Monday, 12 October 2015

Maan varjo


Syksyinen purjehdusretki tarjosi mahdollisuuden katsella maisemia myös fyysikon silmin. Kun taivas oli pilvetön, niin monet optiset ilmiöt olivat selkeästi näkyvissä.

Munter kyntää purjeet pulleina Näsijärveä sivumyötäisessä länsituulessa kokka kohti pohjoista. Kun kuvan ottohetki on 12:30 kesäaikaa ja varjoista päätellen aurinko on hieman paapuurin puolella, niin ihan pohjoiseen ei olla menossa, vaan kurssi on hieman luoteen puolelle. Kuva on otetta laajakulmaobjektiivilla, jonka kuvakulma vaakasuunnassa on noin 70 astetta. Karkeasti ottaen taivas kuvan oikeassa laidassa on vastakkaisessa suunnassa kuin aurinko ja vastaavasti kuvan vasemmassa laidassa kohtisuorassa auringon suuntaa vasten.


Kuvasta on selkeästi nähtävissä, että taivaan kirkkaus vähenee ylöspäin ja vasemmalle mentäessä. Taivaan sinisyys taas kasvaa näihin suuntiin siirryttäessä. Asiaa voidaan tarkastella kuvasta myös lukujen valossa. Koska tämä on poikkitieteellinen valokuvakoulu, niin annetaan tässä vähän työkaluja kirkkauden ja värin muutoksen numeeriseen tarkasteluun. 

Värit voidaan määritellä kolmen muuttujan avulla monella eri tavalla. Yksi on ns. HSB-väriavaruus, jossa muuttujina ovat H (Hue) eli sävy, S (Saturation) eli värikylläisyys ja B (Brightness) eli kirkkaus. Kuvankäsittelyohjelmissa kuten Photoshop värejä voidaan muokata paitsi RGB-arvoja muuttelemalla myös muuttamalla pikseleiden HSB-arvoja.



Kuvassa on näkyvissä purjehduskuvan pisteen 1 väriarvot (current) sekä pisteen 4 värit ja  HSB-väriarvot (new). Saturaatio kuvaa värisävyn puhtautta. Mitä korkeampi on S:n arvo, sitä puhtaampi väri on kyseessä. Vasemmalla näkyvät värit näyttävät sen, miten värit muuttuvat H:n ja kirkkauden B:n arvojen muuttuessa, mutta S:n arvojen pysyessä samoina. Pystypalkki taas näyttää, miten H:n värit vaihtelevat S:n ja B:n pysyessä kiinteinä.





Syynä tähän valon taivalliseen käyttäytymiseen on fysikaalinen ilmiö nimeltään sironta. Tarkemmin ottaen Rayleight sironta erotuksena monista muista sironnoista. Sironta on fysikaalinen prosessi, jossa valo on vuorovaikutuksessa materian kanssa. Seurauksena valon suunta yleensä muuttuu. Monet sirontailmiöt ovat voimakkaasti aallonpituusriippuvaisia. Siksi suurin osa näkemistämme väreistä on seurausta sironnasta.

Koska ilman perusmolekyylit happi ja typpi ovat kooltaan paljon valon aallonpituuksia pienempiä, niissä tapahtuva siroamisen tyyppi on Rayleight sironta. Se on voimakkaasti suunta- ja aallonpituusriippuvainen.



Siroavan valon intensiteettiä kuvaa lauseke. Tämän tarinan kannalta keskeiset suureet ovat valon suunnanmuutoksen kulma q, valon aallonpituus l ja sironnan etäisyys havaitsijasta R.  Näistä etäisyyden riippuvuus on normaali pistemäisen valonlähteen tilanteessa oleva, eli kääntäen etäisyyden neliöön. Kulmariippuvuus taas menee siten, että suoraan eteen- tai taaksepäin siroaa kaksi kertaa niin paljon kuin kohtisuoraan sivulle. Koska aallonpituusriippuvuus on kääntäen aallonpituuden neljänteen potenssiin, niin violettia valoa, jonka aallonpituus on 350 nm, siroaa 16 kertaa niin paljon kuin punaista valoa, jonka aallonpituus spektrin toisessa päässä on 700 nm.

Tämän lausekkeen avulla pilvettömän taivaan vaihtuva sinisyys ja auringonlaskun ja -nousun punaisuus ovat ymmärrettävissä fysikaalisina ilmiöinä. Tietenkin siinä tarvitaan matemaattisen lausekkeen lukutaitoa, mikä suoraan sanoen tuppaa jäämään kouluopetuksessa vähemmälle huomiolle. Taito ymmärtää valmiita matemaattisia lausekkeita kun on suurimmalle osalle ihmisiä paljon keskeisempi osaamisen alue kuin niiden muodostaminen, mihin taas kouluopetus pääosin tähtää.


Kun aurinko on lähellä horisonttia, niin tummimmillaan taivas on silloin zeniitissä. Siinä suunnassa on vähiten sirottavaa ilmaa ja siroamisen intensiteetti on minimissään 90 asteen kulmalla. Tämän kuvan otin omalta takapihaltani auringon juuri laskiessa. Taivaanlaen tummuus muuhun verrattuna on selkeästi näkyvissä. Ilmiö on sitä selkeämpi, mitä vähemmän taivaalla on usvaa, pölyä ja muitä häiritseviä pienhiukkasia.

Silmään tuleva valo on eri väristä ja eri kirkkauksista, riippuen siitä, missä kulmassa katsoja ja aurinko ovat sirottavaan molekyyliin nähden ja kuinka pitkän matkan valo tekee ilmassa ennen silmään osumistaan. 

Näsijärvellä kuvaa ottaessani auringon korkeuskulma oli noin 20 astetta. Kulman suhteen sironnan minimi osuisi zeniitistä 20 astetta auringon vastaiselle puolelle, toisin sanoen 70 asteen korkeuskulmassa. Tilanne kuitenkin mutkistuu, koska sirottavan ilman määrä kasvaa sitä suuremmaksi, mitä alemmaksi vähiten sirottava kohta taivaalla siirtyy. Näiden kahden vastakkaiseen suuntaan vaikuttavan tekijän johdosta taivaan sinen syvenemistä korkeuden myötä ei olekaan niin helppo havaita auringon ollessa korkeammalla. Vaakasuorassa suunnassa sinisen värin kirkkauden ja kylläisyyden muutos on selkeämmin havaittavissa, vaikka muutokset  vähänkin korkeammalla taivaalla ovat aika vähäiset. Nyt vain yksi tekijä muuttuu auringon vastaisella puolella, siroamiskulma.

Aivan horisontin yläpuolella taivaanranta vaalenee huomattavasti. Tähän on syynä kaksi ilmiötä. Horisontin suunnassa ilmaa on paljon enemmän kuin zeniitin suunnassa. Sirottavia molekyylejä on monenkertainen määrä, mikä saa taivaanrannan näkymään kirkkaammalta, vaikka valon intensiteetti pieneneekin kääntäen etäisyyden neliöön. Lisäksi mitä pidemmän matkan tämä jo kerran sironnut valo kulkee ilman lävitse, sitä suurempi mahdollisuus sillä on sirota uudestaan. Tämä taas on suurin juuri lyhyillä aallonpituuksilla, siis sinertävällä valolla. Koska ilmakehä aina kääntää lyhyitä aallonpituuksia sivuun, niin auringon vastaisella puolella valon sinisyys vähenee ihan samasta syystä kuin auringonpuoleisella puolella punaisuus lisääntyy.


Toinen syy on se, että ilman tiivistynyt kosteus sekä pöly ja muut ilmamolekyylejä selvästi suuremmat hiukkaset ovat keskittyneet ilmakehän alimpiin kerroksiin. Näistä hiukkasista tapahtuva sirontaa kutsutaan Mien sironnaksi ja se poikkeaa Rayleigh-sironnasta myös siinä, että se ei ole juuri lainkaan aallonpituusriippuvaista. Valo siroaa siinä saman värisenä kuin se oli ennen sirontaa. 

Auringonlasku Näsijärvellä. Värinmuutos on paljon voimakkaampi auringon puolella. Lähellä horisonttia valo on pääasiassa sitä josta lyhyet aallonpituudet ovat sironneet syrjään. Mitä ylemmäksi mennään, sitä enemmän värissä on sinistä. Aivan taivaanrannassa näkyy kosteuden ja ilman epäpuhtauksien vaikutus. Valon intensiteetti laskee, kun osa valosta suodattuu pois alailmakehän epäpuhtauksiin. 

Jonkin aikaa auringonlaskun jälkeen vastakkaisella taivaalla näkyy mielenkiintoinen ilmiö, Maan varjo. Se on se osa ilmakehää, joka jää Maan varjoon auringon ollessa horisontin alapuolella. Sinisen värinsä se saa sinisen taivaan sironneesta valosta. Sen yläpuolella oleva punainen vyöhyke taas on saanut niin paljon punaista valoa, että edes valikoiva sironta ei muuta sitä sinineksi.

Väri häiritsee helposti kirkkauksien vertailua. Silloin kuvasta voi tehdä harmaasävyisen. Kuvan pisteistä näkee selvästi, miten taivas on kirkkain Maan varjon ja ylemmän ilman välisessä suunnassa.

Aamulla reissuun lähtiessämme ilma oli vielä niin kylmää veden lämpötilaan verrattuna, että saarten välissä näkyi kangastuksia. Päivällä ilman lämpötila nousi aika nopeasti ja kangastuksetkin häipyivät sen sileän tien. Kangastus ei ole heijastus vedestä, vaan ilman taittumisesta johtuva takana olevan taivaan kuvajainen.

Musta saari vähän keskeltä vasemmalle on ymmärtääkseni Harvassalo. Se on noi nviiden kilometrin päässä. Varsinkin sen oikealla puolelta löytyy vettä ennen seuraavaa rantaa toiset viisi kilometriä. Oiva paikka bongata kangastus sopivalla ilmalla.

Pokkarikamerasta on tässä otettu irti kaikki mahdollinen. Optisen zoomin lisäksi on käytetty kameran digitaalista zoomia, mikä näkyy kyllä lopputuloksessa. Toisaalta ilmiö näkyy selkeästi, mikä olikin tarkoitus. Eivät kalliit laitteet saa olla itsetarkoitus.

ps.
Muistinkin juuri, että kesäisellä purjehdusreissulla Näsijärvellä ystäväni Pekan kanssa tuli napattua kuva täysikuusta ja Maan varjosta. Kuun pitää nousta juuri sopivaan aikaan, jossa sen saa samaan kuvaan varjon kanssa. Keskikesällä täydenkuunaikaan ajat ovat tälle otolliset.


2 comments:

  1. Kirjoitat sen auringonlasku kuvan alle seuraavaa:
    "Kun aurinko on lähellä horisonttia, niin tummimmillaan taivas on silloin zeniitissä. Siinä suunnassa on vähiten sirottavaa ilmaa ja siroamisen intensiteetti on minimissään 90 asteen kulmalla"
    --En ymmärrä tuota kohtaa ""siinä suunnassa on vähiten sirottavaa ilmaa"".
    Eikös ilmaa oli saman verran kaikissa kohdissa samalla korkeudella eli tiheys on sama.
    --- mitäs siis on tuo "sirottava" ilma?

    ReplyDelete
    Replies
    1. Suunta ja kohta ovat eri asia. Suoraan ylöspäin ilmakehä loppuu noin 100 km:n päästä. Kun katsotaan 30 asteen kulmassa ylöspäin, niin silmän ja sen kohdan, missä ilmakehä loppuu katseen suunnassa, välissä on 200 km ilmaa. Kun katsotaan kohti horisonttia, niin ilmaa on katseen suunnassa aivan julmetusti enemmän.

      Delete