Vraagje van Lucas
Bestaan er illusies in verband met de zon?
Dit gedeelte is samengesteld uit de lectuur van Chaisson & McMillan (c1997), Lynch & Livingston (c1995), en Lang (c1995).
ILLUSIES van de ZON in 10 punten :
Dag Lucas, ik zal maar met de deur in huis vallen. Je gaat sterretjes *** zien...
1.
De keren dat de zon zichtbaar is, zie je ze op de verkeerde plek staan: als je de zon aanwijst, dan mag je zeker zijn dat ze daar niet staat. Dat dank je aan de eindige lichtsnelheid en aan de lichtbreking in de aardse atmosfeer. Lees maar mee.
De zon heeft steeds ongeveer 2 boogminuten voorsprong op waar jij ze ziet. Dat is zomaar eens eventjes zes zonnediameters voorsprong! (Waarom? Het licht heeft zowat 8 minuten nodig om van de zon tot hier te geraken. In 24 uren doorloopt de zon 361° - iets meer dan 360°, want een aard-dag duurt 23u56 minuten - , dus op 8 minuten is dat (361°/(24x60))x8 = 2 graden van de gradenboog. Wanneer je het licht van een punt van de zon ziet, is dat punt al 2 graden doorgeschoven. De diameter van de zon is van op de aarde ongeveer 32 boogminuten. Dus... het beeld van de zon sleept 6 diameters achter de werkelijke zon aan! Opgelet, ’s morgens en ’s avond maakt de zon op jou een subjectieve indruk van heel groot te zijn, zie verder; het blijven evenwel 32 boogminuten, net zoals op de middag.) Dus het beeld van de zon (dat je hebt als je er voorzichtig naar kijkt) loopt achterop. De oorzaak is dat het zonlicht tot bij jou komt van zo ver met ongeveer 8 minuten vertraging. Dat is te zeggen: van de fotosfeer, een flinterdun laagje van hooguit 500 kilometer in de zon, tot aan het aardoppervlak. Dat licht is ontstaan dank zij de radioactieve gammastraling in de kern; die straling doet er gemiddeld 170000 jaar over (jawel, al botsend tussen de opeengeperste elektronenbezittende deeltjes) om de convectieve laag tussen de fotosfeer en de kern te bereiken! In die convectieve laag wordt alle energie omgezet in beweging - enorme geordende stromingen - die 10 dagen later uitmondt in die schil die jij aanziet voor het oppervlak. Daar is de densiteit van de materie te dun om nog convectie mogelijk te maken, en te dun om de straling te reabsorberen, en dus kan pas daarvandaan weer de straling van de moleculen (ionen) ongehinderd naar buiten vertrekken. Alhoewel, als een foton botst op een atoom (in de fotosfeer, of met minder waarschijnlijke kansen erbuiten) kàn het weer geabsorbeerd geraken (naargelang de hoeveelheid van de aanwezige elementen - 67 waren er geïdentificeerd in 1995 - en hun typische elektron-energieniveau's), weer uitgezonden, weer geabsorbeerd, totdat het helemaal bovenin de fotosfeer eindelijk weg kan. Deze verlate fotonen zijn in het gedetailleerde spectrum te zien als tienduizenden donkere streepjes (omdat het daar 500° C koeler is dan beneden in de fotosfeer).
Als je de zon 's avonds juist boven de horizon ziet, op zeeniveau en in droge atmosferische omstandigheden, bevindt zij zich in feite nog een diameter méér onder die horizon: je bent namelijk het slachtoffer van een luchtspiegeling. De gradiënt in dichtheid van de boveneen liggende luchtlagen breekt immers de lichtstralen naar het aardoppervlak toe. Via deze luchtspiegeling kijk je feitelijk onder de einder, daar de zonnestralen in de atmosfeer een gekromde baan volgen (zie FIGUUR). De zon lijkt alleen maar in rechte lijn voor je te staan! Deze luchtspiegeling bereikt zelden meer dan 39 boogminuten verplaatsing (minder bij hoger vochtgehalte in de lucht), in dit geval is dat iets meer dan de 32 boogminuten diameter van de zon. (Zie ook verder: haar ellipsvorm.) En bij zonsopgang hinkt het beeld natuurlijk ook ruim 7 diameters achterna... Op minder dan een uurtje heeft het beeld echter die 39‘ nagenoeg ingelopen. Pas in het zenit is er geen enkele breking meer, alleen staat de zon op de Belgische breedtegraden nimmer in het zenit. Die 2° tijdseffect kunnen echter nooit worden ingelopen.
2.
Laag boven de horizon zie je de zon ellipsvormig. Dat is weinig bekend, maar let er eens op, in ideale omstandigheden is die afplatting 20%! De oorzaak is diezelfde optica van de atmosfeer: vlakbij de horizon moet je door veel en veel meer luchtmassa kijken, dan een weinig hoger (in elk geval 38 maal meer moleculen dan wanneer u recht naar omhoog in het zenit zou kijken). De lichtbreking is sterker als je doorheen de dichte luchtmassa nabij de horizon naar de onderrand van de zon kijkt, dan wanneer je blik ongeveer 30 minuten hoger gericht is om naar de bovenrand van de zon te kijken. Daardoor wordt de onderrand van de zon het meest naar boven "verplaatst", en de bovenrand iets minder, zodat de zon afgeplat gaat lijken. Van op een bergtop of vanuit de ruimte is dat nog meer het geval!
3.
De zon lijkt niet eens zo ver weg te staan. De 150 miljoen kilometer die ze gemiddeld wegstaat is visueel niet te vatten. De visuele hersenen hebben geen flauw benul van een dergelijke afstand. Dit is een niet-te-ziene (onzichtbare?) afstand. Het is eveneens een onkenbare afstand - want het ontgaat jou en iedereen compleet wat die enorme afstand betekent in ervaringstermen. Enkel het abstracte verstand weet er mee om te gaan, bij berekeningen bijvoorbeeld.
4.
Je ziet het oppervlak van de zon..? Wat je voor de zon neemt, is het zichtbare licht dat vertrekt uit één welbepaalde laag van de zon, fotosfeer geheten, niet meer dan 500 km dik, en op bijna 700000 km van de kern van de zon verwijderd. Is dat dan het oppervlak
van de zon, dat binnenkant en buitenkant van elkaar scheidt? Geenszins, de zon strekt zich nog zo ver uit dat bij wijze van spreken de aarde eigenlijk ingebed is in haar (invloeds)sfeer. De
fotosfeer is uiterst vluchtig, met tienduizend keer minder druk dan op aarde aan zee! Hier zou je dat een vacuüm noemen!
Daarbovenop begint vrij bruusk de chromosfeer, met op elk moment wel een half miljoen uitschieters tot 10000 km en hoger. Daarbovenop strekt zich de corona uit, van waaruit de zonnewind in alle richtingen het hele zonnestelsel omvat. Zijnde uiterst dunnetjes, passeert het meeste licht ongehinderd doorheen de corona. Een kleine fractie komt in botsing met de elektronen van de moleculen in de corona, en dat geeft haar schijnsel toch nog altijd het equivalent van maanlicht - was u maar niet verblind door de fotosfeer. Nu zie je ze enkel als een etherisch waas tijdens een totale zonsverduistering.
De schijnbare grootte van de zon is aan de menselijke soort gebonden; indien je slechts gevoelig was voor gammastraling, dan zou de zon een klein bolletje lijken (gesteld dat die straling doorheen de omgevende zone kon passeren - wat absoluut niet het geval is: geen foton geraakt er door). Indien je uitsluitend in het rood zou kijken (656 nanometer), zou de zon enkele procenten groter lijken: je zou namelijk de chromosfeer onder ogen hebben. Indien je gevoelig was voor elektromagnetische golven van 1 cm tot 100 cm golflengte (=radiostraling), dan zou zij twee keer zo groot lijken. Als je X-stralen kon zien, zou je de zon nog wat groter schatten (de superhete corona vanaf 10000 km boven de fotosfeer). Slangen zien gedeeltelijk in het infrarode spectrum... wat denken zij over de grootte van de zon?
Je ziet de zon doorheen dunne wolken of mist met een haarscherpe omtreklijn – die niet bestaat, want ter plekke is er louter een kolkend overgangsgebied. Onzichtbaar voor het blote oog. Zonnevlekken zijn gebieden die koeler zijn en minder licht afgeven. Onzichtbaar voor het blote oog. De zon roteert; aan de evenaar maken haar buitenste lagen een volledige omwenteling in 25 dagen (een goede 7000 km per uur), aan haar polen in 35 dagen. Onzichtbaar natuurlijk voor het blote oog.
Wat je ook niet ziet, zijn de zonnevlekken op dat oppervlak. Gebieden met lagere temperatuur, en daardoor "objectief" donkerder. Het woord 'vlekken' doet denken aan iets tweedimensionaal. Natuurlijk niet, het gaat om gigantische structuren. Rechtstreeks kijken naar de zon geeft geen resultaat, want gedurende het grootste gedeelte van de dag is de intensiteit van het licht te hoog voor je netvlies, zodat je er onmiddellijk door verblind wordt. Geniet maar niet van het kleurrijk en caleidoscopisch nabeeld..! Niet zozeer de verblinding is schadelijk, wel de hoeveelheid UV straling die je netvlies bereikt, pijnloos maar zeer destructief. En op andere momenten blijft het contrast tussen vlek en omgeving toch te zwak om met het blote oog gezien
te worden. Met behulp van een camera obscura zou je ze mogelijks wel zien afsteken in het beeld.
5.
Eigenlijk zie je een zonneschijf, terwijl de fotosfeer bij benadering een bolvorm heeft. Om de bolvorm te zien zou je bijvoorbeeld het plaatje van je linkeroog moeten kunnen vergelijken met dat van je rechteroog; maar op die afstand zijn beide plaatjes in dat opzicht gelijk. Er kan dus geen binoculaire stereodiepte onderscheiden worden, en ook de belangrijkste aanwijzing dat het om een bol gaat ontbreekt, namelijk het graduele helderheidverschil op het oppervlak. Die verschillen zijn er wel, maar niet in waarneembare sterkte. Derhalve zie je een platte schijf.
6.
Overdag geeft de zon een samenstel van velerlei golflengten af, de meeste Watts in de vorm van zichtbaar licht. Jij noemt dat wit licht. En zo ziet de zon er ook uit, 's middags, of vanuit de ruimte, of doorheen dunne wolken en mistslierten. Het licht van de 5780 graden Kelvin van de fotosfeer wordt natuurkundig ook als 'wit' gedefinieerd (al behoort de zon tot de gele dwergen). Toch wil de conventie dat je de zon geel tekent... Helemaal onjuist is dat niet. Naarmate de zon daalt van het hoogste punt aan de hemel, dus voor- of namiddag, doorboren haar lichtstralen
alsmaar meer lucht en worden er steeds meer van de korte golflengten weggekaatst uit de rechte lijn naar jou toe (verstrooiing, heet dat) en in tweede instantie geabsorbeerd (door waterdamp en zuurstof), dit alles in toenemende mate van 1 (zenith) tot een factor 38 (horizon). Zodoende blijven de langere golven over, die een gelig en rood beeld geven, zoals je 's morgens en 's avonds overduidelijk bemerkt.
Daarnaast spelen ook de gevoeligheid van het oog en simultaan contrast een rol:
Er wordt in de gele 450-550 nanometer band wel degelijk meer straling uitgezonden, en na filtering door de atmosfeer blijft de band tussen 500 en 600 nm energetisch overwegen! (De meeste energie vanwege de zon is geconcentreerd in de golflengten tussen 220 en 3200 nm; maar daarvan bereiken alleen die tussen 320 en 2200 nm massaal het aardoppervlak, doorheen de transparante atmosfeer. Op de golflengten tussen 400 en 700 nm reageert je oogzintuig.) De gele kleur komt voort uit het feit dat het netvlies in zijn geheel het meest reageert op juist die frekwentieband, met een bewustwording van geel. Bepaalde combinaties van frekwenties ervaar je verder ook nog als geel! Bij een zekere ouderdom filtert het oog (hoornvlies, lens, macula lutea) zelf ook nog eens een percentage van de korte golflengten weg. Uit een overmaat aan kleur signaleert het oog
derhalve het hevigst de gele aanwezigheid.
En tussen al dat blauwe getintel van de lucht en de zee, kan iets "wit" (de zon) toch een gele tint aannemen, bij wijze van kleurcontrast bij de kleurperceptie door het oog en het brein.
En de maan? Haar natuurlijke kleur is donker roest bruin. Overdag zie je haar echter als vaal wit en 's nachts eerder als geel. Kleurzien is complex, en ik heb hiervoor geen overtuigende verklaring gevonden. Vermenging of contrast met de blauwe lucht? Atmosferische effecten van waterdruppeltjes? Nachtelijke verblinding?
Er is een helderheidverschil tussen de gesteenten van haar donkerste gebieden (de zogenaamde maria of "zeeën") en van de bergketens, maar afgezien van deze vlekkerigheid lijkt zij merkwaardig plat en egaal. Van een belichte bolvorm zou je verwachten dat de middelste gebieden het helderst zijn, en de randen steeds minder. Maar hier speelt het zeer oneffen reliëf een rol: aan de randen van de volle maan kijk je vooral op de goed weerkaatsende bergflanken, terwijl je centraal in de donkere dalen kijkt. Het een compenseert min of meer het andere. Bij schuine belichting, halve maan dus, wordt er minder licht dan bij oppositionele belichting naar de aarde gezonden (per eenheid oppervlakte). De schaduwen van de bergen maken de binnenrand waarschijnlijk iets donkerder. Tijdens de dagen van nieuwe maan, wanneer zij door de zon niet rechtstreeks
beschenen wordt, is ze soms toch goed te zien: de aarde reflecteert licht op de maan, die het terugkaatst naar de aarde. Dit geschiedt des te meer wanneer wolken over het juiste aardse werelddeel hangen, en het zal je roodachtig toeschijnen omdat die langere golflengten het best door de aardse atmosfeer in rechte lijn over en weer geraken. Niet alleen staan ze min of meer recht tegenover elkaar, een goede "spiegel"positie, maar het is dan ook "volle aarde".
Een paar dagen later is het al "halve aarde" gezien van op de maan, zodat er veel minder licht naar ginder gekaatst wordt.
De meeste sterren zijn gekleurd; naargelang hun oppervlakte temperatuur verschijnen ze rood (tot 4000° C), oranje (tot 5000° C), geel (tot 6000° C), wit (tot 10000° C) of blauw (boven 11000° C). Dat zie je slechts bij enkele heldere sterren in jouw hemisfeer, omdat alle andere van de maximaal 3000 zichtbare sterren 's nachts, te weinig licht geven om de lichtgevoelige kegeltjes te stimuleren. Je ziet ze met de staafjes, ongevoelig voor kleur. Het helpt als je door een verrekijker kijkt en er een beetje mee over en weer zwaait. (P.S. 6000° Celsius is eigenlijk officieel wit, maar wegens het Dopplereffect verschuift die kleur naar geel.)
7.
Laag boven de horizon of boven een bergkam lijkt de zon bijzonder groot. Er is geen natuurkundige of optische oorzaak, zoals blijkt uit metingen op foto's. Dit is voor 100% een psychologische illusie. Dit effect wordt de maanillusie genoemd, want het geldt evenzeer voor de maan als voor de zon. De hemellichamen staan 's middags niet merkbaar verder weg van jou dan 's morgens of 's avonds. De ochtend- , middag- of avondzon beneemt ongeveer 32 boogminuten doorsnee op je netvlies, net zoals de maan doet. Het visuele systeem interpreteert dingen op afstand kort boven de horizon echter als verder weg - gesuggereerd door een heleboel aardse elementen die zich tussen u en de horizon bevinden; onbewuste mechanismen van diepte-beoordeling zorgen daarvoor. Meteen komt er een vorm van compensatie tot stand: zò ver weg, en zò groot op mijn netvlies (32°), dàn moet dat ding zeer groot zijn. In je bewustzijn beleef je de zon en de maan dan als veel groter dan de grootte waarop ze “recht” hebben gezien de hoeveelheid oppervlakte op het netvlies. Diezelfde 32° hoog in het zenit ervaar je als "klein" (of gewoon). In uitgebreide onderzoekingen bekijken proefpersonen via periscopische omleiding van het beeld de avondzon schijnbaar hoog in de lucht - de zon lijkt klein; of de middagzon laag over de einder - ze lijkt groot. Of kijk je naar de avondzon doorheen een buis die de context uit beeld houdt: wat een gewoon zonnetje! Dat bewijst dat het zien van de horizon een essentieel element is. Als de maanillusie je onverhoeds treft, schrik je van het effect. Onbewust weeg je de schijnbare grootte af tegen je herinnering. Juist omdat je haar klein voorstelt in je gedachten, verbeelding, herinnering, verrast ze je met haar omtrek. Je kan je afvragen waarom het omgekeerde zich niet voordoet: schrikken als je de maan of zon hoog in de lucht zo “klein” waarneemt! Je zou ze dan vergelijken met je herinnering aan de avondlijke of ochtendlijke toestand... In de praktijk echter zie je de hemellichamen veel meer in de lucht dan in het gebied rond de einder. Laat ons voor het gemak eens stellen dat de hemelboog 180° bedraagt voor een toeschouwer aan de evenaar. Dus van al de tijd dat zij zichtbaar zijn bevinden ze zich 70% hogerop, en slechts 50/180 = 30% bij de horizon in een gebied van +- 25°. In de herinnering overwegen dan inderdaad de geheugenbeelden van kleine hemellichamen. Vermoedelijk liggen de verhoudingen niet anders op de breedtegraden waar nooit het zenit bereikt wordt. Vergeet even de velen die niet het geluk hebben op het platte land te toeven; voor de stadsbewoners is er beduidend minder gelegenheid om opkomst of ondergang (van hemellichamen) te aanschouwen!
Het concept 'grootteconstantie' wil die compensatie verklaren. Je beleeft
een ding dat zich van je verwijdert, bijv. een dier, als "nog altijd even groot", ook al verkleint de visuele hoek waaronder je het ziet, terwijl het zich verwijdert. Een equivalente formulering legt beter uit wat er gebeurt bij de maanillusie: bij een gegeven visuele hoek wordt een ding als vergroot ervaren naarmate zijn waargenomen, geschatte of onbewust erkende afstand groter is. Je kan het effect oproepen met de Ponzo-illusie (FIGUUR): even grote rechthoeken tussen schuine lijnen lijken van grootte te verschillen, omdat je onbewust hun subjectieve afstand drastisch anders percipieert. Een nabeeld bijvoorbeeld neemt op je netvlies een welbepaald onveranderlijk oppervlak in, maar je oordeelt de vlek groter naarmate je ze op een verder afgelegen oppervlak projecteert (zie de wet van Emmert).
Paradoxaal genoeg lijkt die zon of maan in je bewustzijn echter dichterbij gekomen, “aangezien ze zo groot lijkt”. (Een kronkelredenering?)
Hetzelfde verschijnsel doet zich naar verluidt voor met de sterrenbeelden. Tegen de horizon ga je ze groter, wijder uiteenstaand, beoordelen dan hoog in het zwerk. Menig amateur astronoom heeft zich daarover verwonderd... De maanillusie geldt evenzeer voor een warme luchtballon die je eensklaps achter de bomen ontdekt, of voor een watertoren die opdoemt. Dit illusoir effect is voor het aardse leven onschadelijk, integendeel, het is nuttig, want het is voor mens en dier altijd interessant iets aan de gezichtseinder groot genoeg te zien.
Mocht je vinden dat de illusie sterker is bij een lichte sluier van mist, dan speelt de atmosferische perspectief je parten: door het verminderd contrast met de omgeving – wegens de filtering door de vochtige lucht – interpreteert jouw onbewust ruimtelijk beoordelingsvermogen de maan of de zon extra ver weg, waardoor de grootteconstantie nog meer “volume” in je bewustzijn steekt.
Misschien valt het je op dat op veel foto's het avond- of ochtendzonnetje er maar pover bij hangt (hangen, want waarom zou ze staan?). Maar opgelet, wanneer de fotograaf ingezoomd heeft, dan kan die zon heel uw blad vullen... laat je daardoor niet misleiden! Dat is niet de maanillusie! Om het even welk groot voorwerp kan klein lijken tegenover het beeld van de zon, een huis bijvoorbeeld. Daarvoor gaat de fotograaf ver genoeg naar achteren, totdat het te fotograferen huis een stip geworden is van zeg 2 boogminuten op zijn pellicule. Terwijl de zon in de achtergrond hoedanook waardanook altijd zowat 32 minuten gezichtsveld in beslag neemt, hoe ver de fotograaf ook weggaat. Als hij met de juiste apparatuur inzoomt op die constellatie, dan staat achter dat huis natuurlijk een reuzengrote
zonneschijf op de pellicule, daar je onbewust de overdreven grootte van de zon afmeet aan de proporties van een bekend ding (in casu dat huis).
8.
De zon draait per 25 dagen omheen haar as, althans aan haar evenaar. Aan de polen (bovenop en onderaan, van op de aarde gezien) is dat in 35 dagen. Voor het oog onzichtbaar dus. Maar... wie naar de zon kijkt, op een moment dat ze net niet verblindt, heeft misschien de illusie dat de schijf snel rond haar middelpunt wentelt (1 à 2 toeren per seconde). De uitleg is misschien te zoeken bij het astigmatisme van de ogen dat tot onsystematische bewegingen van de zonneschijf op het netvlies leidt, tezamen met de nabeelden die je rond de zonneomtrek ziet alsof het protuberansen zijn, die eveneens over het netvlies verschuiven. Die beweeglijkheid van het beeld kan gemakkelijk door het visueel systeem foutief als een rotatie geïnterpreteerd worden.
9.
Misschien meen je ook te zien dat de zon rond de aarde draait... Dat is niet mogelijk. Om precies te zijn: de rotatie van de aarde is net iets te langzaam om de zon te kunnen zien bewegen, tenzij misschien vlakbij de referentie horizon. Je deduceert die beweging uit de achtereenvolgende standen van de zon aan het uitspansel: uw horizon blijft ongewijzigd, dus moet het wel de zon zijn die zich verplaatst (heeft). Als je het verschijnsel aanvaardt als een visuele illusie, dan is dit een voorbeeld bij uitstek van 'u mag gerust een illusie hebben”, want het is voor het praktische leven totaal irrelevant wie er nu rond wat draait.
10.
Wanneer je je verplaatst volgt de zon je, als een daad van volhardende stalking... Je wandelt, je fietst, je rijdt, en in de verte beweegt de zon mee, volgt zij hetzelfde parcours. Ook met de maan heb je dat. Deze prachtige illusie volgt uit de onmetelijke afstand van deze hemellichamen.
Stel dat de zon juist links van jou “hangt”, exact 90° opzij. Welnu, je mag honderd meter verder westwaarts staan, de zon bevindt zich ook van dat standpunt in quasi exact die hoek ten opzichte van je. Je mag 2 km verder weg staan, je zult de zon andermaal in die positie t.o.v. jezelf zien staan. Strikt genomen is dit niet juist, als die 100 m of 2 km een verplaatsing volgens een lengtegraad is (oost- of westwaarts), maar het gaat om een zodanig minuscule hoekwijziging, dat het onmerkbaar is voor het menselijk systeem (en voor vele instrumenten). Uiteraard eventjes in gedachten houden, dat die hoekwaarnemingen op eenzelfde tijdstip gebeuren, want tenslotte is er de aardrotatie en op die manier wijziging van positie van de zon. Ten tweede volgt de illusie uit de
onervarenheid met de enorme afstanden waarop die hemellichamen zich bevinden – zij lijken veel dichterbij, op enkele kilometertjes afstand zo lijkt het wel.
De illusie van stalking volgt hieruit, en is eigenlijk een knap staaltje “logica” in de perceptie. Als een ballonnetje aan je fietsstuur hangt en je ziet het exact 90° naast je, en
enkele meter verder ook nog, dan is het wiedes dat het ding je is gevolgd. Je had er lang voorbij moeten zijn, en achterom moeten kijken om het te zien! Dit doet zich nu ook voor met de wat grotere
ballon die de zon is. De volgbeweging die je meent te zien, is een deductie op basis van ongewijzigde positie tijdens eigenbeweging.
.JPG "de foto van Dieter, een fresco uit de refter van zijn school")
.jpg "brug lijkt mee te draaien, als u zelf zijwaarts beweegt")
.jpg "de auto lijkt mee te draaien, als u zelf zijwaarts beweegt")
.jpg "de dame op TV lijkt mee te draaien, als u zelf zijwaarts beweegt")
.jpg "mozaïek van een god, tussen de op-art")
