Hversu langt upp í himininn drífur ljósið frá friðarsúlunni í Viðey?

Stutta svarið er að það eru engin sérstök takmörk á vegalengdinni. Ef við erum úti í geimnum en inni í ljósgeislanum og engin skýjahula er yfir ljósgjafanum sjáum við hann þaðan ýmist með berum augum eða með viðeigandi tækjum. Ef við erum með nógu góð tæki getum við "séð" eða skynjað ljósið býsna langt utan úr geimnum; mesta fjarlægð fer þá aðeins eftir gæðum tækjanna og vex um leið og þau batna.

Ljóssúlan séð utan frá dofnar hins vegar með hæð meðan hún er í lofthjúpnum, bæði vegna þess að ljósið sjálft dofnar, ljóssúlan breikkar og loftið þynnist. Ljósið dofnar aðallega vegna ljósdreifingar (e. scattering) en einnig vegna ísogs sameinda (e. absorption) í andrúmsloftinu. Súlan dreifist líka á stærri flöt þegar ofar dregur svo að ljósafl á flatareiningu minnkar með hæð. Það á raunar við úti í tómarúmi geimsins ekkert síður en í lofthjúpnum.

Ef við stöndum fyrir utan ljóssúluna sjáum við ekki hvíta ljósið sem kemur beint frá ljóskösturunum, heldur aðeins merki um það og þessi merki skynjum við sem súlu. Þau berast okkur sem ljóseindir sem hafa dreifst frá súlunni og koma eftir það í augun á okkur. Það eru agnirnar í loftinu sem ljóssúlan fer um sem dreifa ljósinu og verða þannig sýnilegar. Með vaxandi hæð í andrúmsloftinu fækkar þessum ögnum svo að merki um tilvist ljóssins í súlunni dofna. Áhrifanna gætir þó vel upp fyrir 100 km hæð, þar sem þéttleiki lofthjúpsins er kominn undir milljónasta part af þéttleika við yfirborð jarðar. En við getum sagt að ljóssúlan hætti að vera sýnileg utan frá í um það bil þeirri hæð ef skýjahula hefur ekki myrkvað hana áður.

Á myndinni sést glöggt að ljósgjafinn gefur frá sér hvítt ljós. Neðsti hluti ljóssúlunnar hefur hins vegar bláa áferð vegna Rayleigh-dreifingar, en ofar fer súlan inn í lög með stærri eindum sem gefa hvítari áferð vegna Mie-dreifingar. Þegar geislinn mætir skýi dreifast ljóseindirnar mörgum sinnum í loftinu og koma til okkar frá stærra svæði í loftinu. Skýið á þessari mynd nær hins vegar ekki að veikja ljósið í súlunni verulega þannig að bláa súlan heldur áfram fyrir ofan skýið.

Utan lofthjúpsins eru engar sameindir til að dreifa ljósinu og ljóssúlan sést því ekki utan frá með þeim hætti sem hér var lýst. En frá gervitungli sem lendir inni í súlunni sjálfri sést ljósuppsprettan í Viðey skýrt og greinilega eins og hver annar ljósgjafi. Styrkur ljóssins sem mælist ræðst þó af hæð og skýjafari í lofthjúpnum.

Á heiðskírri vetrarnótt getum við á jörðu niðri greint merki um friðarsúluna með berum augum upp í hæð sem ræðst af lýsingu í umhverfi okkar. Áhugamenn um stjörnuskoðun kalla þessa lýsingu ljósmengun. Þetta ljós berst upp í gufuhvolfið og dreifist þaðan niður til okkar aftur. Það yfirgnæfir ljósið frá Viðey í einhverri tiltekinni hæð, eftir aðstæðum hverju sinni.

Ljósdreifingu frá efni er gjarnan skipt í tvo flokka eftir uppruna og eðli:

Rayleigh-dreifing (frb. reilei) er kennd við enska eðlisfræðinginn Rayleigh lávarð (1842-1919). Hún tengist ögnum eða ójöfnum í þéttleika agna (þrýstingssveiflum) sem eru minni en öldulengd í þvermál. Öldulengd sýnilegs ljóss er á bilinu 400 til 700 nm (nm, nanómetri er 10^-9 m eða milljarðasti partur úr metra). Rayleigh-dreifing er mjög háð öldulengd, 10 sinnum sterkari fyrir blátt ljós en rautt. Hún gefur himninum bláa litinn þó að sólarljósið sé hvítt (um það má lesa í svari við spurningunni Af hverju er himinninn blár?) og á sama hátt veldur hún bláu áferðinni á friðarsúlunni þar sem loftið er tært, þó að upphaflega ljósið í súlunni sé hvítt eins og myndin sýnir.

Mie-dreifing (frb. míe) er kennd við þýska eðlisfræðinginn Gustav Mie (1869-1957). Hún tengist ögnum sem eru miklu stærri en öldulengd í þvermál. Styrkur hennar er óháður öldulengd og gefur hún því hvíta áferð. Örsmáir vatnsdropar, smáir ískristallar (ský og þoka) og rykagnir gefa Mie-dreifingu eins og sjá má í hvíta skýinu á myndinni og kringum það.

Munur á þessum tveimur flokkum kemur skýrt fram í friðarsúlunni þegar svo ber undir, og sést ágætlega á myndinni í þessu svari. Þar er neðsti hluti friðarsúlunnar í tæru lofti og fær bláa áferð þó að upphaflega ljósið sé hvítt, en ofar fer súlan inn í lög með stærri ögnum þar sem hún verður hvítari vegna Mie-dreifingar. Síðan kemur hún í ský þar sem vatnsdropar eða ískristallar eru enn þéttari. Ljóseindirnar endurkastast þá margoft af vatnsdropum áður en þær taka stefnu til myndavélarinnar. Um leið stækkar það svæði í loftinu sem sendir frá sér ljós.

Mynd:

Jón Reykdal tók myndina af friðarsúlunni að beiðni Vísindavefsins og færum við honum bestu þakkir. Hægt er að skoða fleiri myndir af ljóssúlunni hér © Jón Reykdal.

Frekara lesefni: