Valo ja väri

Mitä valo on?

Valo on sähkömagneettista säteilyä, joka etenee suoraviivaisesti ja hyvin nopeasti, melkein 300 000 kilometriä sekunnissa. Tätä aaltoliikettä voidaan havainnollistaa tutkimalla veden pinnan aaltoilua sekä köyden tai kierrejousen liikettä, kun sitä väräytetään poikittain. Erivärisillä valoaalloilla on tietty pituus, koska ne sisältävät eri määrän energiaa. Valoaaltoja lyhyemmät aallonpituudet ovat mm. UV- eli ultravioletti- ja röntgensäteily. Valoaaltoja pidemmät aallot ovat mm. infrapuna- eli lämpösäteily ja radioaallot.

Kuva: Sähkömagneettisen säteilyn lajit ja näkyvän valon aallonpituus.
sm_sateily.png


Kuva: Sähkömagneettisen säteilyn lajit, esiintyminen ilmakehässä, taajuus ja säteilyä lähettävän lähteen lämpötila.

EM_Spectrum_Properties_fi.png

Mihin näkeminen perustuu?

Silmä kykenee vastaanottamaan säteilyä, jonka aallonpituus on näkyvän valon eli sateenkaaren värien aallonpituudet. Lämpösäteilyä emme näe, koska sen aallonpituus on liian pitkä. Voimme vain aistia aallonpituuden energian, lämmön, ihollamme. Toisaalta UV-säteily on liian lyhytaaltoista silmillemme, UV-säteilyn vaikutukset näkyvät ihollamme rusketuksena.

Ihminen näkee siis siksi, että hänen silmäänsä osuu tietyn pituisia valonsäteitä, jotka ovat lähtöisin joko valoa tuottavista esineistä eli valonlähteistä, kuten lamppu, tuli tai tähdet tai valoa heijastavista pinnoista, kuten paperi, kuu tai peili.

Animaatio: Tutki animaation avulla, miten ihminen aistii eri värejä.

https://phet.colorado.edu/sims/html/color-vision/latest/color-vision_en.html

Kuva: Kuvan muodostuminen silmään.

nakeminen.gif

Valonlähteet:

Valon kannalta esineet voidaan jakaa kahteen ryhmää: valoa tuottaviin ja sitä heijastaviin esineisiin. Valoa tuottavia esineitä ovat tähdet, tuli ja erilaiset valaisimet. Toisaalta jotkut eläimetkin, kuten kiiltomadot, voivat tuottaa heikkoa valoa. Muut näkyvät kappaleet vain heijastavat valonlähteiden tuottamaa valoa.

Aurinko on erittäin kirkas ja voimakas valonlähde. Sen valo on lähes valkoista, eli auringon valo on koostunut kaikista näkyvän valon aallonpituuksista. Toinen luonnosta löytyvä valonlähde on tuli. Sen valo ei ole valkoista vaan enemmänkin keltaista tai oranssia. Hehkuvan hiilen väri voi olla jopa punertava. Mistähän tämä johtuu?

Kuva: Valon eri värisävyt.

erilaiset_valot.jpg

Lähes kaikkia valonlähteitä yhdistää siis se, että ne ovat kuumia. Auringon pintalämpötila on noin 5 500 kelviniä, K. Tässä lämpötilassa oleva tähti lähettää lähes valkoista valoa. Aurinkoa kuumemmat tähdet ovat väriltään sinertäviä niiden pintalämpötilan ollessa jopa 10 000 kelviniä. Aurinko viileämmät tähdet, ovat pintalämpötilaltaan noin 3 000 kelviniä ja väriltään oranssin punaisia.



Miksi esineet näyttävät eri valossa eri värisiltä?


Värien näkeminen perustuu eri pintojen kykyyn heijastaa eriväristä valoa. Päivänvalo sisältää paljon kaikkia valon aallonpituuksia eli sateenkaaren värejä. Päivänvalossa olevat esineet siis vastaanottavat melko tasaisesti kaikkia valon aallonpituuksia ja näin voivat niitä heijastaakin. Siksi päivänvalossa esineet näyttävät yleensä "parhaimman" värisiltä.

Kuten kuvasta voidaan havaita, erilaiset valonlähteet tuottavat erilaista valoa. Esineet siis heijastavat eri tavoin värillisiä erilaisissa valoissa ja näyttävät tästä syystä eri värisiltä.

Kuva: Erilaisten valonlähteiden aallonpituusalueiden esiintymisen määriä.

valon_koostumus_kuva.png

Tiesitkö, että... Lamppujen ominaisuuksia kuvaavia yksiköitä

Erilaiset lamput tuottavat eriväristä valoa. Lamput ovat usein kuumia, mutta niiden lämpötila ei kuitenkaan ole tuhansia asteita. Eri lämpötilan tuottamaa värisävyä kuvataan värilämpötilana, jonka yksikkö on kelvin kuten oikean lämpötilankin. Valon sävyt voidaan jakaa kolmeen ryhmään: lämpimiin, neutraaleihin ja kylmiin sävyihin.

Kuva: Erilaisten valonlähteiden synnyttämä valo.

valon_varilampotilat.jpg

Valolähteen kirkkautta kuvaa valovoima, jonka yksikkö on kandela, lyhenne cd. Valovoima kertoo, kuinka paljon valoa lamppu säteilee. Yksi kandela vastaa tavallisen kynttilän, (latinaksi, candela), valon voimakkuutta.

Valon määrää eli valovirtaa kuvataan yksiköllä, joka on nimeltään lumen (lm). Hehkulamppujen aikaan lampun kykyä tuottaa valoa kuvattiin watteina, joka on tehon yksikkö. Energiansäästö- ja led- lamppujen sekä energiatehokkaampien halogeenien tuottamaa valon määrää ei voi enää vertailla wattien perusteella, koska se ei enää kuvaa lampun tuottamaa valon määrää, vaan sen sähkönkulutusta. Jotta energiansäästölampun tuottama valon määrä vastaisi 60 watin hehkulamppua, tulisi sen valon määrän olla 800 lumenia. Oheinen taulukko kertoo hehkulampun tehon ja valon määrän suhteen toisiinsa.

Taulukko: Tehon watteina ja energiansäästölampun valon määrä lumeneina, suhde.

Hehkulamppu,
teho watteina

Led- ja energiansäästölamppu,
valon määrä lumeneina

15

140

25

250

40

470

60

800

75

1050

100

1520


Kuva: Hehkulampun tehon vastaavuus energiansäästölampun valon määrään.

teho_valovirta.jpg

Valaistusvoimakkuus

Yksi luksi on valaistusvoimakkuus, joka kuvaa yhden lumenin valovirtaa kun se jakautuu tasaisesti yhden neliömetrin alalle (1 lx = 1 lm/m2). Pintaan osuvan valon määrä vaikuttaa esimerkiksi siihen, miten helposti näet lukea sanomalehteä. Lapset ja nuoret näkevät lukea melko hämärässä, noin 100 luksin valossa, koska heidän näkökykynsä on vielä erinomainen. Yli 50-vuotiailla valon määrän tarve on jopa kaksinkertainen verrattuna alle 20-vuotiaisiin.

Lue lisää: http://www.lampputieto.fi/

Valkoinen valo koostuu eri värisistä valoista:

Valkoinen valo sisältää kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia. Tämä voidaan osoittaa helposti lasiprisman avulla, suuntaamalla kapean raon läpi valkoista valoa prismaan, kuten kuvassa. Syntynyt spektri eli värikirjo havaitaan prisman toisella puolella valkoisella varjostimella. Jokaisella spektrin värillä on oma aallonpituus, punaisella pisin.

Kuva: Valkoisen valon hajottaminen prisman avulla sateenkaaren väreihin.

Prisma.jpg

Kuva: Sateenkaaren värien aallonpituudet.

valon_aallonpituus.jpg

Miksi esineet ovat eri värisiä?

Kun valkoinen valo osuu johonkin kohteeseen, osa siitä imeytyy pintaan ja osa heijastuu. Heijastuvan valon aallonpituudet määräävät sen, minkä värisenä kohteen havaitsemme.

Yhteyttämisen eli fotosynteesin kannalta valon määrä on tärkeää, mutta ei ole oleellisinta. Vain lehtivihreään imeytyvä säteily on kasvin tarvitsemaa energiaa. Tehokkaimmin lehtivihreään imeytyy sininen ja punainen säteily, vihreän ja keltaisen kasvi usein heijastaa pois. Viherkasvien väristä voidaan siis päätellä, että yhteyttäminen ei vaadi vihreän värin aallonpituutta.

Tiesitkö, että... Mikä on valon ja valaistuksen ero?

Valaistuksesta puhuttaessa, ei tarkoiteta valonlähteen kirkkautta vaan sitä, miten paljon valon ympärillä olevat pinnat ja esineet vastaanottavat ja heijastavat valoa. Valon kirkkaus heikkenee etäisyyden kasvaessa.

Kuva: Keittiön valot ja valaistus.

keittion_valaistus.jpg

Miten nopea valo on?

Valo kiitää sekunnissa 300 000 km. Tällä nopeudella se kiertäisi maapallon ympäri seitsemän ja puoli kertaa sekunnissa, mikäli siis voisi kiertää ympyrää. Äänikin kulkee mielestämme nopeasti, mutta äänen nopeus on noin 330 m/s. Niiden nopeuseron voi ymmärtää, kun tutkimme tilannetta ukonilmalla. Salaman näemme heti, mutta ääntä joudumme odottamaan. Ääneltä kuluu noin kolme sekuntia aikaa kilometrin matkaan. Jos siis ukkonen iskee kolmen kilometrin päässä, kuulemme äänen vasta yhdeksän sekunnin kuluttua. Samalla laskutavalla voimme päätellä ukkospilven etäisyyden: jos salamaiskusta jyrinään kuluu kuusi sekuntia, on ukkonen kahden kilometrin päässä.

Kuu heijastaa Auringon valoa ja Kuusta heijastuneelta valolta kestää matkata Maahan noin 1,3 sekuntia. Kuu on siis noin 400 000 kilometrin etäisyydellä maasta. Auringosta valon matka kestää 8 min 20 s, joten Auringon etäisyys Maasta on paljon suurempi noin 150 miljoonaa kilometriä. Seuraavaksi lähimmältä tähdeltä, Proxima Centaurilta matka kestää noin 4,2 vuotta. Mitähän tämä matka olisi kilometreinä?

Miten varjot syntyvät?

Valon kannalta aineet ovat erilaisia. Valo pystyy läpäisemään toisia aineita, kuten ilma, lasi ja vesi. Vastaavasti kivi, paperi ja rauta ovat aineita, joita valo ei läpäise. Tällaisten valoa läpäisemättömien aineiden taakse syntyy varjo, tumma valoton alue, mikäli valoa tulee vain yhdestä suunnasta. Jos esim. koululuokassa halutaan, ettei varjoja synny, tarvitaan useita valonlähteitä eri puolille luokkaa.

Varjoja on kahdenlaisia. Yksittäinen pistemäinen valonlähde synnyttää esineen taakse selkeärajaisen mustan sydänvarjon.
sydanvarjo.jpg

Jos valonlähde on laaja, syntyy esineen taakse varjo, jossa keskellä on tumma sydänvarjo ja sen ympärillä harmaa alue, jota kutsutaan puolivarjoksi.


puolivarjo.jpg

Mikä määrää varjojen pituuden?

Monesti huomaa, että varjo on pidempi kesäiltana kuin päivällä. Mistä se johtuu? Varjon pituus johtuu Auringon korkeudesta taivaalla. Mitä korkeammalta aurinko paistaa sitä lyhyempi varjo ja mitä matalammalla aurinko on sitä pitempi varjo. Toisaalta varjon pituuteen vaikuttaa myös, millaiselle pinnalle varjo muodostuu ja missä suunnassa pinta on.

Läpinäkyvät ja läpikuultavat aineet

Osa aineista läpäisee valoa. Tällaisia aineita ovat esim. vesi ja lasi. Puhtaina niitä saattaa olla jopa vaikea havaita, koska valo kulkee niiden läpi. Jos valo tulee kohtisuoraan lasin takaa havaitsijan silmään, lasia on lähes mahdotonta havaita. Nähdäksemme läpinäkyvän aineen, täytyy sen hiukan myös heijastaa valoa silmiimme. Onneksi pääsääntöisesti näin käykin. Muutoin kävelisimme päin ikkunoita tai vaikkapa suoraan järveen.

Ilma on kuitenkin erittäin läpinäkyvää ainetta. Koska sillä ei ole selkeää rajapintaa, se ei voi heijastaa valoa kuten lasin ja veden pinta. Ilmassa voi kuitenkin joskus nähdä valokeilan. Sen näkemiseen vaaditaan jotakin valoa heijastavaa esimerkiksi savua tai vesihöyryä.

Kuva: Sumussa tai savussa näkyvä valokeila.

valokeila.jpg

Millaisia ovat läpikuultavat aineet? Läpikuultaviksi aineiksi kutsutaan aineita, jotka päästävät valoa lävitseen osittain. Tällaisia aineita ovat esimerkiksi värillinen tai maalattu lasi ja ohut paperi. Niiden läpi näkee valoa, muttei yksityiskohtia.

Valon heijastuminen:

Kun valo kimpoaa esineen pinnasta, kutsutaan sitä valon heijastumiseksi. Valon heijastuminen noudattaa tiettyä sääntöä. Sääntöä voidaan hahmottaa kiekon osumisella kaukalon laitaan. Jos laukaiset kiekon kohtisuoraan laitaa vastaan, kiekko liukuu samaa reittiä takaisin. Jos taas lyöt kiekko vinosti laitaa vasten, kiekkokin kimpoaa vinosti, mutta ei enää takaisin, vaan jatkaa matkaansa lyöjästä poispäin. Mitä vinompaa kiekon lämäät, sitä vinompaan se myös kimpoaa.

Kuva: Heijastuslaki, tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma.

heijastuslaki.jpg

Hajaheijastus:

Hajaheijastukseksi kutsutaan valon heijastumista sellaisesta pinnasta, joka ei ole täysin tasainen. Yksittäinen valonsäde noudattaa toki valon heijastumissääntöä, mutta koska pinta on epätasainen, valoa heijastuu pinnasta riippuen, jopa kaikkiin suuntiin. Tällaiset pinnat eivät ole mitenkään harvinaisia. Vaikka mielestämme paperin pinta on tasainen, valo ei ole samaa mieltä. Valon kannalta pinta on epätasainen ja silloin valo hajaheijastuu.

Kuva: Epätasainen pinta hajaheijastaa valoa.

hajaheijastus.jpg

Valon taittuminen:

Totesimme aiemmin, että valo kulkee suoraviivaisesti. Näin onkin, jos valo kulkee koko ajan samassa aineessa. Osuessaan kahden aineen rajapintaan, aine joko heijastuu valoa läpäisemättömillä pinnoilla. Jos valo kohtaa valoa läpäisevän aineen rajapinnan, valo pääsääntöisesti taittuu. Ainoa poikkeuksen valo tekee silloin, kun se tulee pinnan suuntaan nähden kohtisuoraan.

Kun valo kulkee vinosti esimerkiksi ikkunalasin läpi, muuttuu sen kulkusuunta ensin taittuen pinnan normaalia kohti. Kun samainen valonsäde tulee lasista ulos, taittuu se saman verran pinnan normaalista poispäin. Valo palaa siis alkuperäiseen suuntaansa, mutta kulkee nyt eri kohdassa. Tätä muutosta kutsutaan yhdensuuntaissiirtymäksi.

Kuva: Valo taittuu, kun se kulkee läpinäkyvän aineen läpi.

valon_taittuminen.jpg

Valon taipuminen

Taipumiseksi kutsutaan ilmiötä silloin, kun aineen rajapinta ei ole selkeä. Taipumista tapahtuu silloin, kun valo tulee avaruuden tyhjiöstä ilmakehään. Rajapinta ei ole selkeä vaan tyhjiö muuttuu hiljakseen tyhjiöstä ilmakehäksi. Taipumisen vuoksi taivaanrannalla näkyvä tähti ei olekaan siellä, missä se näyttää olevan vaan hiukan sen alapuolella.

Kuva: Valo taipuu, ei taitu, saapuessaan ilmakehään, koska ilmakehällä ei ole selkeää rajapintaa.

valon_taipuminen.jpg

Miksi aurinko muuttuu laskiessaan punaiseksi?

Sironta on sitä voimakkaampaa, mitä lyhyempää säteilyn aallonpituus on. Valkoisesta valosta sininen valo siroaa siis voimakkaammin kuin punainen, joten sinistä valoa näyttää tulevan joka suunnasta. Sironta tarkoittaa valonsäteen heijastamista poikkeavaan suuntaan.

Auringon ollessa taivaanrannassa matalalla, joutuvat auringon säteet kulkemaan pisimmän matkan halki ilmakehän, jolloin sininen sirottuu auringon valosta pois ja jäljelle jäävät punertavat värisävyt. Ilmassa leijuvat epäpuhtaudet, savu, utu yms. aiheuttavat samanlaisen sinistä valoa hävittävän ilmiön; savun ja udun läpi aurinko näyttää punertavalta.

Aamuruskon värit eivät ehkä näytä yhtä punaisilta kuin illalla, koska ilma on aamulla usein yön jäljiltä puhtaampaa kuin illalla. Sironneesta valosta johtuvat ilmiöt jäävät kalpeammiksi kuin illalla. Useimmilla ihmisillä on myös enemmän mahdollisuuksia iltahämärän tarkkailuun, aamurusko jää näin huomaamatta. Ilmiö on kuitenkin symmetrinen, aamuhämärässä tapahtuvat samat ilmiöt, mutta päinvastaisessa järjestyksessä.

Kuva: Sironta tapahtuu voimakkaasti, kun aurinko paistaa alhaalta.

valon__sironta.jpg

Kuun väristä vielä:

Kuu on päivällä puhtaan valkoinen, koska silloin taivaan sirottama voimakkaan sininen väri yhtyy kuun omaan kellertävään valoon. Myös noustessaan ja laskiessaan päivällä se on likimain väritön, himmeä ja vain hivenen kellertävä. Auringon laskiessa ja taivaan sinen kadotessa kuu muuttuu vähitellen keltaisemmaksi, ja tietyllä hetkellä siitä tulee kauniin puhtaan keltainen, väri tuntuu vielä voimakkaammmalta kontrastin vuoksi. Kun hämärän aika on päättymässä, väri palautuu kellanvalkeaksi todennäköisesti siksi, että ympäristö pimenee ja kuunvalo tuntuu hyvin kirkkaalta. Lopun yötä kuu pysyy edelleen kellertävänä aivan kuten aurinko päivällä. Lähimmäksi valkoista väri tulee kirkkaina talviöinä kun kuu on korkealla, mutta horisontin lähellä se näyttää oranssilta tai punaiselta niin kuin laskeva aurinko. Jos kuuta ympäröivät pienet, heleän purppuraiset pilvet, se vivahtaa vihreänkeltaiseen ja jos pilvet ovat lohenpunaisia, kuu muuttuu melkein sinivihreäksi. Nämä vastavärit ovat kuunsirpissä vielä selvempiä kuin täysikuussa.

Teksti on suora lainaus: http://www.kysy.fi/kysymys/miksi-kuu-noustessaan-punertava

Kokonaisheijastus:

Kun valo tulee optisesti tiheämmästä aineesta optisesti harvempaan aineeseen, esimerkiksi valon tullessa vedestä ilmaan, se taittuu pinnan normaalista poispäin. Kun tulokulmaa, α1, kasvatetaan, kasvaa myös taitekulma α2. Se kasvaa kuitenkin tulokulmaa nopeammin ja melko nopeasti kulma, α2, kasvaa 90 asteeseen eli aineen rajapinnan suuntaiseksi. Tätä tulokulmaa, α1, kutsutaan kokonaisheijastuksen rajakulmaksi. Tätä suuremmilla tulokulmilla valo ei enää taitu vaan alkaa heijastua veden pinnasta. Heijastunut valonsäde noudattaa heijastumislakia, eli tulokulma ja heijastumiskulma ovat yhtä suuria.

Kuva: Kokonaisheijastus tapahtuu, kun valo tulee optisesti tiheämmästä aineesta optisesti harvempaan, riittävän suuresa tulokulmassa. Kuvasta näkyy, että pienillä tulokulmilla valo sekä taittuu että heijastuu läpinäkyvässä pinnassa.

kokonaisheijastus.png