В публикациях в интернете по-разному объясняется, как возникает цвет пламени у костра
Существует две принципиально разные версии. В одной говорится, что излучают раскаленные частицы углерода размером около 100 нм, во второй - что желтый цвет возникает при излучении солей натрия, находящихся в древесине.
В многочисленных публикациях одно или другое из этих объяснений. На форумах обсуждается эта тема, но никто не ссылается на результаты экспериментов.
Вот пример типичных публикаций:
То есть, до настоящего времени нет общепринятого варианта объяснения механизма видимого излучения, возникающего в процессе горения костра!
И все же - почему костер желтый?
Я решил провести эксперименты и найти правильный ответ. Мне нужно было измерить спектр видимого излучения пламени костра и объяснить результаты. Если спектр будет сплошным – верна первая версия, если мы будем наблюдать двойную линию натрия – вторая.
Замечу, в русскоязычном и англоязычном интернете мне не удалось найти подобных спектров.
Для проведения работы я изготовил и настроил спектрометр.
Самодельный спектрометр
В интернете много публикаций и роликов о том, как сделать спектрометр из DVD диска, однако характеристики этих приборов не позволяют провести нужные измерения. Мне же удалось сделать качественный спектрометр.
Основные характеристики
Спектрометр работает в диапазоне 400-700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.
Измерение спектра пламени костра
Были проведены классические эксперименты - измерены спектры Солнца, лазеров, пламени газовой горелки и всевозможных ламп. Спектрометр прошел проверку и теперь можно было приступать к исследованию пламени костра.
Измерим спектр линии огня - так я назвал увиденную линию.
На фоне очень слабого непрерывного черно-тельного спектра были зарегистрированы две яркие желтые лини с длинами волн 589,0 нм и 589,6 нм. Согласно базе данных NIST - это линии натрия.
Ниже на фотографии показана часть спектра пламени костра с большим увеличением, чтобы можно было рассмотреть двойную линию натрия 589,0 нм и 589,6 нм на фоне непрерывного спектра раскаленных частиц углерода:
В дальнейших исследованиях была зафиксирована динамика появления линий натрия в спектре. Пока костер разгорается - в спектре линии отсутствуют. По мере появления углей и увеличения мощности излучения, данные линии появляются и их яркость растет.
Обсуждение результатов экспериментов
Почему мы видим желтый цвет, физиология
Чтобы правильно объяснить результаты экспериментов надо понимать, как наши глаза воспринимают излучения разной длины волны и как мозг обрабатывает эту информацию.
Коротко и очень, очень упрощенно напомню хорошо известные факты. Мы воспринимаем цвет желтым по разным причинам: в одном случае, когда в сетчатку глаза попадает излучение узкого спектра с длиной волны в диапазоне 570 нм – 590 нм, и во многих других, когда в глаза попадает излучение разного спектрального состава. Например, красный и зеленый в правильных пропорциях будут восприниматься как желтый. На экране мониторов мы создаем как раз такой желтый цвет.
То есть наши глаза и затем мозг создают иллюзию цвета и поэтому для понимания физических и химических процессов нам и требуется измерение спектра.
Заблуждение, которое встречается во многих публикациях, в которых объясняют желтый цвет костра - «Цвет костра вызван излучением натрия»
Данный эксперимент показывает - появление двойной линии натрия не оказывает какого-либо заметного изменения цвета.
Небольшие пояснения
Сравним спектры излучения Солнца и пламени костра.
В солнечном спектре максимум приходится на зеленый цвет, а мощность красного и синего меньше. Излучение именно с такой спектральной характеристикой воспринимается как белый цвет.
В пламени костра из атомов углерода образуются частицы сажи размером до 100 нм. Эти частицы и дают непрерывный спектр с максимумом излучения в инфракрасной области, а мощность видимого излучения падает от красного к зеленому и еще больше к синему. Излучение с таким спектром воспринимается человеком как оттенки желтого и оранжевого, в зависимости от температуры области пламени. Желтый цвет костра – это НЕ случайное совпадение, но об этом чуть ниже.
Влияние солей натрия
В процессе горения появляется зола в которой содержатся соли, в том числе и соли натрия. Золы совсем немного. Она начинает подниматься в пламени вверх, и яркая двойная желтая линия натрия постепенно появляется в спектре. Однако ее появление не сказывается заметно на цвете костра, так как желтый цвет от непрерывного спектра глаза уже воспринимают.
Выводы
То, что мы видим костер желтым, не означает, что идет излучение в узком спектральном диапазоне натрия. Наши глаза и мозг воспринимают непрерывный спектр как желтый цвет.
Появление дополнительно яркой линии натрия мало влияет на восприятие цвета костра, который остается таким же желтым. Для нас не заметно изменение цвета, так как такой цвет уже был. Кстати, если бы за цвет костра отвечал только натрий, оттенков бы не было, так как мы бы видели чистый спектральный цвет.
Почему же популярной остается версия о том, что желтый цвет костру придает линия натрия? Скорее всего, совпадение цвета линии натрия и черно-тельного спектра углерода и привело к путанице.
Цвет пламени костра дают ярко светящиеся частицы углерода. Влияние на цвет излучения натрия минимально.
Новая гипотеза о влиянии пламени костра на адаптивную эволюцию цветового зрения человека
Краткий итог первой части публикации: (1) в пламени костра два совершенно разных и не связанных между собой механизма порождают излучения, цвета которых воспринимаются человеком одинаково, как желтый, (2) излучение натрия меняет интенсивность в процессе горения, (3) цвет пламени в процессе горения не меняется и остается желтым.
Как известно мы можем различать множество цветов. Утверждается, что миллион, но даже если это была бы тысяча, то вероятность случайного совпадения цвета 1:1000.
Логично возникает гипотеза – это не случайно. Можно предположить, что костер стал триггером для эволюции цветового зрения человека.
Поиски в интернете русскоязычном и англоязычном не дают ответов. Эта гипотеза не только нигде не обсуждалась, но даже никем не высказывалась. Скорее всего это связано с тем, что биологи просто не знают той информации о спектре пламени костра, которая появилась в процессе данных измерений.
Чтобы убедится, что цвет излучения действительно одинаковый я придумал еще один изящный эксперимент
После окончания горения пламени соскребаю сажу со стенок камина и собираю золу возле углей. Помещаю сажу и золу в две разные ложки из нержавейки, заливаю до краев спиртом и поджигаю одновременно. Результат на снимках ниже. Получилось, на мой взгляд, красиво.
Мне удалось разделить желтый цвет пламени костра на две разные части.
Что мы получили. Визуально цвет полностью совпадает. В процессе горения пламя золы и сажи выглядят совершенно одинаковыми. И цвет, и интенсивность горения одинаковые. Но на снимках можно увидеть небольшую разницу. В пламени, где излучает сажа можно разглядеть отдельные светящиеся треки частиц углерода, в золе таких нет.
Спектральный анализ показывает, что сажа излучает в сплошном спектре, где на каждой частоте излучение небольшое, а зола дает две яркие линии натрия.
Интересное наблюдение - пламя монохромного излучения золы имеет разные оттенки желтого. Скорее всего, это связано с разной мощностью излучения в разных частях пламени.
Вернемся к обсуждению гипотезы
Есть еще несколько фактов, которые делают предположение о влиянии костра на эволюцию цветового зрения более правдоподобной
Если бы цвет излучения сажи и золы воспринимался по-разному, то (1) цвет костра менялся бы в процессе горения и (2) воспринимаемая яркость костра была бы меньше.
Расположение максимумов восприятия в трех типах колбочек сетчатки 430, 530 и 560 нанометров, не симметрично и сдвинуто к линии натрия. При таком расположении, освещение костра для нас намного ярче (3). Как это могло возникнуть?
Археологи определили, что человек пользуется костром более миллиона лет. За это время сменилось более 50 тысяч поколений. Достаточно чтобы в каждом поколении максимум восприятия в колбочках менялся на 0,001 нм и за миллион лет изменения достигнут 50 нм (4).
Узкий спектр желтого по сравнению с красным зелёным и синим дополнительно указывает на маленькую вероятность случайного совпадения (5).
В течении миллионов лет, ежедневно, люди проводили у костра значительную часть своего времени, ведь костер был единственным альтернативным источником освещения, так что адаптироваться было жизненно необходимо (6).
Желтый цвет костра близок по восприятию к закатному освещению солнца, что может являться еще одним доводом в пользу гипотезы, так как таким образом цвет костра начал восприниматься похожим на цвет солнца (7).
Гипотеза о влиянии костра на эволюцию цветового зрения человека также может объяснить необходимость появления трихроматического зрения (8).
Популярная гипотеза об эволюции зрения для большего удобства поиска фруктов среди листвы не объясняет необходимость появления трех разных колбочек с максимумами в 430 нм, 530 нм и 560 нм. Другие приматы являются дихроматами, имеют цветовое зрение и легко находят пищу.
А вот жизнь при двух разных источниках света могла привести к появлению трихроматического зрения. Напомню, что спектральный состав солнца и костра сильно отличаются. Излучение костра более интенсивное в длинноволновом диапазоне, чем в диапазоне коротких волн. И за цветовое зрение возле костра отвечают в основном колбочки 530 нм и 560 нм. Если бы в этом диапазоне был только один вид колбочек, а второй тип в фиолетовом диапазоне, то при свете костра у человека было бы практически монохромное зрение. Кроме того, именно такое ассиметричное расположение максимумов делает восприятие цвета при солнечном свете и свете костра очень похожим, особенно для вечернего солнца.
Все приведенные выше аргументы (1) - (8) не являются прямыми доказательствами, но косвенно они подтверждают гипотезу о роли костра в эволюции цветного зрения человека. Главным же фактором я считаю чрезвычайно маленькую вероятность совпадения цветов, излучаемых частицами углерода и натрия (9).
В заключении следует отметить, что мы можем наблюдать два вида эволюции - [1] изменение строения глаза и [2] адаптацию обработки мозгом информации от глаз. То есть сдвиг максимумов восприятий колбочек к линиям натрия и восприятие мозгом одинаковым желтым цветом излучения частиц углерода и натрия.
Примечательный факт - из-за того, что в процессе адаптации желтый цвет стал самым воспринимаемым, по описанным выше причинам, этим стали активно пользоваться маркетологи, разработчики дорожных знаков и геймдизайнеры.
Пояснения и инструкции
Пояснения для тех, кто хочет узнать подробности экспериментов, и инструкции для желающих сделать аналогичный спектрометр и провести свои измерения
Конструкция прибора очень простая, но простота стала возможной потому что были использованы современные высокотехнологичные компоненты: зеркальный фотоаппарат, DVD-R диск, компьютер с программным обеспечением для обработки фотографий. Я собрал спектрометр в прочном корпусе, закрепил на массивном штативе, сделал заменяемые оптические щели и использовал для калибровки ртутную лампу с четырьмя известными линиями излучения ртути. Воспользовался базой данных для идентификации зафиксированных в экспериментах линий. Придумал как обрабатывать данные и получил разрешение спектрометра 0,1 нм.
Спектрометр, в котором спектр регистрируется на фотоаппарат лучше подходит для экспериментов по восприятию человеком цвета, чем классические спектрометры с равномерной шкалой мощности. Дело в том, что производители делают трехцветную матрицу по аналогии с трихроматическим зрением человека. Мы сразу получаем нужный результат.
Изготовление спектрометра
Настройка и калибровка спектрометра
Настройка — это выбор чувствительности матрицы, диафрагмы объектива, экспозиции, резкости. Все это делается экспериментальным путем. Параметры выбирались так, чтобы экспозиция при съемке пламени не превышала 10 секунд.
Калибровка производилась перед каждой серией опытов по известному спектру малогабаритной ртутной люминесцентной лампы. Спектрометр устанавливался на прочном штативе в метре от пламени, между прибором и костром помещалась калибровочная лампа и делались снимки спектра лампы. Затем лампа убиралась, менялась выдержка и делались съемки спектра пламени.
Обработка результатов измерений
Обработку результатов измерений (измерение длин волн исследуемого спектра) проводили следующим образом: Спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр объединялись в один кадр. Зная расположение линий ртути, путем измерений и последующих расчетов определяли нужную длину волны. Измерения проводились с точностью до одного пикселя матрицы сенсора камеры, что соответствует 0,1 нм. Для надежной регистрации спектральных линий требовалось три пикселя. Ширина половины спектральной линии 0,3 нм; поэтому разрешение спектрометра не хуже 0,3 нм. Учитывая, что расположение центров линий можно определить с точностью до 1 пикселя, длина волны была установлена с точностью до 0,1 нм. Типичные самодельные спектрометры, информацию о которых можно найти в Интернете, имеют разрешение более чем на порядок ниже — от одного до нескольких нанометров. Они не подходят для таких измерений.
Мне немного повезло. В природе два спектральных источника желтого цвета: (1) двойная линия эмиссионного спектра натрия 589,6 нм и 589,0 нм и (2) двойная линия эмиссионного спектра ртути 577,0 нм и 579,1 нм. Один из них был в калибровочной лампе другой в пламени костра. Между этими линями всего около 10 нм и соответственно порядка 100 пикселей. Поэтому я легко смог с точность до 0,1 нм измерить длину волны линии натрия в пламени костра.
О том, как сделать качественный спектрометр и как правильно проводить эксперименты читайте в моей статье "Самодельный спектрометр с высоким разрешением"
https://habr.com/ru/post/545810/
