Saturday, 7 September 2013

Tulenliekkinä saavuit kerran...



 Kuvasta näkee selvästi, kuinka nopeasti näkyvän liekin yläosassa olevat nokihiukkaset jäähtyvät niin, että eivät enää hehku. Liekin ilmavirta on hyvin laminaarista, josta syystä liekin reunoilla hehku loppuu kirkkaana kuin veitsellä leikaten. Hehkun ulkopuolella ei yksinkertaisesti vain ole nokihiukkasia.

Elmo Lehtelä, 6 v. kyseli Hesarin tiedepalstalla 7.9.2013 "Miksi tuli on keltaista?". Turun yliopiston teoreettisen fysiikan dosentti Iiro Vilja vastasi.

"Tulenliekki näyttää tosiaan usein kirkkaan-, vaalean- tai oranssinkeltaiselta. Tuli voi olla kuitenkin myös punainen, oranssi, valkoinen, sininen tai jopa vihreä.

Tulenliekin väri riippuu liekin kuumuudesta ja palavasta aineesta. Liekin kuumin kohta on valkoinen ja viileämmät kohdat keltaisia, oransseja tai punaisia. Hyvin kuumassa lämpötilassa palavat aineet, esimerkiksi hitsauskaasut, palavat sinisellä tai lähes valkoisella liekillä.

Tavallisen kynttilän, tulitikun tai takkatulen liekki on yleensä keltainen tai oranssinkeltainen. Kellertävä väri johtuu pienenpienistä nokihiukkasista, jotka syntyvät kynttilän, puun tai tulitikun palaessa. Noki puolestaan koostuu lähes kokonaan hiilestä.

Kellertävää liekkiä tarkasti katsomalla kuitenkin havaitsee, että siinä on yleensä erivärisiä kohtia. Kuumimmissa kohdissa väri on valkoinen, viileämmissä se on keltainen, oranssi tai punainen.

Keltainen liekki syntyy myös natriumin palaessa. Natriumia sisältyy tavalliseen ruokasuolaan, mutta sitä käytetään myös esimerkiksi ilotulitteissa."

Vastaukset kysymyksiin, jotka edellyttävät  lapsen käsityskyvyn ylittäviä tietoja ja käsitteitä, ovat tietysti haasteellista. Ei se kuitenkaan tarkoita sitä, saa kertoa selkeätä potaskaa – siis kaliumkarbonaattia.

Kolme ensimmäistä virkettä menee vielä jotenkuten, mutta sitten tulee vaikeuksia. Hehkuvan kappaleen lämpötilalla ja hehkun värillä on toki yhteys. Valon aallonpituusjakauma on siirtyy punaisesta siniseen päin lämpötilan kasvaessa. Tähtien värit ovat hyvä esimerkki tästä. Valkoisten tähtien lämpötila on suunnilleen sama kuin omalla Auringollamme, eli noin 5500 astetta. Aurinkoamme kylmemmät tähdet ovat punaisia, lämpimämmät sinisinä.

 Kuva: Lincoln Harrison
Tähtien värin perusteella voidaan arvioida niiden pintalämpötiloja.

Kun tiedetään, että kynttilän liekin lämpötila on noin 1000 astetta, niin jokin ei täsmää. Kynttilän liekin lämpötilan pitäisi olla paljon kuumempi, jotta sen keskustan valkoisuus johtuisi lämpötilasta. Erityisen paljon kuumempi pitäisi olla liekin alaosan sinisen alueen, jos sekin väri johtuisi lämpötilasta.

Ihmisen silmä on varsin huono instrumentti havaitsemaan valon värejä, jos valo on liian kirkasta. Emme me korkealla taivaalla olevan Auringon  väriäkään pysty kunnolla näkemään, koska Aurinko on niin kirkas. Silmän värinäkö "ylivalottuu", palaa puhki, kuten valokuvaajat asian ilmaisevat.

Sama pätee kynttilän valoon. Liekin keskiosassa hehkuvien nokihiukkasten tiheys on niin suuri, että niiden kirkkaus on liikaa näköaistin värinäölle. Siksi kynttilän liekin keskusta näyttää valkoiselta. Kun kameralla otetaan kuva kynttilän liekistä tarpeeksi vähän valottaen, niin liekin keskiosankin väri saadaan näkyviin. Se on punainen-keltainen, kuten sen lämpötilan perusteella kuuluukin olla.

 Liekin lämpötilajakaumasta voidaan päätellä jotain tämän vähän valotetun kuvan avulla. Silmä ei kykene näkemään kynttilän liekkiä ainakaan ilman suodattimia tai muita optisia apuvälineitä tällä tavalla. Keskellä on keltaisempi alue, jossa liekin lämpötila on kuumempi kuin muualla liekissä.

Siihen, miltä liekki näyttää kuvassa, vaikuttaa kaksi muuttujaa. Lämpötilasta riippuva liekin aallonpituujakauma eli väri sekä lämpötilasta että hehkuvien hiukkasten tiheydestä riippuva liekin kirkkaus. Siksi kuvasta ei voida aivan suoraviivaisesti päätellä lämpötilaeroista liekin eri osissa. Liekkiä reunustava tummanpunainen rantu lienee kuitenkin kylmintä liekin osaa, mikä ei sinänsä ole mitenkään  yllättävä kuvasta tehty johtopäätös. Kuva kannattaa klikata suuremmaksi, niin eri väriset ja kirkkauksiset alueet erottuvat paremmin.

Valon väri voi syntyä myös toisella mekanismilla kuin hehkusta. Palamisen energia virittää palamisessa mukana olevien aineiden elektroneja. Kun viritystila purkautuu, niin aine säteilee viritystilan "energian" eli aallonpituuden mukaista valoa, mikä tarkoittaa tietyn väristä valoa. Hiilivetyjen palaessa merkittävin näkyvä ns. karakteristinen aallonpituus on noin 430 nanometriä, mistä johtuu liekissä näkyvä sininen väri. Kaasumaisia hiilivetyjä, kuten vaikka nestekaasua poltettaessa tämä on käytännössä ainoa liekin väri, jos kaasu palaa puhtaasti. Epäpuhtaassa palamissa syntyy nokea, joka taas saa aikaan hehkun keltaisen liekin kaasujenkin palaessa.

Kuva: Wikepedia
 Nestekaasun valon aallonpituusjakauma. Sininen väri johtuu voimakkaasta CH-karakterisesta piikistä.

 Lähikuvassa nähdään kaksi valonmuodostustapaa. Sydänlangan pää hehkuu paikallisesta lämpötilasta riippuen punaisena tai keltaisena. Liekin reunassa oleva sininen hehku on hiilivetyjen karakteristista säteilyä. Sitä on muuallakin liekissä, mutta hentona se ei erotu hehkusta syntyvän liekin valosta.

Natrium on ihan oma lukunsa. Sitä kun harvemmin poltetaan, sen verran reaktiivisesta aineesta on kysymys. Toki sitä voidaan polttaa ja veteen heitetty natrium reagoi niin kiivaasti, että reaktiolämpö sytyttää natriumin palamaan. Osa palavasta aineesta on kuitenkin natriumin ja veden reaktiossa vapautuvaa vetyä. Sen lisäksi palamisreaktiokin on niin kiivas, että liekin kirkkaudelta ei natriumin keltaista väriä pysty erottamaan. Liekki näyttää valkoiselta.  Tätä koetta tein monia kertoja ollessani vielä opetustyössä ja kun kouluissa sai säilyttää vähän ärtsympiäkin kemiallisia aineita. Ymmärtääkseni metallinen natrium on nykyään kiellettyjen aineiden listalla.

Natriumin palamista ja etenkin palamista keltaisella liekillä harva on nähnyt. Kouluissakin sen sijaan tehdään ns. liekkireaktioita, joissa mm. natriumsuolaa kuumennetaan bunsenliekissä. Silloin nähden suolan metalliosan karakteristiset värit, mikä natriumille on kirkkaan keltainen. Myös rakettien natriumin värit tulevat natriumsuoloista, ei palavasta natriumista. Saman värin saattoi nähdä vielä joitakin aikoja sitten niissä katuvaloissa, joissa käytettiin matalapainenatriumlamppuja. Niiden valo oli täysin yksivärisen keltaista, mistä syystä niistä on pikku hiljaa luovuttu, vaikka ne muuten olisivatkin hyvin energiatehokkaita valon tuottajia.

 Eri metallien liekkireaktioita. Natrium vasemmanpuoleisena. Kyseessä ei ole siis palaminen vaan kullekin aineelle tyypillinen viritystilojen purkautumista seuraavan säteilyn väri.

Dosentille antaisin vastauksesta auskultooineen aineenopettajan valtuuksilla arvosanan 6. Hesarille sen painamisesta ilman mitään kontrollia lehteen korkeintaan 5-.

 Sakarin kommenttiin liittyvä kuva minun värillisestä led-lampustani. Tämän mukaan sininen olisi kirkkain ja punainen vähiten kirkas. 


Netistä kaapattu kuva, joka havainnollistaa aallonpituusjakaumia. Jos halutaan simuloida aauringonvalon kaltaista valkoista valoa, niin on aika ymmärrettävää, että RGB-komponentit eivät ole yhtä intensiivisiä, koska ne eivät auringonvalossakaan ole sitä. Tutkailen asiaa vähän syvällisemmin itseni ja poikkitiedepalstan lukijoiden iloksi lähtitulevaisuudessa. Väri on monimutkainen juttu, ettei se ole selvinnyt yhdellä gradulla vielä edes minulle.

ps. Myöhemmin illalla. Alla oleva kuva on otettu 3 aukkoa puoleen ja toiseen haarukoiden. Liekit vaihtavat muotoaan niin nopeasti, että niistä ei saa mitään järkevää HR-kuvaa.

 

Tuleen tuijottelu on hypnotisoivaa. Kuvattu kymmenkertaisesti hidastaen. Siniset liekit ovat Solventolista.

19 comments:

  1. Jotenkin vaikuttaisi siltä, että sekä dosentti että poikkitieteilijä ovat osin unohtaneet sen yksinkertaisen seikan, että "valkoinen" EI ole spektrin värejä, eikä valkoinen myöskään esiinny hehkuvan kappaleen säteilyn värinä. Tähtien värit riippunevat paitsi lämpötilasta, myös uloimman kaasukehän alkuaineiden reaktioista ja viritystiloista.

    Valkoinenhan on fysiologinen juttu, aistimme värin neutraalina, kun aistimiemme päävärien intensiteetit ovat suunnilleen samat. Sen aistihavainnon perustana voi olla hyvinkin monenlainen valon aallonpituusjakautuma.

    Värioppihan on sikäli sekavaa kaiken kaikkiaan, että on yksi asia, mitä aallonpituuksia kohteesta lähtee, ja sitten toinen asia, mitä värejä havaitaan.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Ymmärtääkseni sen paremmin Turun päivystävä dosentti kuin minäkään emme ole missään yhteydessä väittäneet valkoisen olevan spektrin väri. Joten tämä mennee olkinukke-argumenttien kategoriaan.

      Onko valkoinen väri vai ei? Siitä on ainakin kahdenlaista koulukuntaa. Minusta se on ihan samanlainen väriaistimus, kun mikä tahansa muu väriaistimus. Aivomme kokevat tietyn aallonpituusjakauman valkoisena ihan samalla tavalla kun ne kokevat tietyn aallonpituusjakauman vaikka keltaisena. On aivan samantekevää väriaistimuksen suhteen, koostuuko aistimus valon jatkuvasta spektristä kuten auringonvalossa vai kolmesta epäjatkuvasta piikistä, kuten esim. ledeillä saadaan aikaan valkoista valoa.

      Tähtien värit, siis sellaisina kuin silmä ne näkee, eivät riipu juuri muista tähden ominaisuuksista kuin sen aallonpituusjakaumasta eli siis lämpötilasta. Alkuaineiden aiheuttamat absorptioviivat ovat niin epäolennaisia valon väriaistimuksen suhteen, että sitä ei tarvitse ottaa huomioon.

      Ei valkoinen ole sen enempää fysiologinen juttu kuin värit ylipäänsä. Ne ovat aistimuksen tulos aivoissamme. Sen sijaan päävärien suhteissa Sakari menee (vastoin tapojaan) tällä kertaa enemmän luulemisen heikoille kuin tietämisen teräsjäälle. Päävärejä ei suinkaan sekoiteta intensiteettien tasasuhteissa, kun halutaan sekoituksena valkoista. Esimerkiksi televisiossa on käytetty RGB-värien intensiteettisuhdetta 3:6:1. Ledien intensiteeteillä voi olla muitakin suhteita ledien aallonpituuksista riippuen, mutta samoja ne eivät missään ole.

      Minulla on lamppu, jolla saa RGB-päävärit, niiden CMY-vastavärit ja kauniin neutraalilta näyttävän valkoisen kolmen ledin avulla. Mittasin huvikseni kunkin lampun valotusarvot sekä Canon Mark II:n valotusmittarilla että kahdella Gossenin valotusmittareilla. Ne suhtautuivat värivaloihin vähän vaihdellen, mutta sain eri suhteet kuin mitä yleensä annetaan RGB-värien intensiteettien suhteiksi. Minulla RGB-suhteet olivat keskiarvona suunnilleen 1:2:3. Siis sininen olisi kirkkain. Tätä vahvisti myös ottamani valokuvat, niistä tehty harmaasävykuva, josta mittasin kaikkien vaaleusarvot. Ne olivat yhdensuuntaiset mittausten kanssa.

      Mittausvälineet olivat mitä olivat, mutta sen sitä näkemystä ne vahvistavat, että värien intensiteetit eivät ole lähellekään samat, jos niitä yhdistämällä halutaan valkoista.

      Delete
    2. Näinpä, lienet oikeassa. Olen tainnut katsella liian paljin Photoshopin nuemroita....

      Delete
    3. Oikeassa oleminen ei ole se "juttu" (vaikka joku voisi meikäläisestä toistakin väittää), vaan tiedon ja näkemyksen avartaminen. Silloin on paljon hyödyllisempää, että joku valistaa ja kertoo jotain, mitä en joku ollut tiennyt tai kuvitellut asian olevan ihan toisin. Vaikka väärässä oleminen joskus karvaalta tuntuukin.

      Delete
  2. Kiitos.
    Mistäköhän löytyisi (kuka tekisi) kynttilän liekin spektri. Useat www-sivut kertovat, että kynttilän liekki on esimerkki mustan kappaleen spektristä. Kai siinä näkyy ainakin tuo sinisen värin piikki.

    M

    ReplyDelete
    Replies
    1. Musta kappale on idealisointi. Siinä ei esimerkiksi oteta huomioon lainkaan sitä, mitä ainetta musta kappale on. Veikkaisin kuitenkin, että kynttilän sydänlangan hehku on aika lähellä mustan kappaleen jakaumaa. Sen erottaminen liekistä voi olla vain aika hankalaa noin mittausteknisenä operaationa.

      Delete
  3. Kiitos Timo. Hyvä juttu. Liekin värin aistimista en ole koskaan tullut näin tarkasti miettineeksi. Hesarin tiedepalsta nyt on normaalia Hesarin tiedettä.
    KKS

    ReplyDelete
  4. Oletko koskaan ajatellut mennä kirjoittajakurssille. Tekisi varmaan hyvää sullekin. Sen verran paljon on kirjoitus- ja kielioppivirheitä teksti pullollaan ja muutenkin kömpelöä kieltä.

    ReplyDelete
  5. Varmaan sinulla on antaa jokin vinkki sopivista. Vaikka nimellä, osoitteella ja päivämäärillä varustettuna. Helpottaisi kovasti laittaa paperit sisään, kun tietäisi, milloin ja minne.

    ReplyDelete
  6. Blogin pitäjä tuntuu olevan tosikko ja herkkähipiäinen. Valokuvaajablogisteille ei mitenkään poikkeuksellista. Toisia ollaan kyllä arvostelemassa, mutta itse ei kestetä pienintäkään kriittistä kommenttia.

    ReplyDelete
  7. Miten tuon nyt ottaa. En ole sulkenut blogiani, vaikka välillä lunta tulee tupaan ikkunoista ja ovista (blogiin ja suoraan sähköpostiin, puhelimella ei kukaan ole vielä häirinnyt). En ole myöskään moderoinut muutamia suoranaisia haistatteluja lukuunottamatta minua arvostelevia kommentteja, en edes nimettömiä.

    Jos kriittiseen kommenttiin vastaaminen muuten kuin hattu kourassa nyökytellen katsotaan kritiikkiä kestämättömäksi, niin sittenhän olen kritiikkiä kestämätön. Venäjällä on sanonta, että kunhan vain syyllinen ensin löydetään, niin kyllä sille sitten rikos keksitään.

    ReplyDelete
  8. Ihme valittaja. Eihän täällä tarvitse käydä, jos kirjoitukset noin ärsyttävät. Tai sitten ehdotus poikkitieteilijälle: tuollaiset kommentit pois vaan, ei niitä täällä tarvita.

    ReplyDelete
  9. Blogit toimivat monille myös Leelian lepotuolina. Koirat haukkuu, karavaani kulkee. Joskus sitä kulkemista on suorastaan vaikea havaita ilman koirien haukkumista. Kuten olen useasti sanonut, haistattelut yms. moderoidaan, muihin oman pahan olon purkamisiin olen suhtautunut aika rasvanahkaisesti.

    ReplyDelete
  10. Ok, tämähän on sinun blogisi. Saisikohan tähän kytkettyä jotenkin ns. "merja"-filtterin, jolla tuollaiset jäisivät pois näkyvistä?

    ReplyDelete
  11. juha Vastarannankiiski10 September 2013 at 13:42

    Menee blogin aiheesta pahasti sivuun, mutta haluan sanoa näihin kommentteihin liittyen, että kiitos jälleen Timolle mainiosta jutusta. Kirjoitus- ja kielioppivirheet eivät ole tämän blogin tarinoissa koskaan minua häirinneet, teksti on mielenkiintoista ja mukavaa lukea. Negatiiviset kommentit juttuihin tuntuvat olevan pääosin oksennusta, paha olo aiheutuu selvästikin jostain muusta kuin tästä blogista, mutta aina roiskuu, kun rapataan, niin kai se on. Ja tietysti värikkäät sanankäänteet ja kärjistävät kannanotot asioihin saavat fanaatikot toitottamaan vastineeksi omaa ainoaa totuuttaan, mutta asiallinen kritiikki tuntuu useimmiten saavan arvoisensa vastineen. Erittäin mukavaa luettavaa, jatka samaan malliin!

    ReplyDelete
  12. Toiseksi ylin kuva antoi hauskan "Déjà vu"n, van Goghin "Starry Night" se siinä killuu ;D Kiitos!

    ReplyDelete
  13. tulitanssi oli hieno, siinä oli taidettu nähdä aika paljon vaivaa,
    ja löytyi hienosti eri soittimien roolit lieskoista!
    mistähän löytyisi kuvia kun pronssin sulatuksen yhteydessä kärähtää seoksesta messinkisiä? vihreitä liekkejä? oikeita vihreitä liekkejä on hankala löytää netistäkään, enkä tohdi sytytellä itsekseni mitään.
    kiinnostava blogi, kiitos tulitanssista!

    ReplyDelete
  14. Kiitos, hyvää yleistajuista juttua.

    ReplyDelete