Tuntuu epäloogiselta, että vaalean aineen ja kirkkaan veden yhdistelmä on synkän tumma. Arvoituksen selittää optiikka.

Kalajoen tai Yyterin hiekkasärkät näyttävät aurinkoisena kesäpäivänä samalta kuin maailman kuuluisimmat, turistien kansoittamat hiekkarannat eli vaalean kellertäviltä, ehkä jopa kullankeltaisilta.

Joillakin vulkaanisilla saarilla rannan hiekka on tummempaakin, jopa mustaa. Sellainen näyttää eksoottiselta mutta myös likaiselta. Mikä pahinta, mieleen saattaa tulla pilvinen, sateinen päivä: märkä hiekka.

Märkä hiekka kun on tummempaa kuin kuiva. Eksaktimmin sanottuna märän hiekan albedo eli heijastavuus on 0,2-0,3, kuivan noin 0,4. Esimerkiksi puhtaan lumen albedo voi olla jopa yli 0,95, kun puuhiilen vastaava luku on alle 0,04.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Mutta miksi vaalea hiekka yhdistyneenä kirkkaaseen veteen tuottaa tummaa?

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Rosoinen tummuu kostuessaan

Vaikka intuitiota hieman loukkaakin ajatus, että kirkas vesi tekee pinnoista tummia, olemme tottuneet arvioimaan pintamateriaalien kosteutta juuri sen tummuudesta. Niin asfalttitie, puuvillainen t-paita kuin betonitalokin tummuvat sateessa aivan kuin hiekka.

Näitä kaikkia materiaaleja yhdistää, että ne ovat hieman rosoisia. Sen sijaan esimerkiksi sileä marmori suorastaan kiiltelee märkänä. Miksi?

Vesikalvo sileän pinnan päällä heijastaa osan valosta kimallellen suoraan ilmaan. Valo heijastuu tasaisesta marmorista myös vesikalvon alta aivan kuten kuivana. Palatessaan veden ja ilman rajapinnalle valonsäde hieman taittuu, kuten fysiikan oppikirjoissa on kerrottu. Säde kuitenkin tavoittaa verkkokalvomme.

Jos materiaali on rosoinen, osa valonsäteistä kohtaa vesikalvon alla olevan pinnan niin jyrkässä kulmassa, että säde heijastuu varsin loivasti kohti vesikalvon ja ilman rajapintaa. Jos tämä kulma ylittää niin sanotun kriittisen kulman, tapahtuu kokonaisheijastuminen. Tämäkin ilmiö on tuttu optiikan johdantoteksteistä. Siinä valonsäde heijastuu kokonaan takaisin alaspäin veden ja ilman rajapinnasta, tässä tapauksessa kohti vesikalvon alla olevaa materiaalia eli hiekanjyvää.

Valonsäde kuin flipperissä

Kun valonsäde heijastuu toisesta hiekanjyvästä, se voi taas joko läpäistä vesikalvon tai kokonaisheijastua siitä jälleen kerran takaisin. Kummin käy, riippuu siitä, minkä suuntaiselle hiekanjyvän pinnalle valonsäde sattuu osumaan.

Lopulta valonsäde tulee sopivan suorassa kulmassa rajapinnalle ja pääsee hieman taittuneena ulos ja tarkkailijan verkkokalvolle. Miksi se näkyisi nyt himmeämpänä?

Mitä useamman kerran valonsäde on joutunut tässä flipperissä heijastumaan hiekanjyvästä, sitä enemmän hiekka on imenyt sen energiaa. Jos materiaali on kuivaa tai sileää, heijastuminen tapahtuu vain kerran. Rosoisessa, vesikalvon peittämässä materiaalissa ainakin osa valonsäteistä heijastuu useamman kuin yhden kerran.

Marko Hamilo on tiedetoimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 7/2009.

Sisältö jatkuu mainoksen alla