Miksi taivas ei ole violetti (yli 140 merkin selitys)

Niin kuin kaikki maailman tylsät ”miksi taivas on sininen?”-selitykset tietävät kertoa, spektrin sinisen alueen aallonpituudet siroavat voimakkaammin kuin punaisen pään aallonpituudet ja siksi taivaalta tulee silmiin enemmän sinistä valoa.

Esimerkkitweetti 1: ”Newton places prism in the path of white sunlight coming through a slit in curtains at Woolshorpe. Projected on darkened wall, he sees… [fuskua, jatkuu toisessa tweetissä] …fanned out into a ’spectrum’, all colours of rainbow – red (r), orange (o), yellow (y), green (g), blue (b), indigo (i), violet (v)” (Chown ja Schilling 2011, s. 3).

Jotenkin tuo hyvin ilmeinen pikkufakta, että sateenkaaren toinen laita on violetti, ei sininen unohtuu usein taivaan sinisyys -selityksistä.

Esimerkkitweetti 2:Key fact 2: White sunlight, as Newton discovered, is made of all colours of the rainbow, from blue (smallest wavelength) to red (longest)” (Chown ja Schilling 2011, s. 5).

Jos ihan tieteellisen oikeasti aletaan mitata, että minkälaista säteilyä ”sinitaivaalta” silmiin saapuu, niin tulos on tämä: sinistä ja violettia tulee runsaasti – molempia suunnilleen saman verran – ja vihreääkin ihan merkittäviä määriä. Kaikkea muunkin sortin valoa taivaalta silmiin saapuu, mutta niin vähän, että sitä ei tarvitse tässä yhteydessä huomioida.

xkcd why isn't the sky violet

Selitystä taivaan sinisyydelle ja ei-violettisuudelle pitää hakea fysiikan lisäksi myös fysiologiasta ja neurologiasta – ja fysiologian ja neurologian kummallisuuksien ultimaattiin ymmärtämiseen tarvitaan edelleen evoluutiobiologiaa.

Silmien värien näkemiseen erikoistuneet rakenteet ovat – niin kuin biologisen evoluution viritelmät yleensäkin – käytännössä ja normaaleissa oloissa erittäin toimivat, mutta periaatteeltaan hiukan kummalliset ja poikkeuksellisissa oloissa helposti harhautuvat.

Taivaan näkeminen tasaisen vaaleana yksivärisenä taustana on epäilemättä kätevää ja hyödyllistä ja siksi luonnonvalinnan suosiossa, koska silloin erottaa paremmin mitä olennaista etualalla tapahtuu.

Silmässä on kolmenlaisia valoa aistivia soluja (niitä koulukirjoista tuttuja tappeja). Ihmisen valoa aistivat solut ovat erikoistuneet niin, että kaikki rekisteröivät parhaiten omaa kohtaansa spektristä: 460, 530 ja 650 nanometrin aallopituuksia.

Siihen se yksinkertaisuus sitten loppuukin: aistisolut eivät ole niin turhan tarkkoja mihin reagoida. Solut voivat toimia kunhan aallopituus on suunnilleen oikea ja ihmisen kolmen eri solutyypin havaitsemat spektrikaistat menevät kaikki iloisesti päällekkäin.

silmän tappisolujen herkkyys eri aallonpituuksille

Käytännössä homma toimii niin, että eri aallonpituuksien yhdistelmät voivat näyttää samalta kuin puhdas yhden aallonpituuden valo.

Ensimmäinen esimerkki: kun silmään tulee yksinään punaiselta ja vihreältä näyttävää valoa yhdistelmänä, niin solut toimivat aivan samoin kuin jos silmään tulisi puhdasta sellaisenaan keltaiselta näyttävää valoa.

Toinen esimerkki: auringosta tulee eniten vihreää valoa ja silmä on myös herkin vihreälle (luonnonvalinnan suosima ominaisuus taas, kannattaa nähdä sitä valoa mitä on paljon). Aurinko ei silti näytä vihreältä, koska auringosta tulee paljon kaikkea muutakin näkyvää valoa ja aivot yhdistelevät kokonaisuudesta käytännöllisen taustavärin kaikelle muulle.

Kolmas esimerkki: jos  silmään tulee violettia ja sinistä valoa ja lisäksi vähän vihreää, silmä toimii samoin kuin jos siihen tulisi puhdasta sinistä valoa ja sen lisäksi vähän valkoiselta näyttävää säteilyä, mikä puolestaan tarkoittaa kaikkien näkyvien aallonpituuksien yhdistelmää (Smith 2005)…

… ja siinähän se selitys tulikin sille, että miksi taivas on (vaalean-) sininen.

…noin niin kuin ihmisen (ja luultavasti läheisimpien kädellissukulaistemme) silmin.

Lintujen silmissä on neljänlaisia väriä aistivia soluja, ei vain kolmea sorttia niin kuin meillä.

Olisi kiinnostavaa vaihtaa kokeeksi silmiä linnun kanssa, niin että omat aivot näkökeskuksineen saisi kuitenkin pitää. Miltä näyttäisi silloin ihmisen aivoissa taivaan vihreä-sini-violetti (+ultravioletti!) säteily? Entä miltä näyttäsi vain kolmeen väriin perustuva tietokoneruutu, kun silmässä olisikin kapasitettia neljään väriin?

Vielä kiinnostavampi olisi kokeilla sirkkaäyriäisen eli mantiksen silmiä, joissa on 12 eri tavoin valon aallonpituudelle herkkiä soluja plus neljänlaisia soluja valon eri polarisaatiotasoille kaikkien muiden hienouksien lisäksi. Mantis itse ei välttämättä saa silmistään ihan kaikkea iloa irti.

Viitteet:
Chown, M.  ja Schilling, G. 2011: Tweeting the Universe: Tiny explanations of very big ideas. Faber and Faber, 311 s. (pehmeäkantinen painos 2013). Kirjan idea on että kaikki kappaleet ovat korkeintaan yhden twitter-viestin mittaisia. Chownin kirjoja olen lukenut ja tiedän, että tämä on taitava popularisoimaan, mutta 140 merkkiä on aika vähän. Twitter-virkkeet lyhyitä. Usein ei predikaattia. Paljon esim. lyhenteitä ym. Tässä esimerkki kirjan minusta onnistuneesta tweetistä (s. 41): ”Space is a dangerous place. It’s a bitterly cold vacuum, pervaded by lethal radiation, deadly particles, meteorites and killer asteroids.

Smith, G. S. 2005: Human color vision and the unsaturated blue color of the daytime sky. Am. J. Phys. 73: 590-597 (pdf). Tiettävästi ensimmäinen artikkeli, jossa koottiin kattavasti yhteen sinitaivaan fysiikka ja fysiologia.

Kuvat:
Aallonpituuskäyrät
Xkcd-originaali.

Advertisements