Sjena

“Pulvis et umbra sumus.” (Horace)

“It requires a much higher degree of imagination to understand the electromagnetic field than to understand invisible angels.” (R. P. Feynman)

Mnogi od nas ne bi znali pravilno odgovoriti djetetu kad bi nas upitalo: „Šta je to sjena?“. A ispostavlja se da sjene imaju neka vrlo zanimljiva svojstva.

Kao što je poznato, mi vidimo svijet sakupljajući svjetlo koje nam dolazi do očiju. To znači da ako nam u oči ne uđe svjetlo iz određenog smjera mi taj pravac smatramo tamnim. Šta to znači? Npr. u učionici, kada se upale svjetla obično ne postoji nijedan dio učionice koji je taman jer je soba ispunjena reflektirajućim objektima (zidovi, plafon i ostali objekti) – tako da svjetlo dolazi do naših očiju iz svih smjerova. U praznini svemira, svjetlo (od Sunca) može biti prisutno, ali  odsustvom reflektirajućih objekata koji svjetlo usmjeravaju prema nama, mi vidimo samo tamu.

Jedan od zanimljivijih fenomena koji prikazuje različite nijanse te tame su svakako sjene. Ko od nas se kao mali nije zapitao šta su to zapavo sjene?!

Sjena je posljedica jednostavne, ali važne činjenice da se svjetlosne zrake prostiru u pravcima.

Izgled sjene zavisi od veličine izvora svjetlosti, udaljenosti tog izvora do cilja, ugla upada svjetlosnih zraka, materijala na koji pada svjetlo, itd.

Generalno, sjena (lat. Umbra) u užem smislu se može definisati kao površina na koju ne padaju svjetlosne zrake, i nastaje kada je izvor svjetlosti tačkast. Međutim, kada je izvor svjetlosti veći (veći prečnik) tada se javlja i polusjena (lat. Penumbra) kao djelimično osvijetljeni rub sjene. Da se stvari još više zakomplikuju, postoji i tzv. Antumbra (npr. u slučaju pomračenja Mjeseca (slika 1).Diagram_of_umbra,_penumbra_&_antumbra.png
                                  Sl.1 Umbra, penumbra i antumbra, u slučaju pomračenja Mjeseca

Dakle,  umbra, penumbraantumbra su tri različita dijela sjene, koja nastaju kada svjetlosne zrake nailaze na neprozirni objekat (objekti koji ili reflektuju, ili apsorbiraju ili raspršuju svjetlost).

Ovi nazivi (umbra, penumbra i antumbra) koriste se često za opisivanje sjene kod nebeskih tijela, a ponekad i za definisanje nivoa zatamnjenja (npr. kod Sunčevih pjega).

Umbra je, dakle, unutrašnji, najtamniji dio sjene, gdje je izvor svjetlosti potpuno blokiran neprozirnim tijelom koji ne propušta svjetlosne zrake. Posmatrač unutar umbre doživljava potpuno pomračenje. Umbra okruglog tijela za kružni izvor svjetlosti formira konusnu površinu (slike 1 i 2).Clipboard01.jpg                                                                       Sl. 2 Umbra (A) i penumbra (B)

Penumbra (lat. paene – skoro, blizu) je region unutar kojeg je samo dio svjetlosnih zraka onemogućen neprozirnim tijelom, tj. rub sjene je djelimično osvjetljen. Posmatrač unutar penumbre doživljava parcijalno (djelimično) pomračenje.

Antumbra (lat. ante – prije) je region unutar kojeg se čini da se neprozirno tijelo nalazi potpuno unutar diska izvora svjetlosti (slika 1).  Posmatrač unutar antumbre doživljava tzv. prstenasto (eng. annular) pomračenje u kojem se vidi svjetli prsten oko tijela koje uzrokuje pomračenje (sl. 1).

Antumbra.jpg                  Sl.3  Umbra, penumbra and antumbra koji se formiraju kroz prozore i roletne

Slika 4 pokazuje udaljenost do koje seže tzv. umbralni konus iza Mjesečeve orbite. Mjesec je prikazan kao žuta tačka.Earth_umbral_cone_(partial).png                                        Sl. 4 Zemljina sjena (u razmjeri) u pravcu Mjesecu

Na sl. 5 su prikazane umbra i penumbra na Zemlji uslijed pomračenja Sunca (Mjesecom) na određenim dijelovima Zemlje.

Clipboard01.jpg
                                       Sl. 5 Geometrija pomračenja Sunca (slika nije u razmjeri)

Kada svjetlost pada na prozirne materije (npr. staklo, voda), tada zrake svjetlosti prolaze kroz date materijale i i ne stvaraju sjenu. Drugi materijali (npr. drvo, metal, cigle, beton) ne propuštaju svjetlosne zrake i na taj način prave sjene.

Jedna od zanimljivosti vezana za staklo kao prozirni materijal je njegova atomska strukura. Frekvencija vidljive svjetlosti iznosi 430–770 THz, što je veoma blisko prirodnim oscilacijama elektrona u prozorskom staklu. Ovi elektroni se zato lako stimuliraju vidljivom svjetlosti – svaki put kada se elektroni “pogode” fotonom, proizvede se identičan foton koji “leti” do slijedećeg atoma, pa onda slijedećeg, u neprekidnom lancu, sve dok konačno potpuno novi foton ne “izađe” iz stakla. To je ono što čini staklo prozirnim. Dakle, foton koji udari u staklo se kontinualno reproducira sve dok iza stakla ne izađe njegova savršena kopija. To znači da svjetlo koje dođe do vaših očiju, ako se nalazite iza stakla, nije isto kao svjetlo koje je došlo do tog stakla.

Dužina sjene zavisi od ugla pod kojim svjetlost pada na predmet. Za vrijeme sunčanog dana sjene imaju različitu dužinu u raznim trenucima dana zbog promjene položaja Sunca. Uslijed kretanja Sunca mijenja se i pravac Sunčevih zraka. Kako dan protiče sjene se stvaraju u različitim pravcima. Ta promjena pravca sjena upotrijebljava se u sunčanom satu, te se na taj način može izmjeriti vrijeme. Pročitaje o tome i moj članak o gnomonima.

Poprečni presjek sjene je 2D struktura (silueta), ili obrnuta projekcija objekta koji blokira svjetlost.Magla, oblak prašine ili dim mogu prikazati 3D oblik sjene u određenim slučajevima.

Tokom dana, sjena koju baca neprozirni objekat osvjetljen sunčevom svjetlosti ima plavkastu nijansu. Ovo se događa zbog tzv. Rayleighovog raspršenja, istog fenomena koji uzrokuje plavu boju neba. Neprozirno tijelo može, naime, blokirati sunčevu svjetlost, ali ne i ambijentalnu svjetlost neba koje je plavo jer atmosferske molekule efikasnije raspršuju plavi dio svjetlosti. Kao rezultat toga, dnevne sjene postaju plavkaste.

Sjena je, takođe, važan faktor za biljni i životinjski svijet u tropskim zonama (a i drugdje) jer obezbjeđuje hlad.

Zanimljivo je da se u odsustvu difuznih atmosferskih efekata u vakuumu svemira proizvode  sjene koje su veoma oštre i jasno definisane.

Takođe, tokom pomračenja Sunca javljaju se veoma oštre sjene na Zemlji (i zanimljive varijacije boja) jer je sada Sunce praktično tačkasti izvor svjetlosti. Ukratko, tokom totalnog pomračenja Sunca sve na Zemlji izgleda veoma čudno. Nevjerovatno životno iskustvo, prema riječima ljudi koji su doživjeli totalno pomračenje Sunca. Dosta ljudi potroši životne ušteđevine da bi išli na mjesta gdje će se na Zemlji pojaviti totalno pomračenje Sunca.

Još jedna zanimljivost je da je moguće tokom npr. pomračenja Sunca, uslijed zakona difrakcije, projektovati hiljade “slika”  polumjeseca Sunca (koje nastaje tokom pomračenja Sunca) na Zemlji jer sunčeva svjetlost prolazi kroz lišće i granje na drveću, stvarajući tada, uslijed difrakcije, na Zemlji vlastiti psihodelični šou. To su, u biti, male tzv. pinhole kamere koje nam priroda svakodnevno poklanja.

Postavlja se pitanje koliko taman može biti objekat a da još uvijek stvara sjenu na Zemlji?

Već je poznato  da Sunce i Mjesec bacaju sjene. Manje je poznato da i Venera baca sjenu, ali pokazano je i da Jupiter može bacati sjenu (koja se doduše mora snimiti digitalnim kamerama sa dužim ekspozicijama).

Kad je Mjesec pun moguće je čitati novine napolju. Prividna magnituda Sunca je -26,7, a Mjeseca kada je pun -12,7. To znači da je svjetlost koja dolazi direktno sa Sunca oko 400 000 puta sjajnija nego svjetlost koja dopire sa Mjeseca. A takođe je poznato da je Mjesec veoma taman objekat, mnogo tamniji od Zemlje.

Još jedna zanimljivost je da zvijezde ne mogu proizvesti sjenu, iako je moguće vidjeti refleksiju nekih sjajnijih zvijezda u jezerima.

Iako je dosta manja nego u slučaju Mjeseca, moguće je vidjeti sjenu Venere ako je nebo čisto i nalazite se izvan grada i svjetlosnog onečišćenja. Ukoliko se nalazite na snijegu ili plaži, posao je olakšan (sl. 6).

handshadows_med3.jpg

                                                            Sl. 6. Snimak sjene koju baca Venera (60 sec, ISO 1600.)

Zanimjivo je da su sjene od Venere dosta oštre jer se Venera može smatrati tačkastim izvorom svjetlosti, za razliku od Sunca ili Mjeseca koji se smatraju diskovima (nisu tačkasti izvori svjetlosti). Što je veći disk, naime, mutnija je sjena, što sjene od Sunca i Mjeseca često ne čini naročito atraktivnim. Jedna od zanimljivosti je i da su sjene od Sunca i Mjeseca na  snježnom pokrivaču skoro identične radi iste ugaone širine spomenutih objekata na nebu.

To takođe znači da će sjene na Plutonu biti izrazito oštre jer je Sunce skoro pa tačkast izvor svjetla na toj udaljenosti, dok će sjene na Merkuru biti dosta mutne jer je Sunce veoma blizu Merkura. Sunce se veoma sporo kreće na Merkuru i treba mu 88 dana da obiđe od horizonta do horizonta, a čini se 3,3 puta veće nego na Zemlji, što proizvodi veoma nejasne (mutne) sjene.

Isto važi i za “Zemaljska” osvjetljenja. Halogena sijalica koja je dosta mala daje oštre sjene. Obična sijalica (kruška) daje mutnije sjene dok neonske sijalice zbog svoje veličine skoro da i ne bacaju sjenu.

Smatra se da tijela sa prividnom magnitudm manjom od -4 ne mogu bacati sjene na Zemlji, međutim kanadski amater astronom Laurent V. Joli-Coeur uspio je snimiti sjenu koju baca Jupiter. Ubacio je kameru untar Sunčevog sata, i snimio je tri slike koje demonstriraju sjenu od Jupitera na Zemlji (sl. 7)

jupiter_shadow.jpg

                                                               Sl. 7. Sjena gnomona koju baca Jupiter 

Nadalje, slijedeće pitanje je mogu li neka druga nebeska tijela proizvesti sjenu?

Moguće je npr. da bolid (meteor velikog sjaja) proizvede kratkotrajnu sjenu. Naravno, tu su i sjajniji kometi kao što je slučaj Velikog kometa iz 1910. godine.

Još jedan mogući izvor sjena su i bliže (nadamo se ne preblizu) Supernove. Supernova iz 1604. godine bila je svjetla gotovo kao jupiter, a bila je udaljena “svega” 6000 svjetlosnih godina.

A šta je sa sjenom same Zemlje?

Svake večeri u sumrak jasno definisana plavo-siva horizontalna traka pojavljuje se iznad istočnog horizonta i tu se zadržava oko 15 minuta nakon zalaska Sunca. Nije posebno suptilna niti relativno rijetka. Ovaj fenomen pojavljuje se,naime, svake vedre večeri. Nazvana “Klin sumraka” (eng. Twilight wedge) to nije ništa drugo nego sjena naše Zemlje, tj. sjena koju Zemlja baca u svemir!

Zanimljivo je da Zemljina sjena nije tamna. Naš planet baca dosta šarenu sjenu u svemir jer se izlasci i zalasci Sunca na Zemlji  kombinuju u nevjerovatan prsten koji okružuje unutrašnjio dio sjene. Tako npr. kod pomračenja Mjeseca (Zemljom) boje mogu varirati, od crne do bijele (između ostalih sive, smeđe, crvene, bakrene, narandžaste, žuto-bijele), zavisno od atmosferskog praha, oblaka, vlage, zagađenja. Može se reći da pomračenje Mjeseca pokazuje stanje naše atmosfere u datom trenutku.

Sjene inspirišu i mnoge umjetnike. Svi smo se mi igrali sa sjenama još u mladosti. Neki to nastave i kada odrastu.

Tim Noble i Sue Webster, npr. od raznih iskorištenih materijala poput starih dasaka od namještaja ili automobilske gume, izrađuju skulpture koje uz ispravno usmjerenu svjetlost stvaraju impresivne slike od sjene (video ispod).

Takođe, širom svijeta mnogi fotografi igraju se sa sjenama i svjetlošću, kreirajući fantastične slike svijeta oko nas.

Kumi Yamashita jedan je od mnogih koji na kreativan način predstavlja sjene.

Shadow art je poseban izričaj u umjetnosti slikanja svjetlom.

Kako god ih predstavili i opisali, sjene će uvijek biti dio našeg okruženja. I slijedeći put kada vas neko dijete znatiželjno upita “Šta su to sjene?”, nadam se da ćete im dati neki zanimljiv odgovor.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s