Miksi ruska värikyllästyy auringonpaisteessa?

Alkavaa ruskaa Saarantiella Vantaan Rekolassa.

Ruska alkaa olla parhaimmillaan. Ruskan ihailija tuskin on voinut olla tekemättä havaintoa, että ruskan värit kirkastuvat auringonpaisteessa ja haalistuvat taivaan mennessä pilveen? Mistä ilmiö johtuu?

Jotta ilmiön voisi ymmärtää, on täytyy ensin selvittää hieman valon käyttäytymistä, kun se osuu materiaan. Valolla on kaksi mahdollisuutta toimia. Se voi joko heijastua materian pinnasta tai sitten se voi imeytyä eli absorboitua materiaan.

Tasaisesta pinnasta suurin osa siihen osuvasta valosta heijastuu. Mitä vinommassa kulmassa valo osuu pintaan, sitä suurempi osa siitä heijastuu heijastuslain mukaisesti, eli valon tulokulma ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. Tähän perustuu se, että peilistä voimme nähdä itsemme virheettömänä kuvajaisena, toki peilikuvana.

Korjattakoon tässä samassa yhteydessä sanontaan "kiiltävä pinta heijastaa hyvin valoa" liittyvä looginen virhe. Syy ja seuraus ovat siinä väärässä järjestyksessä. Kiilto seuraa valon heijastumisesta, ei ole sen syy. Siis mieluummin vaikka näin: "Tasaisesta pinnasta aiheutuneet heijastukset havaitaan pinnan kiiltona".

 Valkoinen valo heijastuu biljardipallon pinnasta samassa kulmassa ja saman värisenä kuin on siihen osunutkin. Kuvassa sitä esittää vasemmalta tuleva valkoisen valon säde. Osa valosta kuitenkin siroaa materaalille tyypillisenä värinä kaikkiin suuntiin. Niitä tässä esittävät pienet punaiset valonsäteet. Kiiltokulmassa eli heijastuskulmassa silmään nähden tuleva valo peittää alleen värin, kuten tässäkin on nähtävissä. Pallo on väriominaisuuksiltaan ihan samanlainen myös heijastuksen tai kiillon kohdassa.

Osa valosta siis absorboituu materiaan. Jos absorptio on täydellinen, niin esine näyttää valossakin mustalta. Tässä muuten myös sama looginen virhe arkipuheessa. Valoa hyvin "imevä" pinta näyttää mustalta eikä musta pinta imee hyvin valoa. Mustuus on silmän saama havainto ja siis seuraus valon käyttäytymisestä materiassa, ei suinkaan valon käyttäytymisen syy.

Valon absorptio on atomitason ilmiö. En mene siihen tässä sen syvemmin, riittää kun todetaan valon imeytyessään luovuttavansa energiansa materian atomeille. Kaikki valon energia ei kuitenkaan aina jää atomeihin, vaan tietyn aallonpituuden omaavat valonsäteet saattava hypätä takaisin materian atomeista. Ilmiötä kutsutaan sironnaksi. Materian väri riippuu siitä, mitkä valon aallonpituudet siroavat materian atomeista. Punaisen biljardipallon materia on sellaista, että se sirottaa punaisen väriaistimuksen antavia valon aallonpituuksia.

Heijastumisen ja sironnon keskeiset erot ovat siinä, että heijastuminen on pintailmiö, joka ei riipu materiasta ja tapahtuu heijastuslain mukaan tiettyyn suuntaan. Sironta taas on materiaan liittyvä ilmiö ja siinä vapautuva valo siroaa kaikkiin suuntiin. Tästä johtuu se, että kappaleilla ylipäänsä on havaittava muoto ja sen pystyy havaitsemaan, katseli kappaletta mistä suunnasta tahansa.

Takaisin ruskan pariin. Puiden lehdet ovat enemmän tai vähemmän tasopintoja, jossa valo käyttäytyy edellä kuvaillulla tavalla. Heijastuu ja siroaa. Kun taivas on pilvessä, niin valo tulee lehden pintaan monista suunnista ja vastaavasti heijastuu moniin suuntiin. Heijastuminen on samanlaista valoa kuin mitä valonlähteestä lähtee, joten lehdistä heijastuu auringon valkoista valoa. Se peittää alleen lehdistä siroavaa lehtien värillistä valoa ja siksi lehtien värikylläisyys on pilvisellä säällä jotenkin tuhrittua. Joka suunnasta tulevan valon heijastumista voidaan kutsua hajaheijastumiseksi. Yhtä kaikki se on lehtien ja myös muiden väripintojen haalistumisen syy.

Sen sijaan auringon paistaessa heijastus tapahtuu pääasiassa yhteen suuntaan, joka harvoin on suoraan katsojan silmään. Siroava valo, jota on ihan samalla tapaa paistoi aurinko tai ei, ei joudu nyt kilpailevaan heijastuvan valon kanssa ja on siksi paljon värikylläisempää. Tämäkin pätee kaikille väripinnoille. Suunnattu valo korostaa pinnan väriä, ellei katsoja satu olemaan juuri heijastuskulmassa.

 Sama vaahteranlehti kuvattuna pilvisen taivaan hajavalossa ja kameran päällä olevan salaman valossa. Valotus niin, että alustana ollut paperi on valkoista. Värikylläisyyden ero on selkeästi havaittavissa.

Samalla hieman yleisempääkin värioppia. RGB-väri on sitä värikylläisempi, mitä enemmän siinä on  joko yhtä RGB-pääväriä tai kahta RGB-pääväriä. Punainen (R) on yksi RGB-järjetelmän pääväri. Kuvan oikeapuolen kohdassa 4 R-arvo on 250 ja G- ja B-arvot hyvin pieni. Kohta lehdessä on oikealla kirkkaan punainen, vasemmalla selvästi haalistuneempi.

Keltainen saadaan punaisen ja vihreän yhdistelmänä. Niinpä kohtien 1 ja 2 arvot käyttäytyvät vastaavalla tavalla. Suuremmat R- ja G-arvot antavat kirkkaamman keltaisen oikealla kuin vasemmalla olevat pienemmät R- ja G-arvot.

Puhtaan punaisessa värissä R-arvo on 255, muut nollia. Saturaatio (S) on 100%.

Puhtaan keltaisessa R- ja G-avot ovat 255. Saturaatio edelleen 100%.

Saturaatio pienee ja väri haalistuu, kun puhtaaseen väriin lisätään kahta muuta väriä.

ps. Polarisaatioon liittyen otin kaksi kuvaparia, joista vasemmanpuoleinen on otettu ilman polarisaatiosuodinta ja oikeanpuoleinen sen kanssa. Vain kiiltävälehtisen kasvin pinnoissa on havaittavissa eroa. Polarisaatiosuodatinta käytettäessä lehdet näyttävät lähinnä valottomatan latteilta. Suodattimen käyttö ei minusta ainakaan paranna tätä kuvaa. Suurin ero pihapuiden kuvassa on valotuksessa. Polarisaariosuodattimen kanssa se on 2 EV-arvoa suurempi. 

Takana tilannetta tarkkailevaan kissaan polarisaatiosuotimiella ei näytä olevan vaikutusta.

ps. 4.10.2015

Tuttavani ja tiedetoimittaja kollega Juhani Mänttäri laittoi ottamansa valokuvan FB-ystävilleen. vähän modifioin sitä tavalla, josta näkee, että kuvankäsittelyn keinoin vain värikylläisyyttä lisäämällä kuvaan saa auringonpaisteen tuntua.

Kuva: Juhani Mänttäri

Kuva: Juhani Mänttäri, käsittely: Timo Suvanto