Miksi lumi on valkoista

Hesarin tiedesivuilla olevat lasten tiedekysymykset ja etenkin vastaukset niihin ovat usein olleet poikkitieteellisten bloggausten inspiraation lähteinä. Niin nytkin

Lumen valkoisuuden mekanismi ei ole mitenkään itsestään selvyys. Jotta sen voisi ymmärtää, täytyy ainakin pääpiirteissään tietää, miten eri tavoin valo voi käyttäytyä vuorovaikutuksessa materian kanssa. Tässä lyhyt oppimäärä valon materian vuorovaikutuksesta.

Kun valo osuu materiaan, niin yleensä seuraavat asiat tapahtuvat. Osa valosta heijastuu materian pinnasta, osa absorboituu eli imeytyy materiaan ja osaa siroaa materiasta.

Sironneen ja absorboituneen valon suhde lähinnä määrää sen, minkä värisenä materia nähdään. Heijastus saa aikaan erilaisia kiiltoja.

Sironta on materian atomi- tai molekyylirakenteesta riippuva optinen ilmiö, heijastuminen sen sijaan lähinnä materian pinnan ominaisuuksista riippuva ilmiö. Heijastukselle pätee mm. seuraavat.

1. Tulokulma ja heijastuskulma ovat yhtä suuret.

2. Mitä vinommassa kulmassa valo osuu pintaan, sitä suurempi osa valosta heijastuu.

3. Heijastuvan valon väri on sama kuin pintaan osuvan valon väri.

Materiasta valo siroaa kaikkiin suuntiin. Tämä on keskeinen syy sille, että ylipäänsä voimme nähdä, minkä muotoisia ja värisiä esineet ovat. 

Pistemäinen valolähde. Valolähteen suunnan voi päätellä heijastuman paikasta, koska valon tulokulma ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. Pallon punainen väri on seurausta sironnasta. Muut värit absorboituvat palloon ja säteilevät lopulta näkymättömänä lämpösäteilynä pallosta. Myös heijastuksen kohta sirottaa valoa, mutta heijastuksen intensiteetti on niin paljon suurempi, että sironta peittyy sen alle. Esineen 3-ulotteinen pallomuoto tulee näkyviin sekä pallon varjopuolen että itse varjon avulla.

Tasomainen suuripintainen valonlähde. Varjot ovat pehmeitä. Valokähde näkyy heijastuneena pallon kyljessä. Heijastuvan valon intensiteetti ei ole enää niin suuri kuin edellisessä. Siksi heijastumiskohdassa näkyy osittain myös valon siroamista. 

Biljardipallo valaistuna valoteltassa (monistuspaperin lävitse) kolmella tasovalolla, joista kaksi valaisee etuviistosta ja yksi alta. Valo on hyvin tasaista, ei lainkaan kiiltoja. Pallon 3-ulotteinen muoto ei näy kuvassa lainkaan, vaan se "latistuu" 2-ulotteiseksi ympyräksi.

Siroamisen mekanismi riippuu olennaisesti siitä, onko valoa sirottava kohde pienempi vai suurempi kuin valon aallonpituus. Taivaan sinisyys ja ilta- sekä aamuruskot johtuvat siitä, että sininen lyhytaaltoinen valo siroaa voimakkaimmin sekä typpi- että happimolekyyleistä. Vihreäksi maalattu talo taas näyttää vihreältä siksi, koska maalin pigmenttiaineet absorboivat voimakkaasti punaista ja sinistä valoa sisältäviä aallonpituuksia ja sirottavat vihreitä kaikkiin suuntiin.

Jos materiaali on valkoista, niin ei ole aina aivan ilmeistä, johtuuko se sironnasta vai heijastumisesta. On nimittäin paljon materiaaleja, jotka sirottavat niitä valaisevaa valoa suunnilleen samalla aallonpituusjakaumalla kuin mitä siihen on tullutkin. Esimerkiksi ihan tavallinen kopiopaperi on valkoista pääasiassa siroamisesta johtuen, tosin monet on käsitelty valkaisuaineilla, jotka loistavat etenkin UV-valossa.

Lumen valkoisuudenkaan selittäminen ei ole mikään läpihuutojuttu. Lumihan on veden kiinteää olomuotoa, siis jäätä. Jäähän osuessaan valo osin heijastuu sen pinnasta, osin menee jään sisään absorboituen ja siroten. Olisiko näillä kaikilla omaa osuuttaan siihen, miltä lumi näyttää?

Selvästi pienen poikkitieteellisen tutkimuksen paikka. Päätin lähteä liikkeelle tutkimalla, miten toinen valkoiselta näyttävä kiteinen aine, eli ruokasuola näyttää suurennetuissa kuvissa. Ruokasuolaa siksi, että se ei sula huoneenlämmössä kuten lumi tunnetusti tekee.

Tavallisia ruokasuolakiteitä mikroskoopissa. Valo tulee kuvassa oikean yläkulman suunnasta. Kiteet ovat läpikuultavia ja heijastavat valoa, kun kiteen taso tai särmä on sopivassa kulmassa valoon nähden. Kiteiden muoto on kuitenkin selvästi havaittavissa, eli valo kulkee osittain kiteiden lävitse, siroaa ja heijastuu kiteiden pinnasta. Suola nähdään aika yhtenäisenä valkoisena pintana lähinnä siksi, että silmälle nämä hienon suoran kiteet ovat aika pieniä.

Kuvan lähde

Tältä yksittäinen lumikide näyttää altapäin valaistuna. Värit johtuvat värillisestä valosta ja polarisaatiosuotimien käytöstä. 

Erilaisia optisia ilmiöitä etupihallani aurinkoisena kevättalven päivänä.

1. Lasi ja nestemäinen vesi ovat läpinäkyviä aineita. Niihin osuva valo käyttäytyy pääasissa heijastuen ja taittuen rajapinnassa heijastus- ja taittumislakien mukaisesti. Lasin pyöreä muoto tekee siitä vedellä täytettynä linssin, joka tässä muodostaa ylöspäin olevan valekuvan takana olevista kohteista.

2. Taivaan sinisyys johtuu Rayleight-sironnasta. Sirottava kohde on selvästi pienempi kuin siroavan valon aallonpituus, kuten tässä ilman molekyylit. Sironta on voimakkaasti riippuvaista valon aallonpituudesta. Sironneen valon määrää on kääntäen verrannollista aallonpituuden neljänteen potenssiin. Siksi violetti valo siroaa noin 16 kertaa niin voimakkaasti kuin punainen.

3. Esineiden väri ja muoto tulee näkyviin niiden sirottaman valon aallonpituusjakaumasta ja valon intensiteetistä.

4. Kaikkia aallonpituuksia tasaisesti sirottavat ja osin heijastavat materiaalit ovat aina sen värisiä, mitä on niitä valaiseva valokin. Ulkona varjossa valo on pääasiassa taivaalta sironnutta sinistä valoa, joten lumi on  varjossa sinistä.

5. Jotkin materiaalit myös luminoivat valoa fosrenssin tai fluoresenssin avulla. Auton rekisterikilpien taustat on käsitelty fluoresoivalla aineella. Ne loistavat niin kauan, kun valo osuu niihin. Fosforivat aineet hehkuvat vielä senkin jälkeen, kun niihin osuva valo on sammunut.

6. Valon väri riippuu monista tekijöistä. Hehkuun perustuvan valon väri riippuu sen lämpötilasta. Siksi hehkulampun väri on punertava.

Kun aurinko menee pilvien taakse, niin valkoisuuskin muuttaa väriään. Lumi on kaikkialla valkoista ja jäätyneet kohdat harmaita. Sinänsähän harmaa  pinta on ihan yhtä neutraalia väreiltään kuin valkoinen pinta. Kyse on vain heijastuvan ja siroavan valon intensiteetistä. Tarpeeksi voimakkaasti valaistaessa harmaakin muuttuu valkoiseksi ja tarpeeksi heikossa valossa vastaavasti valkoinen harmaaksi. Valkoisuus ja harmaus ovat näköaistin kokemaa, eivät mitään absoluuttisia arvoja. Ei ainkaan sellaisia, jotka ovat samoja joka tilanteessa.