Czym jest tranzycja swiatła? Jakie przykłady możemy zobaczyć?

Światło jest wszechobecne we Wszechświecie oraz środowisku. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne wykrywalne przez ludzkie oko. Więcej na temat światła jak i podstawowych sposobów jego pomiaru napisałem tutaj. Teraz chciałbym opisać bardzo powszechne zjawisko, które występuje zarówno w kosmosie jak i w atmosferze ziemskiej jakim jest tranzycja światła.
Ten artykuł prezentuje znaczne uproszczenie tego zjawiska,  gdyż  nie zamierzam bombardować Cię różnymi wzorami czy wysoce naukową terminologią. Chciałbym pokazać Ci to zjawisko od strony praktycznej i mam nadzieje, że mi się to uda 🙂
Po pierwsze tranzycja światła może zachodzić w danym ośrodku, raczej nie jest spotykana w próżni. Tranzycja światła jest rodzajem molekularnej przemiany elektronów (Molecular electronic transition).  Jej kwintesencją jest to, iż elektrony w molekułach są pobudzane (Electron excitation)  na wskutek energii z fotonów  otrzymywanej z zewnątrz. Mamy w tym  przypadku do czynienia z elektronowym stanem wzbudzenia. W konsekwencji wzbudzone elektrony mają większą  energię niż w stanie podstawowym. Przedkładając to na język praktyczny, zmiana energii wywołana przejściem danego elektronu do stanu wzbudzenia skutkuje zmianami właściwości molekularnych, do których należy np. kolor. Innym efektem może być emisja światła, ale nie zawsze będzie to dotyczyło widzialnego spektrum. Światło w dużej mierze emitowane jest w momencie kiedy elektrony tracą swoja energię i wracają do stanu pierwotnego – stanu. Więcej na temat generalnego mechanizmu tranzycji w  przyrodzie zawarte jest w teorii Landau (Landau theory). Tranzycja światła jest częścią tego  mechanizmu. Ona zachodzi gwałtownie i jest związana z nagłą zmianą poziomu światła w otoczeniu. W praktycznym ujeciu najlepiej nawiązuje ono do różnicy pomiędzy oświetlonym i zacienionym miejscem w odniesieniu do percepcji ludzkiego oka.

     1.  ŚWIATŁO I CIEŃ – TYPOWY PRZYKŁAD

Zasadniczo mamy światło i cień. To proste. Jeżeli coś nie jest oświetlone jest po prostu zacienione. Musimy jednak zrozumieć, iż pomimo dystansu pomiędzy obszarem oświetlonym i zacienionym będziemy  mieli zawsze strefę półcienia. Każdy półcień ma jasną i ciemną krawędź w pobliżu tranzycji światła z obszaru w pełni oświetlonego do częściowo zacienionego i dalej od częściowo zacienionego do całkowicie zacienionego (Ryc. 1).

Ryc. 1 Tranzycja światła pomiędzy obszarem  w pełni oświetlonym i w pełni  zacienionym (Gilles, Minnaert, 1954).

Powyższy wykres ewidentnie wskazuje na istnienie jasnej oraz ciemnej krawędzi wyraźnie odgraniczających strefę półcienia. Jest to efekt percepcji ludzkiego oka możliwy do zaobserwowania najlepiej na białeych lub jednokolorowych powierzchniach (Ryc. 2).

Ryc. 2 Tranzycja światła pomiędzy obszarami oświetlonymi oraz zacienionymi w pełni. W każdym z przypadków użyto w miare jednokolorowej powierzchni. Czerwone strzałki wskazują najjaśniejszą “linię” pomiędzy obszarem w pełni oświetlonym a półcieniem. Wspomniana “linia” stanowi jednocześnie granice zewnętrzną półcienia. Z kolei niebieskie strzałki wskazują inną “linię” odgradzającą półcień od obszaru całkowicie zacienionego, która jest najciemniejsza.Widać, iż wewnętrzna część obszaru zacienionego wydaje się być nieco jaśniejsza niż ta będąca w pobliżu strefy półcienia.

Ta iluzja optyczna będzie obserwowalna wszędzie gdzie wiązka światła napotka na przeszkodę. Przeszkody te mogą zasłaniać źródło światła całkowicie lub częściowo. To zależy od rozmiaru przeszkody w stosunku do (kątowych)  rozmiarów źródła światła. W sytuacji, gdy będą one zbyt małe aby przysłonić źródło światła całkowicie wówczas jedynie najjaśniejsza “linia” będzie możliwa do zauważenia pomiędzy obszarami w pełni oświetlonymi a częściowo zacienionymi. Inna “linia” znajduje się na granicy półcienia i cienia całkowitego, jak juz wyżej wspomniano. Być może będziesz w stanie zauważyć, że wewnętrzna część w pełni zacienionego obszaru jest nieco jaśniejsza niż dąc w kierunku jego granic. Warto wspomnieć, iż czasami będziemy mogli zobaczyć więcej niż pojedyńczy cień (Ryc. 3, 4), który niekoniecznie musi zakrywać źródło światła całkowicie.

Ryc. 3 Mechanizm  podwójnego cienia,  który najczęściej zauważalny jest w przypadku drzew pozbawionych liści, gdzie dwie gałęzie zasłaniają źródło światła jednocześnie ((Gilles, Minnaert, 1954).

Ryc. 4 Podwójny cień może być widoczny np. pod drzewami. Mamy trzy główne obszary zaznaczone niebieskimi strzałkami: 1 – kompletnie zacienione, gdzie jedna lub więcej przeszkód zasłaniają źródło światła całkowicie będąc wystarczająco blisko powierzchni; 2 – jeden lub więcej cieni rzucanych przez gałęzie i liście który ostatecznie jest półcieniem gdyż obiekty są daleko od powierzchni i tym samym zbyt małe aby zasłonić źródło światła całkowicie; 3 – obszar całkowicie oświetlony.

W sytuacji gdy mamy więcej obiektów zasłaniających źródło światła jednocześnie, zaś promienie mogą wciąż przechodzić przez nie wówczas zjawisko tranzycji światła nie będzie tak widoczne.
Taki przykład może być obserwowany również podczas cześciowego zaćmienia Słońca, kiedy cienie rzucane przez Słońce zanikają i pojawiają się asymetrycznie z innej strony w miare postępu zaćmienia. Jest to wytłumaczalne poprzez zmiany widocznościi tarczy Słońca podczas zaćmienia, gdzie w miarę przebiegu zjawiska obserwujemy kształ “sierpa” zmieniającego swoją orientację (Ross, Diamond, Badcock, 2003).

Analogii w zjawisku opisanym powyżej należy doszukiwać się także w innym, podobnej iluzji optycznej związanej z pofałdowanym obszarem charakteryzującym się występowaniem niewysokich grup górskich ułożonych równolegle do siebie. Zjawisko nosi nazwę Pasm Macha (Mach Bands). Jest to iluzja optyczna polegająca na tym, że kontrast pomiędzy krawędziami nieco innych cieni jest wzmocniony. Jest to efektem percepcji ludzkiego oka skupiającej się na wykrywaniu krawędzi pomiędzy dwoma obszarami o niewielkiej różnicy jasności. W rezultacie kontrast danej krawędzi wykazuje tendencje do wzmocnienia w stosunku do całego obszaru o tej samej jasności (Gilles, Minart, 1954) (Ryc.5,6).

Ryc. 5 Schemat występowania Pasm Macha w terenie gdy patrzymy daleko. Falisty obszar powoduje iluzję kontrastu. Jeżeli spojrzysz na rysunek poza obszarem zaznaczonym przerywaną linią zobaczysz to lepiej. Patrząc na przykładowe pasmo górskie możemy zauważyć, iż jest ono nieco jaśniejsze u podstawy. Analiogicznie wygląda to na schemacie przedstawionym po lewej stronie ryciny, gdzie na granicy pomiędzy obszarami o różnej jasności strefa ciemniejsza wydaje siębyć jeszcze ciemniejszą, a jaśniejsza jeszcze jaśniejszą (Wikimedia.org/Gilles, Minnaert, 1954).

Ryc. 6 Żywy przykład Pasm Macha,  który często jest zakłócony przez większa koncentrację aerozoli w najniższej części planetarnej warstwy granicznej. Najlepiej tę iluzję optyczną obserwować wtedy,  gdy atmosfera nad danym regionem jest przejrzysta. Park Narodowy Bryce Canyon – widok w kierunku Grand Staircase-Escalante National Monument, Utah, USA.

       2. PERCEPCJA LUDZKIEGO WZROKU I SIŁA WIDZENIA

Siła gromadzenia fali elektromagnetycznej jest najważniejszą zdolnością obserwacji światła przez ludzkie oko. Oko ludzkie posiada jeszcze inną zdolność, mianowicie potrafi dostosować się do poziomu oświetlenia w zatrważającej skali pomiędzy najsłabszymi gwiazdami a najjaśniejszymi źródłami światła będącymi około 100 trylionów razy silniejszymi od poprzednich (Schaaf, 2002). Nawet Księżyc w pełni jest w przybliżeniu 465000 razy słabszy niż Słońce (Schaaf, 2002).
Przykłady powyżej klarownie wskazują z jaką łatwością ludzkie oko potrafi się zaadaptować z warunków dziennych do nocnych i odwrotnie. Mechanizm ludzkiego oka oparty jest na dwóch  fundamentalnie różniących się (ale częściowo związanych ze sobą) systemów dla światła jasnego oraz słabego. Więcej możesz na ten temat poczytać w moim poprzednim artykule na temat światła wokół nas… Tam wspomniałemo światłoczułej komórce oka pracującej dobrze w tych dwóch odmiennych warunkach oświetleniowych. Każdy jest świadomy zmian rozmiaru źrenicy reagującej na zmiany poziomu oświetlenia otoczenia: źrenice są małe w jasnym otoczeniu i duże kiedy światła wokół nas jest mało. Źrenica może rozszerzać się od 2mm w pełnym świetle do nawet 8mm w pełnej ciemności. Jednakże wraz z wiekiem źrenica jest mniej reaktywna na takie zmiany z uwagi na fakt, iż oko staje się mniej zdolne do gromadzenia światła. Całe szczęście ta wada nie jest aż tak znacząca w ciągu całego naszego życia.
Zdolność widzenia słabo oświetlonych obiektów gołym okiem jest zasługą jego przystosowania do ciemności. Jak wspomniałem po części powyżej, a już na pewno w poprzednim artykule ludzkie oko ma dwa główne rodzaje fotoreceptorów: pręciki oraz czopki. Czopki służą do pracyprzy intensywnym oświetleniu dając możliwość np. na rozpoznawanie kolorów. Z kolei pręciki są wrażliwe na bardzo  słabe światło, ale nie dają  możliwośći rozróżnienia kolorów. Adaptacja do konkretnego poziomu światła przez ludzkieoko trwa chwilę i zależy od poziomu tranzycji. W ekstremalnych przypadkach, gdy nocą wychodzisz z jasno oświetlonego pomieszczenia na zewnątrz nie jestes w stanie widzieć słabszych gwiazd od razu. Pręciki potrzebują przynajmniej kilkuminutowej adaptacji do ciemności. Rozważając największą możliwą różnicę poziomu oświetlenia dla ludzkiego oka pełna adaptacja do zdolności widzenia najsłabiej oświetlonych obiektów może zając nawet od 15 do 30 minut (Schaaf, 2002). Zdolnością ludzkiego oka do widzenia słabo oświetlonych lub nieośwsietlonych obiektów jest jego adaptacja do ciemności (Adaptation) (Ryc. 7).

Ryc. 7 Krzywa adaptacji ludzkiego oka w zależności od czasu spędzonego w ciemności (Pirenne MH. 1962).

Adaptacja ludzkiego oka do ciemności winna obejmować także warunki przedadaptacyjne, które mogą się różnic w zależności od różnicy poziomu oświetlenia pomiędzy jaśnienszymi i ciemniejszymi obszarami. Intensywność oraz czas trwania warunków przedadaptacyjnych nawiązują ściśle do obszaru, w którym tranzycja światła ma miejsce. Kiedy tranzycja światła jest mocniejsza, o czym decyduje zarówno większa różnica w poziomie oświetlenia pomiędzy dwoma obsazarami jak i szerokość półcienia wtedy intensywność zmieniającego się światła do nowych warunków (pre-adapting light) będzie większa. W tym przypadku, kiedy poziom intensywności zmieniającego się oświetlenia do nowych warunków jest wyższy, wtedy dłużej pracują czopki na poczet pręcików, których reakcja jest opóźniona. Na dodatek potrzebują one więcej czasu do osiągnięcia progu absolutnego (absolute threshold) czyli minimalnej siły bodźca niezbędnego do zaistnienia doznań sensorycznych. Nieco inaczej jest w przypadku mniejszych intensywności zmieniającego się światła do nowych warunków   (Barlett, 1965) (Ryc.  8).

Ryc. 8 Krzywe adaptacji ludzkiego oka do ciemności w zależności od różnych warunków przedadaptacyjnych (Barlett, 1965).

Poziom oświetlenia padający na powierzchnię ludzkiego oka mierzony jest w Trolandach (Td)(Troland) wyrażanych jako stosunek ilości padającego światła  w cd/m² obejmującego zarówno widzenie dzienne (Photopic vision) jak i nocne (Scotopic vision) do średnicy źrenicy w mm (Ryc. 8). W przypadku słabego udziału półcienia, czyli w sytuacji gdy przeszkoda jest znacznie większa od źródła światła wtedy światło (pre-adapting light) pośrednie jest obserwowane znacznie krócej, co w konsekwencji prowadzi do dużo dłuższej adaptacj ludzkiego oka do ciemności (Ryc. 9). W przypadkach ekstremalnie krótkich “warunków przejściowych” krzywa czułości czopków jest w zasadzie nieobserwowana w przeciwieństiwe do sytuacji dłuższego okresu adaptacyjnego, gdzie zarówno pręciki jak i czopki mają odpowiedni czas na reakcję.

Ryc. 9 Krzywa adaptacyjna ludzkiego oka w oparciu o długość “warunków przejściowych” (pre-adapting light)(Barlett, 1965).

Warto zaznaczyć iż mamy jeszcze inne czynniki wpływające na adaptacje ludzkiego oka do ciemności. Są nimi długość częstotliwości progowej fali światła (threshold wavelength) oraz okres regeneracji rodopsyny. Ta pierwsza mówi nam o kolorze światła, z  jakim ludzkie oko ma do czynienia wpływając tym samym znacząco na krzywą adaptacyjną ludzkiego oka. Najlepszym jest czerwone źródło światła. Wynika to z tego, iż fale długie, takie jak czerwona nie doporwadzają do momentu, w którym czopki stałyby się bardziej wrażliwe na światło niż pręciki (rod-cone break). Czopki osiągają maksymalną czułość po ok. 5-10 min pobytu w ciemności. W  związku z powyższym, jeżeli w głębokiej ciemności rozświetlimy, nawet na krótko jasnym światłem nasze najbliższe otoczenie, będziemy potrzebowali takiego czasu do osiągnięcia maksymalnej czułości przez czopki. Z uwagi na fakt, iż czopki dostosowane są do widzenia w jasnym otoczeniu, ich poziom czułości pomimo osiągniętego maksimum będzie i tak dużo niższy od poziomu czułości pręcików przystosowanych do pracy w najciemniejszych warunkach. Do dalszej poprawy  wrażliwości wzrokowej w całkowitej ciemności będziemy potrzebować kolejnych ok.  20 minut. Tyle wymaga regeneracja rodopsyny po ekspozycji na błysk światła. Używanie czerwonego światła sprawia, iż poziom adaptacji ludzkiego oka na ciemność nie obniża się znacząco gdyż czopki pobudzane są do pracy w niewielkim stopniu. Ponadto zarówno czopki jak i pręciki mają podobną czułość na długie fale światła. W  przypadku fal krótkich natomiast obserwujemy znacząca zmianę wrażliwości wzrokowej (rod-cone break), gdyż pręciki będąc zaadaptowane do ciemności dużo bardziej reagują na światło (Barlett, 1965).
Proces adaptacji do ciemności oznacza także zmiany progu adaptacji do ciemności (dark adaptation threshold), który wskazuje poziom nateżenia światła przy którym niektóre puknty lub obiekty są widoczne dla obserwatora w danym momencie. To się dynamicznie zmienia wraz z postepującą adaptacją ludzkiego oka do ciemności. W konsekwencji wszystkie dostrzegalne źródła światła stają się mocniejsze. W sensie praktycznym za próg adaptacji do ciemności można uznać możliwość widoczności słabego, odległego, które warunkuje poziom jego natężenia w najbliższym otoczeniu obserwatora. W sensie wizualnym mocniejsze źródło światła eliminuje to słabsze czyniąc je dla obserwatora mniej widocznym lub nawet niewidocznym. Teraz warto pochylić się nad przykładem używania jasnej latarki emitującej światło białe w warunkach rozgwieżdżonego nieba. Jak juz wyżej wspomniano emisja krótkich fal elektromagnetycznych będzie skutkować obliżeniem poziomu adaptacji oka do ciemności. Ze światłem białym obejmującym cały zakres fal będzie jeszcze gorzej. W sytuacji gdy uzyjemy “białej” latarki do podświetlenia sprzętu lub otoczenia, a co gorsza nawet (przypadkowo) wzroku obserwatora wówczas jego próg adaptacji do ciemności ulegnie gwałtownej zmianie. W konsekwencji słabiej swiecące obiekty na niebie pozostaną dla niego niewidoczne przez jakiś czas. Dlatego w takich sytuacjach najbezpieczniejszym rozwiązaniem będzieużywanie latarki “czerwonej”, która nie przyczyni się do zmiany progu adaptacji do ciemności w sposób znaczący i pozwoli oszczędzic cenny czas przeznaczając go na kontynuacje obserwacji zamiast na ponowna adaptację oka do ciemności (Ryc. 10).

Ryc. 10 Efekt rozbłysku gwiazdy (Starburst effect) obserwowany przy okazji używania latarek w niemalże całkowitej ciemności. Porównanie pomiedzy światłem czerwonym a białym używanym przy nocnych obserwacjach nieba. Ten sam poziom oświetlenia zdjęcia udałosię uzyskać po 66 sekundach naświetlania dla latarek “białych” w porównaniu do  93 sekund dla latarek “czerwonych” przy ogniskowej f/5.6 i czułości ISO 12800. Widac namacalnie,  iż  lepiej do obserwacji gwiazd używać światła czerwonego, ponieważ inne światło, a zwłaszcza białe wpływa negatywnie na próg adaptacji ludzkiego oka do ciemności, który jest szalenie istotny przy  tego typu czynnościach. Okolice Horseshoe Bend, AZ, USA.

Całe szczęście, jeżeli błysk światła nie trwa długo i nie jest zbyt jasny, ludzkie oko jest w stanie bardzo szybko się zregenerować. Obserwując nocne niebo zawsze najlepiej jest używać światła czerwonego. Pręciki w zasadzie nie reagują na światło czerwone. One nie rozróżniają żadnych kolorów, a w warunkach światła czerwonego w zasadzie nie reagują na oświetlenie (Schaaf, 2002).
Adaptacja do konkretnego poziomu oświetlenia zachodzi także w ciągu dnia, jednakże jej przebieg jest dużo szybszy niż nocą. Najlepszym przykładem takiej adaptacji jest nadejście chmury burzowej. Grube i wysokie chmury cumulonimbus blokuja większość światła słonecznego przez co dzień przypomina bardziej wieczór, a niekiedy nawet zmierzch, zwłaszcza wewnątrz pomieszczeń (Ryc. 11). To było juz dyskutowane w jednym z artykułów poświęconym rozpraszaniu światła.

Ryc. 11 Moment tranzycji światła przy nadejściu chmury burzowej cumulonimbus Spójrz na podstawę  chmury widoczną z kilku kilometrów (1). Kiedy dolna część chmury jest wystarczająco daleko wtedy większa wiązka (rozproszonego) światła dociera do pola  widzenia obserwatora. W rezutacie podstawa chmury jest słabiej widoczna w przeciwieństwie do fotografii obok (2), gdypodstawa chmury przemieszcza się nad głową obserwatora. Prawa strona zdjęcia jest dużo jaśniejsza pomimo iż jest dużo mniej rozproszonego światła. Dzieki temu oprócz  samej podstawy chmury tak jak na zdjęciu po lewej (1) widoczne są szczegóły jej struktury. Odrzykoń, Polska.

Innym przykład dotyczymomentu, w którym np. wchodzimy do piwnicy, w której poziom jasności jest niski. Jeszcze innym przykładem znaczących zmian poziomu jasności otoczenia jest całkowite zaćmienie Słońca. W tym przypadku adaptacja ludzkiego oka nie trwa dłużej niż kilka sekund. Kluczową rolę w tranzycji światła pełni duża różnica w natężeniu oświetlenia pomiędzy jednym obszarem a drugim. Obszar bardziej oświetlony zwyczajnie eliminuje szczegóły obszaru mniej oświetlonego, który na pierwszy rzuto oka  jawi się jako “ciemna lub szara otchłań”.
W sytuacji gdy obserwator znajduje się bliżej do miejsca tranzycji wtedy zaczyna dostrzegać niektóre szczegóły znajdujące się wewnątrz wspomnianej “otchłani”, oczywiście pod warunkiem, że są one podświetlone światłem rozpraszonym pochodzącym z sąsiedniego, oświetlonego obszaru. Sytuacja ta mocno nawiązuje do  kontrastu, na temat którego został poświęcony kolejny rozdział.
Kwestia rozpraszania światła pochodzącego z sąsiedniego oświetlonego obszaru musi być rozpatrzona także w kontekście ośrodka, w którym to światło ma możliwość się rozproszyć. Zwróćmy  uwagę na przykładowe zdjęcie powierzchni Księżyca wykonane przez program Apollo (Ryc. 12). Pomimo bliskości oświetlonego “obserwatora” do nieoświetlonego obszaru nie  jest on w stanie dostrzec żadnych szczegółów zacienionej powierzchni. Księżyc atmosfery nie posiada, więc nie ma żadnych cząsteczek  gazu ani molekuł, które mogłyby to  światło rozproszyć. W próżni więc taka sytuacja nie ma zastosowania.

Ryc. 12 Miejsce lądowania Apollo na Księżycu. Zarówno w przypadku zacienionych wzgórz będących w pobliżu jak i (tym bardziej) miejsca tuż pod urządzeniem wykonujacym zdjęcie obserwator nie byłbyw stanie dostrzec żadnych szczegółów powierzchni Srebrnego Globu. Można więc podejrzewać, iż rozpraszanie światła w takich warunkach jest mocno ograniczone, albo wogóle niema miejsca.

Z drugiej strony oświetlona powierzchnia jest zdolna odbijać choć niewielką część światła, która ostatecznie uczyhni zacieniony obiekt widocznym. Dzieje się tak również w ośrodkach. Wszystko zależy od właściwości optycznych obiektu, które decydują jaka część wiązki światła zostaje odbita oraz ośrodka, w którym dalej owe światło się przemieszcza i rozprasza.

     3. KONTRAST I DOKŁADNOŚĆ WIDZENIA

Obok adaptacji do  ciemności główną role w postrzeganiu tranzycji światła odgrywa kontrast. Kontrastem w sensie wizualnym nazywamy różnicę w oświetleniu lub kolorze, który czyni dany obiekt rozpoznawalnym na tle tła lub innych obiektów  występujących w polu widzenia.

Ryc. 13 Schemat graficzny prezentujący różne amplitudy kontrastu, które różnią się pomiędzy górną a dolną częścią obrazka. W przypadku wyższej amplitudy, współczynnik kontrastu jest wyższy przez co możemy widzieć więcej szczegółów na danej powierzchni (Wikimedia.org).

System wzroku człowieka reaguje bardziej na kontrast aniżeli absolutną luminancję (absolute luminance). Obserwator dostrzega świat podobnie niezależnie od tego jak wielkie są zmiany oświetlenia w ciagu dnia lub  pomiędzy jednym miejscem a drugim. Jednakże w danym momencie oko ludzkie jest w stanie dostrzec różnicę przy której współczynnik kontrastu sięga 1000 (Kitsinelis, 2012).
Współczynnik kontrastu (Contrast ratio) należy definiować jako stosunek jasności najjaśniejszego koloru (biały) do najciemniejszego koloru (czarny) jaki dany system widzenia (lub wyświetlania) jest w stanie przetworzyć. Siatkówka ludzkiego oka ma stały współczynnik kontrastu ok. 100:1. Oznacza to,  iż “najjaśniejszy” biały kolor jest ok. 100x jaśniejszy od “najciemniejszego” koloru czarnego. Jak tylko ludzkie oko kieruje się na obiekt dostosowuje swoja eksposyzję dzięki tęczówce, która z kolei warunkuje zmianę rozmiaru źrenicy.

Ryc. 14. Wskaźnik czułości kontrastu Pelliego Robsona – najbardziej powszechny test mierzący zdolność ludzkiego oka do rozpoznanianajbardziej delikatnych zmian światła w stosunku do ciemności, czyli jednym słowem – poczucia  kontrastu (Psych.nyu.edu).

Proces ten jest związany z opisaną wyżej adaptacją do ciemności. Miejsce tranzycji światła dzieli obszar jaśniejszy od ciemniejszego. Obserwator znajdując się wewnątrz oświetlonego obszaru nie jest w stanie dopatrzeć się szczegółó obszaru ciemniejszego, który ma jednostajny rozkład tonalny. To  dlatego, że źrenica ludzkiego oka jest aktualnie dostossaowana do jasnych warunków i w konsekwencji nasze oko ma większą czułość na dostrzeganie przedmiotów wewnatrz tego oświetlonego obszaru aniżeli poza nim. Sytuacja zmienia się,gdy w naszym polu widzenia ilość światła zmiensza się, co dzieje się w momencie, gdy  zbliżamy sie do obszaru zacienionego będąc jeszcze wciąż w obrębie  obszaru oświetlonego. Wtedy szczegóły z  obszaru zacienionego stają się dosterzegalne i to  jest dokładny moment, w którym ludzkie oko dostosowuje się do “nowego” poziomu oświetlenia. Analogiczna sytuacja ma  miejsce wówczas gdy w naszym polu widzenia znajduje sie zarówno jaśniejszy jak i ciemniejszy obszar. Nasza źrenica wtedy  rozszerza  się i zwęża dostosowując swoją czułość na bieżąco mniej więcej tak jak czynią  to np. kamery video. Podsumowując, gdy różnica poziomu oświetlenia pomiędzy dwoma obszarami jest mniejsza, wówczas współczynnik kontrastu jest większy. W efekcie jestesmy w  stanie dostrzegać szczegóły w obydwu obszarach. Jeżeli natomiast różnica poziomu oświetlenia pomiędzy dwoma obszarami jest znacząca (np. pomiędzy czystym i zachmurzonym niebem wciągu dnia) wtedy współczynnik kontrastu jest mniejszy. W konsekwencji nie jesteśmy w stanie dostrzec szczegółów z tego obszaru, który zajmuje mniej w naszym polu widzenia. Na przykład gdy spoglądamy na jasny obszar zajmujący wiekszość naszego pola widzenia, wtedy widzimy szczegóły tylko jasnego obszaru podczas gdy obszar ciemny wydaje się być monotonny (Ryc. 15).

Ryc. 15 Zwykle  chmury odbijają więcej światła aniżeli grunt. W rezultacie z wysokości przelotowej chmury wyglądają jasno, szaro lub nawet białawo. Zacieniony grunt poniżej jest ciemniejszy. Współczynik kontrastu wygląda lepiej (jest mniejszy) na chmurach, które sa jaśniejsze i zajmują zdecydowanie więcej pola widzenia. Zacieniona powierzchnia Ziemi odgrywa mniejszą rolę  na zdjęciu (i polu widzenia obserwatora także), co sprawia że współczynnik kontrastu jest  duży,  czyniąc obszar monotonnym. OSL-OAK

Ludzkie  oko reaguje na współczynnik kontrastu do wartości 1000. Oko dostosowuje swoją czułość do  tego, co czarne. Warto tutaj wspomniec o czułości kontrastowej (Contrast sensitivity) mówiącej o zdolności naszego systemu widzenia do rozpoznawania odmiennych poziomów jasności na statycznym obrazie lub polu widzenia oceniając jednocześnie wartość kontrastu potrzebną do reakcji. Czułość kontrastowa jest równa 1/próg wykrycia kontrastu (Contrast threshold), co odpowiada progowi pomiędzy widocznym a niewidocznym (Pelli, Bex, 2013). Próg wykrycia kontrastu stanowi ok. 1% obiektów niezależnie od ich wielkości, koloru i poziomu ośwsietlenia (Pelli, Bex, 2013).

     4. TRANZYCJA ŚWIATŁA W FOTOGRAFII. KONTRAST I ZAKRES DYNAMIKI

Tranzycja światła jest zauważalna także w przypadku fotografii oraz filmów video. Zanim zacznę to opisywać chciałym przywołać trochę informacji na temat rozpiętości tonalnej (Dynamic range), którego łączą pewne podobieństwa ze współczynnikiem kontrastu (Contrast ratio). Rozpiętość tonalna (Dynamic range) jest powszechnie używana w fotografii z szczegółów w światłach lub cieniach. Technika rozpiętości tonalnej jest używana także do granic zakresu luminancji, jaki dany aparat lub kamera mogą uchwycić (Myszkowski, Mantiuk, Krawczyk, 2008).
Podstawowym celem techniki rozpiętości tonalnej jest możliwie jak największe dorównanie jako sci zdjęcia do zdolności percepcyjnych ludzkiego oka. Rozpiętość tonalna mówi nam o zakresie informacji pomiędzy najjaśniejszym a najciemniejszym obszarem zdjęcia. Inaczej nazywana jako luminancja zdjęcia (Image luminosity). Możemy zatem wskazać Standardową rozpiętość tonalną (Standard Dynamic Range – SDR) oraz Wysoką rozpiętość tonalną (High Dynamic Range – HDR). Podstawową różnicą pomiędzy tymi dwoma technikami jest zakres szczegółów i kolorów na zdjęciu w stosunku do szczegółów i koloró jakie widzi ludzkie oko. Standardowa rozpiętość tonalna jest domeną większości nagrań video oraz filmów kinowych, ale i tutaj coraz częściej obserwujemy zastosowanie wysokiej rozpiętości tonalnej. Standardowa rozpiętość tonalna reprezentuje zaledwie ułamek zakresu, jakim operuje wysoka rozpiętość tonalna. Ta pozwala nam widzieć dużo więcej szczegółów oraz kolorów w polu widzenia. 6-klatkowy zakres standardowej rozpiętości tonalnej ma ograniczoną rozpiętość tonalną (Borer, Cotton, 2015). W rezultacie obserwujemy duże kontrasty na zdjęciu, na którym szczegóły najjaśniejszych i najciemniejszych obszarów zostają utracone. W rezultacie obszary zacienione mają tendencje do bycia bardzo ciemnymi podczas gdy niebo (zwłaszcza pochmurne w ciągu dnia) jest kompletnie białe bez żadnych szczegółów (efekt białego nieba) (Ryc. 16).

Ryc. 16 Efekt białego nieba jest powszechny dla zdjęć wykonywanych technika standardowej rozpiętości tonalnej w sytuacji gdy większość zdjęcia stanowią ciemniejsze elementy krajobrazu. Vondelpark, Amsterdam, Holandia.

Z drugiej strony wysoka rozpiętość tonalna oferuje prawie 3-krotnie więcej aniżeli standardowa rozpiętość tonalna ze średnią zbiżoną do 17,6 klatki. W efekcie zacieniony obiekt będzie oferował dużo więcej szczegółów aniżeli przy standardowej rozpiętości tonalnej, gdzie będzie praktycznie czarny. Zdjęcia HDR reprezentują zatem dużo większy zakres poziomów natęzenia oświetlenia aniżeli oferują techniki standardowe. Najbardziej wymierną różnicę pomiędzy SDR a HDR możemy zobaczyć fotografując wschody lub zachody Słońca (Ryc. 17).

Ryc. 17 Losowe zdjęcia zachodów Słońca, na których możemy porównać technikę SDR z techniką HDR. Na zdjęciu powyżej zachód Słońca na pustyni został wykonany techniką SDR podczas gdy poniższy zachód Słońca nad morzem wykonano przy użyciu techniki HDR. Pomimo iż warunki pogodowe oraz optyczne na obu zdjęciach nieco się różniły to jednak zdjęcia różnią się znacząco od siebie.

Urządzenia rejestrujące obraz podobnie jak ludzkie oko potrzebują czasu na adaptację w sytuacji gwałtownych zmian natężenia oświetlenia powodowanych przez tranzycję z obszaru oświetlonego do zacienionego. O ile ciężko zobaczyć to na pojedynczym zdjęciu tak na nagraniu nie będzie już z tym problemu. Należy umieścić nasze urządzenie na granicy obszarów lub pól widzenia z różnym poziomem oświetlenia, jak np. zachmurzonym niebem w ciąguy dnia a ścianą budynku. Nie trudno będzie zauważyć wtedy moment adaptacji do danych warunków natęzenia światła przez Twoje urządzenie. Przykłąd ten odnosi się stricte do tranzycji światła pomiędzy oświetlonym a zacienionym obszarem w Twoim polu widzenia.

To samo doświadczenie można wykonać z sekwencją pojedyńczych zdjęć gdy pole widzenia Twojego urządzenia przemieszcza się z zacienionego do oświetlonego obszaru lub odwrotnie (Ryc. 18-22). Po ułożeniu wszystkich zdjęć obok siebie zauważysz każdy etap tranzycji światła zarejestrowany przez Twoje urządzenie. Reakcja ludzkiego oka na to zjawisko jest analogiczna, aczkolwiek źrenica jest mniej czuła na zmiany poziomu światła aniżeli sprzęt fotograficzny.

Ryc. 18 Przykład dosyć słabo widocznej tranzycji światła na ścianie budynku z uwagi na fakt, że urządzenie znajdowało się dosyć daleko. Porónując zdjęcie 1 do 3 lub 4 widzimy iż zacienione obszary nie pasują do siebie. Nikon D5300.

Ryc. 19 Dokładny przykład tranzycji światła na ceglanej świanie widocznej z bliska. Zjawisko jest widoczne na sekwencji zdjęć przy konsekwentnie zmieniających się proporcjach obszaru oświetlonego i zacienionego w polu widzenia. W sytuacji gdy obszar zacieniony zajmuje większość w polu widzenia widać wyraźnie szczegóły na jego powierzchni w przeciwieństwie do obszaru oświetlonego, który jest prześwietlony i vice versa.

Ryc. 20 Tranzycję światła najlepiej widać na powierzchni białej, gdyż ta najlepiej oddaje różnice pomiędzy obszarem oświetlonym i zacienionym.

Ryc. 21 Tranzycja światła w obrębie obszaru zacienionego widoczna na kompilacji kilku zdjęć z różnymi obszarami oświetlonymi i zacienionymi. Na 1 zdjęciu widać wyraźnie niebo podczas gdy szczegóły pozostałych obiektów są słabo widoczne. Zdjęcie 6 jest zaprzeczeniem zdjęcia 1-go, gdzie z kolei otoczenie jest bardzo dobrze widoczne, ale niebo jest prześwietlone (efekt białego nieba).

Ryc. 22 Inny przykład tranzycji światła pomiędzy oświetlonymi i zacienionymi obszarami gdzie źródłem światła może być Słońce lub inny jasny obiekt jak np. Księżyc lub chociażby latarnia. Mechanizm jest ten sam. Kiedy źródło światła znika za przeszkodą lub obiektem, wtedy więcej szczegółów na zacienionej powierzchni jesteśmy w stanie dostrzec.

W aspelcie fotografii tranzycję światła możemy interpretować jako balans pomiędzy światłem a cieniem, który można później zmodyfikować w dowolnym programie graficznym takim jak np. Gimp, Photoshop, etc.

     5.  PRZYKŁADY TRANZYCJI ŚWIATŁA W OTACZAJĄCYM NAS ŚRODOWISKU.

Znając wszystkie główne elementy związane ze zjawiskiem nagłej zmiany poziomu oświetlenia byłoby zasadnym wskazać kilka przykładów stanowiących kwintesencję tego artykułu. Powszechne przykłądy tranzycji światła są więc wypisane i objaśnione poniżej.

A. CAŁKOWITE ZAĆMIENIE SŁOŃCA – najlepszy przykład tranzycji światła w makroskali, który trwa przez krótki moment. Tranzycja zachodzi w czasie od 30s przed fazą maksymalną do ok. 20s wewnątrz cienia. Pociąga ona za sobą szereg innych optycznych zjawisk, które były tutaj już opisywane. Z kosmosu obszar objęty całkowitym zaćmieniem Słońca wygląda jak czarna “kropka” otoczona obszarem stopniowo słabnącego światła (półcień) która czyni granicę cienia Księżyca rozmytą (Ryc. 23, 24).

Ryc. 23 Przykład tranzycji światła podczas całkowitego zaćmienia Słońca w 2017 roku widocznej na ok. 25s przed drugim kontaktem (zaznaczonym zieloną strzałką). To jest dokładny moment gdy szczegóły w tle (wewnątrz cienia) są dokładnie widoczne. Dokładny moment tranzycji dyktuje pozycja Słońca na niebie oraz tylne rozpraszanie światła (z nagrań Marka Substyka).

Ryc. 24 Przykład tranzycji światła podczas całkowitego zaćmienia Słońca w 2017 roku w momencie 3-go kontaktu (zaznaczonego żółtą strzałką). Na tym kierunku dokładny moment tranzycji światła dyktuje rozpraszanie przednie światła (z nagrań Piotra Chabiora).

B. ZAĆMIENIE KSIĘŻYCA – Tutaj tranzycja światła przebiega łagodnie. Jest to tym samym jedna z najwolniejszych tranzycji światła jakie występują w przyrodzie. Obszarem tranzycji jest tutaj krawędź cienia Ziemi. Podobnie jak w przypadku zaćmienia Słońca mamy tutaj częściowo (penumbra) i całkowicie (umbra) zacienione obszary. Krawędź cienia stanowiąca zarazem tranzycję światła przesuwa się z wolna po tarczy Księżyca. W fazie półcieniowej widzimy jedynie ciemniejącą tarczę od strony, od której zbliża się cień Ziemi. W momencie gdy cień Ziemi staje się widoczny na tarczy Księżyca obserwator nie jest w stanie zauważyć nic w obszarze, którego obejmuje. To dlatego, iż nasze źrenice jak i sprzęty są wciąż zaadaptowane do jaśniejszej, oświetlonej części Księżyca, na której szczegóły powierzchni są dobrze widoczne. W miarę jak zaćmienie postępuje sytuacja się zmienia. Gdy Księżyc jest zaćmiony mniej więcej w połowie obserwator nie jest w stanie dostrzegać wyraźnie szczegółów zaróno po stronie oświetlonej jak i zacienionej. Jedynie w pobliżu zjawiska tranzycji owe szczegóły są widoczne, w miejscu gdzie faza zaćmienia częściowego jest najgłębsza, a zaćmienia całkowitego najpłytsza. Jednocześnie krawędź całkowicie zaćmionej tarczy Księżyca zaczyna być widoczna. Z kolei przy głębokiej fazie zaćmienia częściowego obserwator widzi więcej szczegółów na zacienionej powierzchni Księżyca podczas gdy ta wciąż oświetlona przez sierp słoneczny jest prześwietlona.

Ryc. 25 Zjawisko tranzycji światła uchwycone podczas całkowitego zaćmienia Księżyca z 4 marca 2007 roku. Sekwencja skłąda się z 12 obrazków, spośród których niektóre reprezentują najlepsze momenty tranzycji światła: Obrazek 2 jako koniec zaćmienia całkowitego, gdzie zjawisko tranzycji się rozpoczyna. WIdzimy, iż po prawej stronie mamy dużo szczegółów powierzchni Srebrnego Globu podczas gdy po stronie lewej – oświetlonej nie jesteśmy w stanie nic zobaczyć. Obrazek 6 pokazuje sytuację, w której zacieniony obszar przestaje być widoczny dla obserwatora na poczet szczegółów powierzchni oświetlonej części tarczy, które zaczynają być widoczne, zwłaszcza w pobliżu granicy cienia. Obrazek 9 ukazuje moment, w którym cień Ziemi opuszcza tarczę Księżyca. W miarę jak to czyni obserwator widzi coraz więcej szczegółów na oświetlonej powierzchni Księżyca (Slooh.com).

C. ŚWIATŁO BIAŁE KSIĘŻYCA – Jest widoczne w pobliżu nowiu naszego naturalnego satelity i jest rezultatem światła słonecznego odbitego przez powierzchnię Ziemi. Najlepiej jest je obserwować do 5 dni przed lub po nowiu. Poza tym najlepszymi warunkami do obserwacji światła białego Księżyca jest obecność Słońca pod horyzontem. Pomimo znacznej jasności (-3 Mag) nie może być ono widoczne w ciągu dnia z uwagi na fakt oślepienia przez Słońce świecące w pobliżu. Staje się ono widoczne dopiero tuż przed zachodem Słońca. W przypadku światła białego Księżyca tranzycja światła widoczna jest na linii terminatora. Gdy Księżyc jest najbliżej nowiu, wtedy światło białe wygląda najlepiej, ponieważ jest ona najjaśniejsza w stosunku do wąskiego oświetlonego “sierpa” Księżyca. Atmosfera ziemska niestety znacząco pogarsza widoczność tego fenomenu z uwagi na silne rozpraszanie światła od słońca niebędącego zbyt głęboko pod horyzontem. W miarę jak Księżyc oddala się od Słońca, światło białe słabnie. Podstawowym tego powodem jest zmiana fazy Ziemi, w wyniku czego zmniejsza się jej oświetlony obszar odbijający światło w kierunku Księżyca. Słabsze światło białe sukcesywnie ustępuje “grubiejącemu sierpowi” księżycowemu który staje się jaśniejszy. W okolicach i czy ostatniej kwadry światło białe jest w zasadzie niewidoczne, gdyż oślepia je oświetlona część Srebrnego Globu. Obserwator może jedynie dostrzec jeszcze słabą krawędź tarczy, która ostatecznie znika. Konkludując, w tym przypadku tranzycja światła pokrywa się ze zmieniającą się jasnością światła białego Księżyca w miarę jak zmienia on swoją fazę (Ryc. 26).

Ryc. 26 Tranzycja światła w przypadku światła białego Księżyca. Kiedy Księżyc “ma bliżej” do pełni wówczas światło białe zanika czego podstawowym powodem jest słabnące światło odbijane od powierzchni Ziemi. Zwykle nie jesteśmy w stanie dostrzec światła białego po I i przez ostatnią kwadrą Księżyca (Flickr.com).

D. CHMURY BURZOWE – są najbardziej masywnymi chmurami, jakie możemy widzieć na niebie. Największy z nich – Cumulonimbuc capillatus ma charakterystyczne “kowadło” co czyni go rozpoznawalnym. Nie jest to tematem na ten artykuł, który skupia się raczej tylko i wyłącznie na jego podstawie. Efekt opisany poniżej odnosi się również do innych rodzajów chmur, które są wystarczająco grube lub przynajmniej stanowią jednolitą warstwę. Kiedy chmura jest daleko od obserwatora, ten może co najwyżej widzieć oświetlone części chmur na ich krawędziach oraz przejaśnieniach wewnątrz. W sytuacji gdy odległa chmura jest jednolita obserwator nie jest w stanie dostrzec wewnątrz niej żadnych szczegółów. Z jego perspektywy będzie to widoczne jako “szara otchłań” ciemniejąca w kierunku horyzontu. Dzieje się tak dlatego, że obszar nieba oświetlony bezpośrednio przez Słońce odgrywa tutaj wiodącą rolę. Poza tym światło odbijane przez górną część chmury jest także silne, dużo silniejsze niż światło rozpraszane przez niższe części chmur, a zwłaszcza ich podstawy. Sytuacja zaczyna się zmieniać wtedy gdy chmura zbliża się do obserwatora. Wszelkie przejaśnienia oraz obszary oświetlone przez światło rozproszone z zewnątrz stają się dużo lepiej widoczne. Jaśniejsza część zacienionej chmury staje się widoczna dużo lepiej. Wszystko z powodu zmniejszającego się poziomu rozproszonego światła w polu widzenia obserwatora, który wymusza na oku adaptację do ciemniejszych warunków otoczenia. Obszar tranzycji światła definitywnie prowadzi do zmian kontrastu podstawy chmury czyniąc ją dużo lepiej widoczną (Ryc. 27-30).

Ryc. 27 Kiedy chmura comulonimbus jest daleko od obserwatora, może on widzieć co najwyżej jego najwyższe fragmenty oświetlone przez Słońce. Obszary zacienione nie prezentują żadnych szczegółów. Trzy Korony, Pieniny, Polska.

Ryc. 28 Nadchodząca chmura burzowa skutkuje tranzycją światła, która pozwala obserwatorowi w pewnym momencie widzieć szczegóły w obrębie cienia chmury, jakimi mogą być np. drobne przejaśnienia (zaznaczone strzałkami czerwonymi). Strzałka niebieska pokazuje granicę pomiędzy promieniami Słońca a cieniem, która powoduje tranzycję światła w tym lokalnym obszarze. Ul. Na Błonie, Kraków, Polska.

Ryc. 29 Gdy warstwa chmur jest daleko od obserwatora nie ma możliwości wyróżnienia szczegółów w obrębie chmury, pomijając potencjalne opady oczywiście. Kampus studencki AGH, Kraków, Polska.

Ryc. 30 W sytuacji gdy warstwa chmur jest wystarczająco cienka obserwator może dostrzec jakieś przejaśnienia w jej obrębie. Jezioro Niegocin, Polska.

W tym przypadku na tranzycję światła nakłada się Prawo Beer-Lamberta, zwłaszcza w sytuacji dużego zapylenia powietrza.

E. CIENIE CHMUR – Są obserwowane głównie przy chmurach o budowie pionowej takich jak cumulus i cumulonimbus, przemieszczających się zwłaszcza w pobliżu Słońca, gdzie dominuje rozpraszanie przednie. Zacieniona strefa prezentuje ciemnoniebieski kolor nieba jaki odpowiada atmosferze ziemskiej w warunkach zbliżonych do idealnych (near Rayleigh conditions). Aerozole i pyły nie rozpraszają bezpośrednio światła słonecznego, gdyż są zacienione. Analogicznie sprawa wygląda w przypadku bardzo cienkich ławic chmur. Kolor nieba, jaki jest widoczny w obrębie strefy zacienionej odpowiada temu, jakiego należałoby się spodziewać z poziomu chmur, a będąc bardziej precyzyjnym znad planetarnej warstwy granicznej (Ryc. 31, 32).

Ryc. 31, 32 Klasyczny przykład cieni chmur obserwowany w pobliżu cumulusów (Ali Majeed Al-Hajari, Spaceweathergalery.com)

Cień danej chmury może być widoczny także na innej chmurze, ale nie zawsze wygląda okazale.

F. PROMIENIE ZZA CHMUR, PROMIENIE ZMIERZCHOWE (CREPUSCULAR & ANTICREPUSCULAR RAYS) – zostały w dużej mierze opisane tutaj. Generują je wszechobecne cienie pojedynczych chmur nachodzących na siebie lub po prostu cienie chmur “dziurawych” z przejaśnieniami. W konsekwencji pojedyńcze promienie Slońca docierają do powierzchni Ziemi. W tym niezwykle wąskim, oświetlonym pasie widzialność pozioma ulega znaczącemu pogorszeniu w wyniku rozpraszania światła na aerozolach.

Ryc. 33 Przykład promieni zza chmur nad oceanem (Craig Joiner/ Craigjoiner.com).

G. CIEŃ ZIEMI I PAS WENUS – stanowi także dobry przykład adaptacji ludzkiego oka. Gdy łuk zmierzchu (twilight wedge) jest nisko nad horyzontem wtedy w atmosferze dominuje światło słoneczne rozpraszane bezpośrednio. W rezultacie obserwator może zobaczyć jedynie monotonny szary obszar poniżej. Gdy Pas Wenus wznosi się wyżej zmienia barwę. Słońce jest niżej pod horyzontem, więc rozpraszanie bezpośrednie jego promieni jest mniejsze. Wtedy zaczyna przeważać atmosfera znajdująca się w cieniu Ziemi. W miarę jak poziom jasności nieboskłonu się obniża oko obserwatora zaczyna dostrzegać odcienie nieba znajdującego się w obrębie cienia Ziemi (Ryc. 34).

Ryc. 34 Progres cienia Ziemi widoczny na wieczornym niebie w Edynburgu. Dla sekwencji 1,2 oraz 3 wygląda raczej jako szarawa otchłań. Na sekwencji 4 wysokość Pasa Wenus odpowiada obecności Słońca ok. 3,5-4 stopnie poniżej horyzontu. Wyznacza on moment tranzycji światła, w którym obszar nieba pogrążony w cieniu Ziemi zaczyna uwydatniać szczegóły (różne odcienie). Są one jeszcze lepiej widoczne w sekwencjach 5 i 6 (Deckchair.com).

F. TRANZYCJA ZWIĄZANZ ZE WSCHODEM I ZACHODEM SŁOŃCA LUB KSIĘŻYCA (SUNRISE & SUNSET TRANSITION) – Tak samo powszechne zjawisko jak cień Ziemi czy Pas Wenus. Odnosi się ono jednak bardziej do zanieczyszczeń i aerozoli w dolnej części troposfery, na których linia terminatora jest widoczna dla obserwatora. Najłatwiej jest to zauważyć gdy patrzymy na odległe góry położone w pobliżu azymutu wschodzącego lub zachodzącego Słońca. Zwykle na krótko przed wschodem jak i po zachodzie Słońca cienie gór są widoczne na niebie z uwagi na obecność aerozoli i pyłów. Tranzycja światła związana ze wschodem lub zachodem Słońca jest widoczna dokładnie na linii terminatora, której urozmaicenie dyktuje lokalne ukształtowanie terenu (Ryc. 32, 33). Analogiczne zjawisko jest widoczne w sytuacji gdy obserwator stoi na szczycie izolowanej góry lub wulkanu i patrzy w kierunku przeciwnym do azymutu wschodu lub zachodu Słońca.

Ryc. 32, 33 Tranzycja światła związana z zachodem Słońca na tle Tatr jest widoczna dzięki aerozolom w atmosferze, które intensywnie rozpraszają światło (fot. Damian Bryndza).

Innym przykładem tranzycji światła związanej ze wschodem lub zachodem Słońca są promienie zmierzchowe opisane tutaj.

G. TYPOWE CODZIENNE PRZYKŁADY -chociażby takie jak ten, gdzie chcąc w ciągu dnia zobaczyć jakiś obiekt położony na tym samym kierunku co Słońce musimy przysłonić nasz wzrok np. za pomocą kciuka aby móc go zobaczyć. Analogicznie sytuacja wygląda w przypadku każdego innego silnego źródła światła jakim może być np. latarnia uliczna.

Ryc. 34 Gdy patrzymy w kierunku zbliżonego do Słońca lub innego silnego źródła światła otrzymujemy dużo więcej światła niż w kierunku przeciwnym. W rezultacie głęboko zacienione miejsca skrywają swoje szczegóły.

Gdy ulica oświetlona jest latarnią możemy wspaniale widzieć jej oświetlony fragment. Jednakże obszar położony za latarnią jest wtedy niewidoczny lub co najwyżej “ledwo” widoczny dla obserwatora. Szczegóły pojawiają się dopiero w momencie tranzycji światła, gdy ludzkie oko adaptuje się do nowych warunków. Mocniejsze źródło światła zawsze będzie eliminować to słabsze będące w pobliżu lub z tyłu. Dobrym tego przykładem, o czym wspomniano wyżej jest oglądanie ciemniejszych obszarów w ciągu dnia (Ryc. 35). Wyobraźmy sobie, że patrzymy na dużą dziurę podczas słonecznego dnia, jaką może być np. jaskinia, studnia lub piwnica. Wtedy nie zobaczymy niczego w środko z racji iż nasze oko zaadaptowane jest w pełni do dziennych warunków. Poza tym ich otoczenie jest ośwetlone bezpośrednimi promieniami słonecznymi, przez co powierzchnie na zewnątrz odbijają światło dużo mocniej niż wewnątrz (jedynie światło rozproszone w atmosferze). W miarę jak nasz wzrok zbliża się do takiego zacienionego obszaru,  ten najbardziej oświetlony stopniowo znika z naszego pola widzenia, przez co wnętrze takiego zacienionego obiektu staje się widoczne. W tym przypadku moment tranzycji światła przypada wtedy gdy nasz wzrok, podobnie jak urządzenie rejestrujące zaczyna widzieć wyraźnie szczegóły tego zacienionego miejsca.

Ryc. 38 Mocno zacienione miejsca mogą być dobrze widoczne jedynie wtedy gdy wykluczymy wysoki poziom natężenia światła z naszego pola widzenia. Corrie Road, Cambridge, UK.

Ryc. 39 Dobry przykład dużej różnicy w natężeniu oświetlenia podczas słonecznego dnia. Głęboko zacieniony tunel, gdzie na 1 zdjęciu  nie widać w zasadzie żadnych szczegółów na jego końcu gdyż obserwator jest daleko. Na zdjęciu 2 sytuacja się zmienia. Obserwator jest bliżej i jest w stanie widzieć sporo szczegółów z wnętrza tunelu. Duba, Chorwacja.

6. WNIOSKI

W niniejszym artykule zaprezentowano “żywe” przykłady tranzycji światła jakie spotyka się zarónno w naszym najbliższym otoczeniu jak i w atmosferze ziemskiej i kosmosie na granicy pomiędzy oświetlonym a zacienionym obszarem. Nie było lepszego sposobu na wytłumaczenie tego zjawiska aniżeli prezentacja konkretnych zdjęć i nagrań. Niestety wszystkie te materiały nie oddają w pełni tego, jak widzi to ludzkie oko. Mózg ludzki jest w stanie inteligentnie zinterpretować informacje z naszego wzroku w przeciwieństwie do aparatów czy kamer, które czynią to w sposób manualny i sekwencyjny. Podstawowa i dobrze znana zasada mówi, że mocniejsze źródło światła eliminuje to słabsze. Obszar tranzycji światła nie może zostać zauważony od razu, gdyż oko ludzkie potrzebuje adaptacji. Czas adaptacji zależy od różnicy natężenia oświetlenia pomiędzy obiektem oświetlonym a zacienionym. Adaptacja ludzkiego oka, podobnie jak i kamery czy aparatu jest ściśle związana ze specyficzną formą tranzycji światła, która jest unikalna dla każdego pola widzenia. Zachodzi wszędzie tam, gdzie poziom natężenia oświetlenia w polu widzenia gwałtownie się obniża. Na dodatek tranzycja światła to nie dokładna linia. To obszar tranzycji pomiędzy światłem a cieniem, co nazywamy półcieniem. Jest to typowe dla każdych dystansów, zarówno dla kartki papieru zlokalizowanej przed anszymi oczami jak i odległością międzyplanetarną. Najważniejszym momenttem tranzycji światła jest granica pomiędzy półcieniem i cieniem. Dzieje się tak dlatego, że poziom natężenia oświetlenia w strefie półcienia maleje logarytmicznie. Ważnym aspektem jest również bogactwo atmosfery ziemskiej w molekuły, aerozole i pyły dodatkowo rozpraszające światło co czyni zjawisko tranzycji bardziej subtelnym. Poza naturalnymi czynnikami ważnym jest uwzględnienie adaptacji ludzkiego oka do szybko zmieniających się warunków natęzenia oświetlenia. Z kolei nowoczesne techniki fotograficzne pozwalają wzmocnić to zjawisko poprzez zwiększenie kontrastów w polu widzenia. Temat ten jest dużo bardziej rozległy aniżeli wątek w tym artykule. Mam nadzieję, że niniejsza treść podobnie jak i literatura oraz odsyłącze poniżej dadzą Ci możliwość zgłebienia wiedzy na temat tego fascynującego zjawiska.

Mariusz Krukar

Literatura:

1. Barlett N.R., 1965, Dark and light adaptation (in:), Graham C.H., Vision and visual perception, John Wiley and Sons, New York.
2. Borer T., Cotton A., 2015, A “Display independent” High Dynamic Range television system, (in:) BBC Research & Development
3. Caelli T., 1981, Visual perception: theory and practice, Pergamon Press, Ontario
4. Gilles M., Minnaert M., 1954, The nature of light & colour in the open air, Dover publications Inc., New York
5. Kitsinelis S., 2012, The right light: Matching technologies to needs and applications, CRC Press, Boca Raton-London-New York
6. McAuriffe Marisha, 2016, The perception of light – understanding architectural lighting design, Oxford Global Press, London
7. Myszkowski K., Mantiuk R., Krawczyk G., 2008, High Dynamic Range video, Morgan & Claypool Publishers, Berkeley
8. Olmsted P. D., 2000, Lectures of Landau Theory of phase transitions, University of Leeds, Department of Physics and Astronomy
9. Pelli D.G., Dex P., 2013, Measuring contrast sensitivity, (in:) Vision Research, v.90,  p.10-14.
10. Pirenne MH, 1962, Dark adaptation and night vision (in:) Dawson H., The Eye, vol. 2, Academic press, London.
11. Reis J.K., et all., 2016,  Pollutant dispersion simulation during sunset transition time using an analytical Eulerian model, (in:) American Journal of Environmental Engineering, vol.6 (4A), p.40-45.
12. Rogers K., 2011, The eye: The physiology of human perception, Britannica Educational Publishing, New York
13. Ross J., Diamond M., Badcock D., 2003, Mach bands change asimmetrically during solar eclipses, (in:) Perception v. 32(6), p. 767-770
14. Schaaf F., 2002, The starry room: Naked eye astronomy in the intimate Universe, Dover Publications Inc., New York.
15. Stoppe B & J., 2009, Stopees’ guide to photography & light, Elsevier Inc., Burlington, Oxford

Linki:

1. Landau theory of a first order phase transition
2. A phase transition of light
3. Mach band illusion.html
4. Spatial frequency channels.html
5. Pelli Robson contrast sensitivity chart
6. Contrast sensitivity testing.htm
7. Contrast ratio – what does it really mean?
8. Contrast sensitivity background
9. Contrast sensitivity – explanation
10. Cameras vs human eye
11. Interactive SDR-DHR comparison
12. What is HDR? HDR-SDR compared
13. HDR vs SDR comparison
14. What is Earthshine?

Wiki:

1. Contrast_(vision)
2. Contrast_ratio
3. Dark_adaptation_threshold
4. Dynamic_range photography
5. Field_of_view
6. High-dynamic-range_imaging
7. High dynamic range_video
8. Landau_theory
9. Mach_bands
10. Molecular_electronic_transition
11. Night_vision
12. Standard dynamic range_video
13. Terminator_(solar)
14. Troland
15. Visual_perception

Youtube:

DODATKOWE ŹRÓDŁA:

Literatura:

1. Gaffney J.A., Binns M.A.,Margrain T.H., 2013, The effect of pre-adapting light intensity on dark adaptation in early age-related macular degeneration, (in:) Doc Ophthalmol, 127(3):191-9
2. Ratliff F., 1971, Contour and contrast (in:) Proceedings of the American Philosophical Society, Vol. 115, No. 2

Linki:

1. https://www.quora.com/Does-the-excitation-of-an-electron-cause-light-to-be-emitted

Youtube: