Fototrooppista Pohjolan pakkasissa

Pakkasten vielä jatkuessa, mutta auringon paistaessa jo välillä aika kirkkaasti me itsestään tummuvien silmälasien käyttäjät emme voi olla huomaamatta seuraavaa ilmiötä. Lasit tummuvat parhaiten keväthangilla, kirkastuvat autossa, mutta kotona sisällä saattavat taas tummua. Miksi näin?

Itsestään tummuvat eli fototrooppiset silmälasit ovat periaatteessa aurinkolasit ja tavalliset silmälasit yhdessä. Ne tummuvat kirkkaassa valossa ja kirkastuvat valon määrän vähentyessä.

Nykyisin fototrooppisia silmälaseja osataan tehdä kevyisiin muovilinsseihinkin, mutta niiden fotokemiallien toimintaperiaate on hyvin yksinkertainen ja pysynyt suunnilleen samanlaisena siitä asti, kun fototrooppiset lasimateriaalit keksittiin 1960-luvun puolessa välin. Linssimateriaalissa on jotain hopeahalogeenisuolaa, kuten hopeabromidia. Valon vaikutuksesta tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa hopea-ioni pelkistyy hopeaksi ja bromi-ioni hapettuu bromiksi.

Kysessä on kvanttifysiikasta tuttu valosähköinen ilmiö. Sama asia,josta Albert Einstein sai Nobelin palkinnon vuonna 1921. Vastoin usein esiintyvää värää käsitystä hän ei siis saanut sitä suhteellisteoriasta, vaikka olisi kyllä ansainnut sen siitäkin.

Lasin tummuminen johtuu pienistä, vain muutaman atomin sisältävistä hopeakiteistä, joita pelkistynyt hopea muodostaa. Ne imevät tehokkaasti itseensä niihin osuvaa valoa. Ilmiö on periaatteessa aivan sama, mikä tapahtuu perinteisessä valokuvauksessa filmin emulsiossa valotettaessa ja myöhemmin filmiä kehitettäessä. Vain sillä erolla, että silmälasien materiaalin sisällä reaktioaineet ovat suljetussa tilassa ja siksi reaktio tapahtuu koko ajan molempiin suuntiin eli se on reversiibeli. Merkkinä siitä kemiallisessa reaktioyhtälössä on molempiin suuntiin osoittavat nuolenkärjet.

Reversiibeli kemiallinen reaktio on ns. tasapainoreaktio. Se tarkoittaa, että reaktio asettuu tasapainotilaan, jossa reaktion nopeus molempiin suuntiin on yhtä suuri. Tasapainotilan kohta voi riippua monista ulkoisista olosuhteista.

Valokuvausta harrastavat (niin filmillä kuin digillä) tietävät hyvin, että valotusaika ei juurikaan riipu lämpötilasta. Jos valoa on tietty määrä, niin valotusarvot ovat samat riippumatta siitä, onko kuvauspaikalla helle vai paukkuva pakkanen. Sen sijaan filmejä itse kehittäneet fossiilit kuten minä jouduimme usien karvaasti huomaamaan, että prosessin tärkein työkalu on lämpömittari. Jo muutaman asteen heitto optimilämpötilasta pilaa filmin kehityksen, liian lämmin kehite tekee ylivalottuneen, liian kylmä alivalottuneen negatiivin.

Vastaavasti itsestään tummenevien silmälasien tummuminen eli hopea-ioninen pelkistyminen ei riipu juuri lainkaan lämpötilasta, ainoastaan valon määrästä ja laadusta. Mitä enemmän valoa ja mitä enemmän siinä on lyhytaaltoista UV-valoa, sitä nopeammin lasit tummuvat.

Käänteinen reaktio eli hopean hapettuminen takaisin ioniksi on energiaa luovuttava eli endoterminen ja tapahtuu se tapahtuu itsekseen, mutta sen nopeus riippuu lämpötilasta. Mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeammin tapahtuu hopean hapettuminen ja sitä enemmän reaktion tasapaino siirtyy lähtöaineiden puolelle. Lasit tummuvat nopeammin, mutta vähemmän.

Nämä kaksi reaktioon keskeisesti vaikuttavaa tekijää selvittävät itsestään tummuvien lasien käyttäytymisen eri tilanteissa.

Keväisillä hangilla valossa on paljon UV-säteitä, koska ilmassa ei ole juurikaan UV:tä tehokkaasti imevää pölyä ja lumi heijastaa suurimman osan siihen osuvasta valosta. Ilman ja niin ollen myös lasien lämpötila on alhainen. Vuoristo-olosuhteissa molemmat reaktion tasapainoa reaktiotuotteiden eli metallisen hopean suuntaan painavat tekijät vielä korostuvat. Lasit tummenevat paljon.

Pakkasella lasit ovat yleensä hyvin tummat pilviselläkin säällä. Lapissa kylminä keväisinä öinä tunturissa hankikannoilla hiihtäneet ovat kertoneet fototrooppisten lasien tummentuneen jopa kuutamolla.

Auton ikkunat ovat pienet ja ne läpäisevät huonosti auringonvalon lyhyitä aallonpituuksia, jolloin auton sisällä on valoa vähän ja se ei ole kovin energeettistä. Lisäksi lämpötila autossa ei yleensä ole ainakaan pakkasen puolella. Avoautossa tilanne saattaa olla aivan toinen kaikkien kolmen tekijän osalta.

Asunnoissa käytetty ikkunalasi sen sijaan saattaa olla lasilaadusta riippuen hyvinkin runsaasti valon lyhyitä aallonpituuksia läpäisevää. Lisäksi jotkut loistelamppumallit saattavat päästää lävitse jonkin verran sitä lyhytaaltoista säteilyä, joka saa lampun sisäpinnalla olevan loisteaineen loistamaan. Näin itsetummenevat lasit voivat tummua sisätiloissa sekä päivän- että keinovalossa ja ainakin niiden kirkastuminen on selvästi hitaampaa päässä pidettäessä kuin jos ne laitettaisiin hetkeksi vaikka taskuun.

Lasien tummuminen talvella ja kesällä. Lasit otetaan pimeästä ja laitetaan katkoviivan kohdalla takaisin pimeään molemmissa tilanteissa saman ajan (noin 3,6 min) jälkeen. Pystyakseli kertoo valon imeytymisprosentin laseihin eri aikoina lasien tummuessa ja vaalentuessa. Kesällä ja talvella lasit tummuvat suunnilleen samalla nopeudella, mutta kesällä vain vähemmän. Talvella sen sijaan lasit kirkastuvat hitaammin valon vaikutuksen loppuessa.