1823 година Кордуанският фар става първият морски фар използващ Френелова леща. Тя е монтирана под наблюдението и с участието на самия Огюстен Френел. Светлината му се виждала на повече от 20 мили.

Най-големите лещи на Френел се наричат ​​хиперрадиантни (или хиперрадиални). Такава огромна оптична конструкция, висока 3.7 метра, с над 1000 призми е използвана за Makapuʻu Point Light на остров Оаху, Хаваи.

Звукови сигнали

Ограниченията на чисто визуалната навигация много рано довели до идеята за допълнително звуково предупреждение. В началото за целта били използвани оръдия, а по-късно електрически детонирани експлозивни заряди. Понякога зарядите съдържали магнезий, за да осигурят съпътстващ ярък проблясък. Тези сигнали се чували на разстояние до четири морски мили. Използвали се и камбани, като ударникът се задействал от задвижван с тежести часовников механизъм, или от бутало, задвижвано със сгъстен газ (обикновено въглероден диоксид). Някои камбани били, с тегло до един тон. Около началото на 20-ти век са разработени устройства издаващи силни звукови сигнали при мъгла чрез използването на сгъстен въздух (сирени, диафони, тифони). По-мощните от тях можели да се чуят на разстояние до 8 морски мили. Днес за целта се използват електромагнитни излъчватели на звук от мембранен тип – наутофони.

Съвременните морски фарове

Висококачествените стъклени лещи на Френел били изключително модерни и масово използвани за морските фарове в края на 19-и до средата на 20-и век. Днес много от тях са заменени със значително по-евтините и по-издръжливи въртящи се прожектори, чието устройство също често включва Френелови лещи.

Автоматизацията в широки мащаби навлиза при морските фарове след появата на електрическото оборудване и технологии и отпадането на сигналите за мъгла със сгъстен въздух. Автономните фарове са проектирани да работят без необходимост от надзор, като при повреда на някоя от системите автоматично се включва резервна. Състоянието им се следи от център за дистанционно управление чрез наземна, радио или сателитна връзка. Когато е възможно се захранват от електроснабдителната мрежа и разполагат с резервен източник на ел. енергия като дизелови генератори или акумулаторни батерии. Когато се използва слънчева енергия с акумулаторни батерии, батериите трябва да имат достатъчен капацитет, за да осигурят работата на фара през тъмната част на денонощието. В тропическите и субтропичните райони денят и нощта са с приблизително еднаква продължителност през цялата година, но в умерените и полярните райони дните стават по-дълги, а нощите по-къси през лятото и обратно през зимата. В тези райони слънчевата енергия трябва да се използва на база годишен „баланс“, като излишният заряд се генерира и съхранява в големи батерии през лятото, за да може да се използва през зимата. Канада и Норвегия успешно използват слънчева енергия за своите фарове в арктическите региони.