Monday, 26 January 2015

Märkä punatukkainen


Kuvassa näkyvät tässä bloggauksessa käsiteltävät ilmiöt. Märkien hiusten tummuus ja kiilto tietyssä osaa hiuksia.  

Arkipäivän ilmiö, jota tuskin kukaan on voinut olla panematta merkille. Hiukset näyttävät tummuvan kastuessaan. Sama pätee monessa muussakin kohteessa. Hiekka on märkänä tummempaa, kuten myös ruoho tai puiden lehdet.

Märän ja kuivan hiekan tummusero on selkeä.

Jotta voisi ymmärtää näiden kaikkien ilmiöiden takana olevaa fysiikkaa, on tiedettävä jotain valon ja materian välisestä vuorovaikutuksesta. Tarkastellaan tässä juuri hiusta esimerkkinä.

Mikroskooppikuva punatukkaisen hiuksesta. Kuten kuvasta käy hyvin ilmi, niin hiukset ovat huonosti valoa läpäisevää materiaalia

Kun valo osuu hiuksen pintaan, se jakautuu kahteen osaan. Osa heijastuu hiuksen pinnasta ja osa tunkeutuu hiuksen sisään. Hius, jopa valkoinen on hyvin huonosti valoa läpäisevää materiaalia, keratiinia. Keratiinin ja ilman välinen taitekerroin on 1,55, mistä johtuen vinostikin hiukseen osuvasta valosta iso osa pääsee hiuksen sisään. Ei kuitenkaan kovin syvälle, sillä hiuksessa on runsaasti erilaisia pigmenttejä, jotka absorboivat valoa tehokkaasti.

Kun valo absorboituu hiuksen pigmenttiin, niin jälleen voi tapahtua kaksi asiaa. Osa absorboituneesta valosta palaa sellaisenaan takaisin säteillen kaikkiin suuntiin. Tämän valon aallonpituusjakauma ei ole enää välttämättä sama kuin hiukseen osuneen valon. Uusi aallonpituusjakauma määrittää hiusten värin ja hiusten tummuus taas riippuu siitä, kuinka iso osa valosta palaa hiuksista takaisin tällä tavalla. Tätä kutsutaan valon siroamiseksi.

Hiuksiin imeytynyt säteilykään ei jää sinne ikuisiksi ajoiksi. Muuten hiukset syttyisivät lopulta palamaan absorboimansa energian lämmöstä, kuten kaikki muutkin valoa saavat esineet. Hiukset säteilevät eli emittoivat absorboimansa valon pitkäaaltoisena lämpösäteilynä, jonka aallonpituusjakauma riippuu hiuksien lämpötilasta. Tämän säteilyn aallonpituus on noin kymmenkertainen näkyvän valon aallonpituuteen nähden, joten sitä näe silmällä.

Absorptio ja sironta ovat materian ominaisuuksiin liittyvät ilmiöt. Heijastus sen sijaan on materian pinnassa tapahtuva ilmiö. Heijastuva valon ominaisuudet eivät riipu siitä, mistä materiasta heijastuminen tapahtuu. Tärkein tässä huomioitava seikka on se, että heijastuksessa tulokulma on sama kuin heijastuskulma ja että heijastuva valo on saman väristä kuin tuleva valo.

Kun hiukset kastuvat, niin kuvioon tulee vielä yksi elementti lisää; ohut vesikerros hiuksen ympärille. Kupletin juoni menee pääpiirteissään näin.



1. Valonsäde osuu märkää hiusta peittävään ohueen vesikerroksen pintaan.
2. Osa valosta heijastuu veden pinnasta. Vesi "liiskaa" hiukset päähän kiinni ja samalla muodostuu kohtuullisen tasainen vesikalvo hiusten ympärille. Hiukset kiiltävät suunnassa, joka on kohti valolähdettä, tässä tapauksessa siis kohti aurinkoa. 
3. Osa valosta läpäisee taittuen veden pinnan.
4. Osuessaan hiuksen pintaan valo läpäisee hiuksen pinnan edelleen sisäänpäin taittuen, koska keratiinin taitekerroin 1,55 on suurempi kuin veden 1,33. Kovin syvälle valo ei kuitenkaan pääse, vaan absorboituu hiuksen pigmenttiin.
5. Punaista väriä vastaavat aallonpituudet siroavat hiuksen pigmentistä kaikkiin suuntiin.
6. Osa sironneesta valosta läpäisee veden pinnan taittuen.
7. Osa sironneesta valosta heijastuu takaisin veden pinnasta.
8. Osa sironneesta valosta osuu niin vinosti veden pintaan, että se kokonaisheijastuu veden pinnasta. Tästä valosta siis mikään osuus ei pääse veden pinnan lävitse.

Kohdat 7. ja 8. ovat ne prosessin vaiheet, joiden takia märistä hiuksista siroavasta valosta tulee vähemmän valoa katsojan silmään kuin kuivista hiuksista ja jonka takia märät hiukset näyttävät tummemmilta. Kaavio on yksinkertaistettu esitys tapahtumasta. Olen pyrkinyt keskittymään niihin ilmiöihin, jotka ovat näkyvissä aloituskuvassa. Esimerkiksi hiukseen osuvasta valosta vain osa menee hiukseen, osa heijastuu hiuksen pinnasta. En ole piirtänyt sitä nuolta kuvaan. Ehkä on syytä huomauttaa myös siitä, että punavärinen valo ei siroa punaisista hiuksista, vaan hiukset näyttävät punaisilta, koska punavärinen valo siroaa niistä. Valikoiva eli selektiivinen sironta on nähdyn värin syy eikä seuraus. Aallonpituusjakauma on fysikaalinen, nähty väri fysiologinen ilmiö.

Varsinkin vaaleatukkaisten hiukset näyttävät tummuvan paljon kastuessaan.


Vanha kunnon Kodakin harmaakiila, jolle on ollut paljon käyttöä valokuvauksen yhteydessä. tämän perusteella voi ymmärtää myös sen, miksi märkien hiusten tummeneminen on paljon selvemi ilmiö vaaleissa kuin tummissa hiuksissa. 

Nämä suorakaiteet absorboivat ja heijastavat valoa aina samassa suhteessa viereiseen suorakaiteeseen nähden. Siis jos merkinnällä  0.1 heijastuminen tai oikeammin sironta olisi 100%, niin 0.4:llä se olisi 50% , 0.7:llä  25% ja lopulta 2.2:lla 0,8%. Silmä kokee kuitenkin tummuuseron suorakaiteiden 0.1 ja 0.4 välillä paljon suurempana kuin kuin saman suhteellisen eron suorakaiteiden 1.9 ja 2.2 välillä. Silmämääräisesti onkin vaikea erottaa tummuuseroja suorakaiteissa 1.6, 1.9 ja 2.2. Niin originaalissa kuin tässä siitä otetussa valokuvassa.  Kun vesi hiuksissa tummentaa hiuksia suunnilleen samalla prosentilla hiusten tummuudesta riippumatta, niin silmälle näkyvä vaikutus on vaaleissa hiuksissa paljon suurempi. 


Laitetaan vielä asiaan löyhästi liittyen Aki Sirkesalon veto Punatukkainen. Kunnianosoituksena sekä kaikille punapäille ja etenkin Akille, jonka traagisesta kuolemassa tsunamissa tuli juuri kymmenen vuotta täyteen. 

4 comments:

  1. Minä esittäisin kevyehkön vastalauseen. Teksti väittää, että kohdat 7 ja 8 ovat ne tekijät, joiden vuoksi katsojan silmään tulee vähemmän valoa. Mielestäni siihen vaikuttaa myös kohta 2.

    Auringon suunnasta heijastavat märät hiukset heijastavat hyvin paljon valoa suppealta alalta. Muulta alalta valo heijastuu pois silmästä. Suppean, heijastavan alan ja hiusten koko alan suhde ratkaisee, väheneekö kokonaisvalomäärä vastaanottavassa silmässä. Pyöreästä päästä ja tasaisista hiuksista suora "peilikuva" auringosta on kovin pieni.

    Toinen vaikuttavat tekijä on silmän himmennys. Silmä himmentää osittain sen kirkkaimmaan heijastuman mukaisesti. Silmä siis "näkee" sen muun osan tummempana. Kuivilla hiuksilla himmentämistä ei tapahdu samalla lailla. Tuon himmennyksen vaikutus pitäisi vissiin ihan oikeasti testata kameralla niin, että sama henkilö on ensin kuivin hiuksin ja sitten märin hiuksin. Valotus voisi olla molemmilla kerroilla ensin sama ja sitten keskiarvomittauksella mitattu.

    Ja saanen korostaa, että arvailuni on teoriaa, faktanpoikasta vastalauseeni taustaksi ei ole. Kritiikkini on siis periaatteellista epäluuloisuutta.

    ReplyDelete
  2. Periaatteellinen epäluuloisuus on kaiken uuden löytämisen alku. Kamera ja näköaisti toimivat kuvankäsittelyn suhteen hyvin eri tavalla. Näköaistia on helppo petkuttaa monilla eri tavoilla. Siksi keskityinkin tässä kahteen asiaan. Vesikerroksen sisällä olevan hiuksen optiikkaan ja silmän fysioligiseen kykyyn erotella tummuuden vaihteluita. Ne ovat primäärit asiaan vaikuttavat seikat.

    Kaikki kommentit, perustellut vastaväitteet ja omat teoriat ovat tervetulleita poikkitieteelliseen blogiin. Toivon kuitenkin, että niiden mahdollinen alasampuminen Rekolan IT-patterista ei aiheuta pahaa mieltä.

    ReplyDelete
  3. Taivaalliset ohiampujat (siis it-patterit) eivät kuitenkaan osu.

    Totta kai silmä ja kamera toimivat eri tavoin. Siitä huolimatta hyvin kirkas piste näkökentässä saa muun näkökentässä olevan näkymään tummempana paljaalla silmälläkin. Se on simuloitavissa kameran koko alan valotusmittauksella, joskin tummuuserot ovat merkittäviä.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Minusta olet nyt pahasti hakoteillä. Ei kuitenkaan ryhdy tästä sen enempää vänkäämään. Poikkitieteessäkin väitteen esittäjällä on todistustaakka, ei epäilijällä. Joten faktaa kehiin, niin päästään asiassa mahdollisesti eteenpäin.

      Delete