Наземное фотографирование листвы

Эггерт [6.17] использовал методы фотографирования в отраженных лучах в качестве примеров, характеризующих результаты воздействия сухого лета в Германии в 1934 г. На фруктовых деревьях симптомы нарушений ограничивались правильной, четко определенной областью, которая распространялась от кромки листа внутрь. Они отличились от ожогов при опрыскивании тем, что не распространялись в форме пятен по поверхности листа и не ограничивались местами, где разбрызгиваемая жидкость может собираться в капли. Поврежденные части листьев не содержали ни живых клеток, ни пигментов и очень ясно выделялись на инфракрасных снимках и не выделялись на снимках, выполненных в видимом свете. На инфракрасных аэрофотоснимках зоны повреждений, а также уже имеющие место и зарождающиеся дефолиации лесных массивов хорошо определялись.

Бабель [6.5] выполнил обширные основополагающие исследования, касающиеся использования фотографии при обнаружении патологии растений. В случае гаммоза вишневого дерева больные ветви можно было визуально отличать только по форме листьев, тогда как на инфракрасных фотографиях они выглядели темными на более светлом фоне здоровых листьев. В случае огурцов, поврежденных грибком, обычная фотография передает появление пятен более отчетливо, чем инфракрасная. С другой стороны, инфракрасная фотография позволяет обнаружить области темных тонов, не видимые глазом, которые являются результатом некоторых изменений в клетках, вызываемых грибком. По-видимому, в общем случае обычные фотографии листьев, зараженные гриб-ковидными культурами, передают пораженные области более контрастно, чем инфракрасные, однако, если имеется любое изменение в компонентах клетки, инфракрасная фотография будет предпочтительнее. Это подтверждается фотографиями, представленными Бабелем.

При исследовании вирусных заболеваний картофеля Боуден [6.8] обнаружил, что инфракрасная фотография представляет большую ценность. При использовании обычных панхроматических пленок имеются трудности в получении удовлетворительных снимков некротических областей на темно-зеленых листьях при болезнях «полосатости». Однако при использовании инфракрасной пленки некрозы выглядят черными на белом фоне здоровой части листа. Все омертвения, вызванные в картофеле независимо от типа вируса, выглядят одинаково. При фотографировании некрозов, вызываемых в табаке вирусом X, получаются полностью-противоположные результаты. Тоновый контраст между листом и некрозами таков, что последние лучше снимать на панхроматические пластинки, так как на инфракрасных их нельзя отличить от здоровых листьев.

Это различие объясняется тем, что некрозы в картофеле состоят из мертвых клеток, содержащих большое количество продуктов разложения, богатых пектином и, возможно, таннином, а они очень сильно поглощают инфракрасное излучение. С другой стороны, некрозы типа X в табаке содержат только мертвые пустые клетки, т. е. только их стенки, которые отражают инфракрасное излучение так же, как нормальные клетки. При инфракрасном фотографировании можно получить отчетливые фотографии зарождающихся некрозов, едва заметных глазом, и Боуден-выразил мнение, что, помимо использования их для фотографирования признаков болезней, инфракрасную фотографию можно использовать намного шире при определении и дифференцировании химических изменений, фактически совершающихся в живом растении.

На черно-белых снимках листьев, выполненных в видимом свете, вообще крайне трудно различить светло-коричневый и зеленый цвета. Это связано с тем, что коричневый и зеленый цвета листа являются спектрально не очень чистыми, и трудно подобрать пленки и светофильтры для того, чтобы их удовлетворительно различить. Эта тема хорошо рассмотрена в работе [6.4]1 при изучении фотографий живых и мертвых листьев. Использовались лишь панхроматические материалы. Нельзя было вывести общих правил, однако в целом, по-видимому, наибольший контраст получается при использовании панхроматических материалов и темно-красных фильтров, например Kodak Wratten №70 и Zeiss RG5. Экспозиция через эти фильтры ограничивается предельно видимым красным цветом и, по-видимому, обусловливается главным образом светом длинноволновой части области сильного поглощения хлорофилла около 680 им, т. е. той части, где хлорофилл очень прозрачен. Другими словами, этот эффект подобен эффекту, полученному в инфракрасных фотографиях, только в меньшей степени.

Лабораторные исследования

Джексон [6.109] наметил обширные исследования по определению симптомов болезней растений средствами инфракрасной фотографии в отраженных лучах. Он изучал спектры поглощения здоровых и больных листьев и составил диаграмму структуры листа для объяснения различных тонов серого цвета, получаемых на инфракрасных снимках. Из-за содержания воды и других факторов даже здоровые листья поглощают инфракрасное излучение длиной волны больше 900 нм. Поэтому он заключил, что диапазон чувствительности обычной инфракрасной пленки 700— 900 нм является наиболее эффективным при работе, касающейся исследования листьев. Его иллюстрации показали эффективность инфракрасной фотографии для картографирования хлоротических и других областей, вызванных попаданием бактерий. Он также показал, как на степень отражения, проявляемую тканью листьев, влияет высыхание. Однако в некоторых условиях поврежденные места поглощают инфракрасное излучение в большей степени, когда листья сухие, что приводит к выделению патологических областей за счет большего контраста на инфракрасной фотографии.

Гибсон [6.102] проиллюстрировал лабораторные методы черно-белой инфракрасной фотографии в отраженных лучах исследованием очень высокой степени инфракрасного поглощения, которую он обнаружил.в черной, покрытой гнилью области кактуса. Это было обнаружено, когда на инфракрасном снимке одного из образцов было замечено необъяснимое пятно. В его статье шаг за шагом описывается процедура получения исследуемой инфракрасной фотографии, которая привела от пятна к гнилому кактусу. Причина этой черной гнили была не известна. Спороносный слой грибков не прозрачен для инфракрасного излучения, однако нет сравнительных данных, которые могли бы коррелировать с экспериментом по обнаружению гнили на кактусе. Однако, по-видимому, гниль была обусловлена скорее грибком, а не вирусом или бактериями. Невидимое кольцо вокруг поражения черно-пятнистым грибком листьев розы на инфракрасной цветной фотографии воспроизводится желтым, а темный круг — черным [2.66].

Исследования леса и древесных пород. Из практики инфракрасной фотографии хорошо известно, что следует избегать деревянных кассет в держателях пластинок, иначе имеется серьезный риск появления на пластинках вуали, обусловленной инфракрасным излучением, проходящим через дерево. В самом деле, инфракрасные фотографии выполнялись в камере без снятия деревянных кассет, а теневые —по способу, используемому в радиографии, без открывания таких кассет. В работах [6.6, 6.7, 6.11, 6.29, 6.53, 6.54] сообщалось о высокой степени прозрачности дерева; этот вопрос детально был изучен Пратом [6.43, 6.46]. К счастью, в современных кассетах дерево не используется.

Чтобы сравнить пропускание ИК-излучения различными породами дерева, Прат [6.43] изготовил деревянные клинья, расширяющиеся на одном конце от острой кромки до толщины 8— 9 мм на расстоянии 9 см от кромки. Были использованы продольные сечения, а клинья применялись непосредственно как фотометрические клинья в контакте с инфракрасной пластинкой (Agfa 810 Hart). Источником излучения служила лампа Philips Argenta мощностью 150 Вт с баллоном из опалового стекла, работающая при напряжении 120 В, токе 1 А и находящаяся на расстоянии 2 м от клина. Выдержка составляла 6 с. Толщина дерева, при которой была получена заметная плотность почернения на такой пластинке, приведена в табл. 6.1.

В тех же условиях облучения было зафиксировано отсутствие или очень слабое проникновение в тех случаях, когда вместо пластинок, чувствительных к ИК-излучению, использовались чувствительные панхроматические. Образцы дерева, характеризуемые заметным разбросом пропускания инфракрасного излучения, были одинаково прозрачны для рентгеновских лучей. Некоторые из фотографий Прата приведены на рис. 6.7.

Таблица 6.1

Толщина проницаемости дерева к инфракрасному излучению

 

Порода дерева	мм	Порода дерева	мм
Larix europaea (лиственница)	5—7	Carpinus betulus (граб)	2—3
Abies alba (пихта)	6—7	Fagus cilvatica (бук)	3
Picea excelsa (ель)	6	Ulmus sp. (вяз)	(3),1
Alntis gtutinosa (ольха)	5—6	Quercus sp. (дуб)	2
Т ilia sp. (липа)	4—6	Prunus domectica (слива)	1—2
Pinus sp. (сосна)	3—4	Prunus avium (черешня)	1—1,5
Populus sp. (тополь)	4	Juglans regia (грецкий орех)	0,5
Acer sp. (клен)	4

 

Роулинг [6.47] также исследовал прозрачность дерева к инфракрасному излучению в связи с изучением раздвижных кассет. Используя куски дерева толщиной 3 мм и инфракрасные пластинки Ilford, он получил результаты, приведенные в табл. 6.2, взятой из его книги. В 1943 г. Делай и Лёкомт [6.12] опубликовали ко личественные данные, касающиеся прохождения инфракрасного излучения сквозь дерево, которые подтвердили результаты более ранних работ.

Рис. 6.7. Пропускание ИК-излучения различными породами деревьев.

Образцы древесины имели форму темного клина, показанного вверху слева: а, е — Larix europaea; б — Tilia; в — Acer; г — Prunus; д — Juglans regia. (С любезного согласия С. Прата.)

Гибсон (в [2.66]) сфотографировал стебель кларнетового тростника и обнаружил, что он имеет почти одинаковую степень прозрачности в видимой и инфракрасной областях спектра. На инфракрасных снимках отчетливо демонстрировалась плотная структура тростника, которая объясняет его пригодность для изготовления музыкальных инструментов. В другом эксперименте методом, основанным на отражении, была обнаружена возможность проникновения сквозь сучок, представленный на рис. 2.1, до появления тени верхнего шурупа, но не нижнего. Гибсон также сфотографировал янтарную бусинку с карандашными грифелями, помещенными на различной глубине, чтобы обеспечить измерение проникания. Имелось отражение, однако обнаружено и небольшое проникание, связанное с рассеянием от мутных областей янтаря. При просвечивании сучок и бусинка пропускали как свет, так и инфракрасное излучение; последний процесс был относительно-более интенсивным.

Таблица 6.2

Прохождение инфракрасного излучения через дерево

 

Порода дерева	Экспозиция	Фотографическое воздействиее	Отношекие к инфракрасному излучению
Сосна кедровая маньчжурская	1 с на расстоянии	Значительное	Пропускают свободно
Сосновые доски	1,8 м от
Платан	газонаполненной	Незначительное
Самшит	лампы мощностью	»
Бук	500 Вт	Слабое
Желтая сосна	5 с на расстоянии	Значительное
Тасманский дуб	1,8 м	»
Индийский тик	400 с на расстоянии	»	Пропускают
Гондурасское красное дерево	1,8 м	Незначителъное	незначительно
Эвкалипт (Австралия)		»
Английский дуб		Слабое
Криптокария		»	Почти непроз
Пальмерстона			рачны
Ловоа Клайна		»
Эрех черный	2000 с на расстоя-	Никакого
Индийское серебри сто-серое дерево	нии 60 см	»
Ироко тик			Непрозрачны
Хурма		»

Это же справедливо и в отношении чистого балтийского янтаря. Наблюдаемые в видимых лучах пятнышки темных тонов неизвестного происхождения на инфракрасных снимках исчезают. Вероятно, они представляют собой крошечных насекомых или их остатки — хитиновый покров полностью прозрачен для инфракрасного излучения.

Фитопалеонтология. В лигнитных шахтах долины Гейзель около Мерсебурга (ГДР) Вайгельт открыл в среднем эоценовом пласте целую совокупность хорошо сохранившихся ископаемых, включая ископаемые растения. Инфракрасные снимки некоторых из них показали, что они воспроизводятся точно так же, как на подобных снимках воспроизводятся существующие листья [6.17, 6.20]¹. На таких снимках они выглядели светлыми, тогда как при фотографировании в видимой области спектра — темными.

 

Рис. 6.8. Инфракрасные микрофотографии угольных срезов.

а — поперечный срез Lepidodendrom Vasculare; 6 — поперечный срез древесины Cordaites; в — Catamites; г — Lyginopteris oldhamia. (С любезного согласия Ф. Мартина-Дункана.)

 

В 1935 г. Валтон [6.56] опубликовал несколько фотографий, которые показали, что инфракрасная съемка может представить значительную ценность для угольной петрологии. Обработка для переноса ископаемых растений, особенно каменноугольного периода, изменяет их прозрачность к свету; некоторые из них становятся настолько непрозрачными, что затрудняют микрофотографирование. Однако некоторые растения прозрачны к инфракрасным лучам; инфракрасная микрофотография позволяет сделать невидимые детали видимыми. Подобные результаты достигнуты различными исследователями. Уолкер и Слатер [6.55] утверждали, что выполнили много сотен подобных снимков, доказывающих практичность данного метода.

Таблица 6.3

Инфракрасная люминесценция и отражательная способность образцов угля

Образец	Инфракрасная люминесценция	Отражение ИК-излучения
Питсбургский витрен	Низкая	Интенсивное
Питсбургский уголь	Высокая	Умеренное
Антрацит	Нет	Интенсивное
Лигнит	»	»
Асфальтин твердый	Высокая	Умеренное
Асфальтин в бензоле	Очень высокая	Низкое
Графит	Нет	Умеренное

Они обнаружили, что угольные срезы состоят из неоднородной смеси веществ следующих цветов: белого (пустые пространства), ярко-желтого (споры и катикулы) и непрерывных рядов оттенков от бледно-красного до темно-красного и черного (витрен, фюзен и др.). При использовании панхроматических пленок для фотографирования таких срезов с помощью микроскопа очень сильно увеличивается цветовой контраст, в то время как при инфракрасной съемке он воспроизводится удовлетворительнее, давая более реалистическую картину. Однако в определенных случаях панхроматические пленки являются более предпочтительными, например при фотографировании структуры клеток в витрене, где они могут быть не желтыми и не белыми и где желателен контраст.

В 1941 г. Мартин-Дункан на выставке в Королевском фотографическом обществе продемонстрировал серию инфракрасных снимков угольных срезов. Некоторые из них представлены на рис. 6.8. На них отчетливо видны тонкие детали структуры в относительно толстых плотных темно-коричневых срезах стеблей ископаемых растений каменноугольного периода из угольных пластов Йоркшира и Шотландии.

Были проведены также люминесцентные исследования [6.99— 6.101]. Когда люминесцировал сучок тсуги (рис. 2.1), свечение было наиболее ярким в плотном центре. Пластичная древесина, использованная для ремонта трещин сучка, отражала инфракрасное излучение относительно сильнее, чем он его испускал. Бусинка мутного балтийского янтаря сильно люминесцирует, указывая на возможный путь определения подделки янтаря.

Гибсону при работе с образцами, предоставленными Фриделем [6.91], удалось различить виды угля по инфракрасному отражению и люминесценции. В табл. 6.3 приведены первые результаты. Характеристики отражения ИК-излучения приведены для оказания помощи при различении.

ОБЩАЯ ПАЛЕОНТОЛОГИЯ

Инфракрасная фотография в отраженных лучах имеет преимущества при получении изображения некоторых ископаемых в дополнение к перспективе, открываемой люминесцентным методом. Во многих известных работах исследовали ископаемые остатки животных в угле. ИК-излучение может проникать через слой лигнина [6.18, 6.56]. Другие составляющие угля не только обладают проницаемостью, но и поддаются спектральному различению. Это, в частности, справедливо (как обнаружил Эггерт) для палеоботанических образцов, у которых ископаемые листья воспроизводятся в светлых тонах, подобно живым листьям. Харрис и Латам [6.107] представили серию интересных сравнительных фотографий ископаемых в Кейтнессе (камне-плитняке). Их лучшие результаты получены при использовании поляризационных фильтров. Механизмами, которые обусловили хорошие результаты при использовании поляризационных фильтров, вероятно, являлись проницаемость слюды и частичное подавление блеска от ее пластиночек. Эти авторы утверждали, что кливлендский сланец ведет себя таким же образом. Они также обнаружили, что погружение слюдяных образцов в монобромнафталин улучшает контраст между объектом и матрицей. Мутшке [6.119] использовал подобный способ независимо от них.

Инфракрасная фотография была применена с определенной долей успеха к исследованию ископаемых животных, обнаруженных Вайгельтом [6.134] в лигните Гейзельталя. Эти плодородные отложения включали остатки палеогиппопотама, крокодилов, черепах, птиц, змей, жаб, лягушек, амфибий, похожих на летучих мышей, сумчатых и саламандр, а также рыб, крабов, улиток и насекомых. Вайгельт [6.134] детально описал операции по сохранению и приготовлению больших и макрофотографических образцов. Парафиновый и ацетоновый лаки использовались для охранения матриц от раскалывания и крошения. Особенно полезным в случае меньших по размеру образцов был метод лакировки: эн повышал доступ к ним инфракрасного излучения. Прямое и отраженное освещение использовалось для панхроматической и инфракрасной фотографии в зависимости от того, фотографирова-шсь ли тоновые и цветные детали, или необходимо было под-[еркнуть структуру поверхности. Некоторые из образцов подверглись радиографии.

Были также опубликованы снимки ископаемых лягушек из 'той местности ([6.17—6.19]; на них с помощью инфракрасного [злучения воспроизводились элементы, которые нельзя было увидеть вообще или которые обнаруживались только с большим трудом на снимках, выполненных в красном цвете. Было высказано предположение, что успех инфракрасного метода связан со способностью излучения проникать через находящийся сверху слой лигнита, и это, по-видимому, находится в согласии с наблюдениями, выполненными на тонких срезах угля другими исследователями.

Несколько экспериментов с углеродистыми ископаемыми было выполнено Гибсоном [2.78, 6.98, 6.100]. Он нашел, что они выглядят темными как на панхроматических, так и на инфракрасных снимках. Ископаемый таракан (Etablattlna sp.), например, в подстилающей глине выглядел одинаково четким (или мутным) на обоих снимках. Однако ряд особенностей некоторых матриц может обеспечить разделение тона. Например, образцы из отложения Грин-Ривер визуально выглядят достаточно яркими; в инфракрасном излучении очень светлые области смягчаются. Методика, принятая в этих и подобных экспериментах, как это часто бывает, состоит в том, чтобы сделать ряд пробных снимков. Часто возможности инфракрасной фотографии непредсказуемы.

Боулер включил рассмотрение инфракрасной фотографии в свою статью ([6.80]. Он показывает снимок ископаемого жука (Южная Африка), который воспроизводится темным при съемках в инфракрасных отраженных лучах в основном потому, что матрица выглядит почти белой.

Роадс и Стенли [6.125] обнаружили, что инфракрасная фотография срезов отложений толщиной менее 6 мм дает определенную информацию об их залегании, норах животных и размере зерна. Это являлось дополнением к информации, полученной с помощью рентгеновской радиографии и других методов. Такой анализ был очень чувствителен к небольшой разнице в содержании органических веществ. Данный метод также имеет преимущество за счет своей простоты и быстроты выполнения. Отвердевшие отложения просто разрезали. Неотвердевший материал насыщали водой, замораживали, прессовали, разрезали, оттаивали и затем делали твердым с помощью растворимой в воде эпоксидной смолы. После отвердевания образцы доводились до соответствующей толщины для фотографирования в проходящих лучах.

Рольф [6.129] представил обзор по использованию инфракрасной фотографии в палеонтологии; в нем приводятся цитаты и ссылки на работы большинства исследователей, работавших в этой области.

Люминесценция ископаемых

Гибсон [6.99] обнаружил перспективность люминесцентной методики. Ископаемый рак Eryma leptodactylina (юрский период, Соленхофен, Бавария, известняковая матрица) был прозрачен для инфракрасного излучения, но сильно люминесцировал.

Рис. 6.9. Слева непосредственно над шариком подшипника можно видеть почти черную, состарившуюся при хранении поверхность образца нефтяного сланца (формация Грин-Ривер, Гарфилд, шт. Колорадо); более светлая, недавно отколотая поверхность содержит неопознанное ископаемое.

а - инфракрасное изображение сланца; б - снимок в инфакрасных отраженных лучах, который имеет такие же относительные тоновые величины, как и визуальное изображение; в - на инфркрасном эмиссионном снимке тоны сменились на противоположные из-за люминесценции состарившейся поверхности, ках связаны с прямым отражением света.)

 

Из-за хорошо известной прозрачности хитинового покрова в инфракрасной области некоторые авторитеты полагали, что ископаемое может быть сдавленным внешним скелетом. Однако опыты показали, отсутствие люминесценции у нескольких из наших современных насекомых и ракообразных особей. Это говорит об отпечатке минерала и также указывает на неразрушающий метод проверки. Кроме того, было обнаружено, что некоторые ископаемые матрицы и выдержанная поверхность нефтеносного сланца люминесцируют (рис. 6.9). Однако матрица торфяного дегтя не люминесцирует, как и жуки, внедренные в нее. См. табл 6.4.

 

Таблица 6.4 Инфракрасная люминесценция биологических веществ
Вещество	Инфракрасная люминесценция	Отражение ИК- излучения
Физиологическое
Здоровая кожа	Сильная	Сильное
Здоровая кровь (человека), in vitro	Нет	Слабое
Кость, кортикальная, старая	Умеренная	Сильное
губчатая старая		»
кортикальная молодая	Слабая	Умеренное
губчатая молодая	Очень слабая	»
Зуб, старый	Сильная	»
Артерии стенка	Слабая	Слабое
выстилка	Сильная	»
Мозговое вещество надпочечника	Очень слабая	Умеренное
кора	Сильная	»
Аорта, выстилка	Умеренная	»
Селезенка	»	Слабое
Почка	Нет	Умеренное
Миокард щитовидной железы	»	Слабое
Биохимическое
Хлорофилл	Очень сильная	Нет
Некоторые желтые растительные пигменты	Нет	?
Ткань листьев	»	Сильное
Билирубин в порошке	Сильная	Умеренное
Биливердин в порошке	Нет	Очень слабое
Холестерин	Очень слабая	Сильное
Тиамин	»	»
Мочевина	»	»
Хитин	Нет	Прозрачен
Минералы
Гидроксиапатит кристаллический	»	Умеренное
Мел (Довер)	Умеренная	Сильное
Фосфат кальция	Очень слабая	»