Изменение света в прозрачной среде
Свет распространяется в прозрачной среде. Прозрачной средой для света служат все видимые вещества и тела природы. Так как в природе совершенно прозрачных или непрозрачных тел не существует, то пределы распространения света определяются относительной прозрачностью среды. Толстый слой воды малопрозрачен, очень тонкая пластинка металла прозрачна. Прозрачная среда является той видимой частью природы, в пределах которой заметно движение света. Она является миром зрительных ощущений. За пределами прозрачности движение света отсутствует, и окружающий мир становится недоступным для зрения.
Прозрачная среда видоизменяет проходящий свет. Она его рассеивает, поглощает и отражает.
Рассеивание заключается в том, что коротковолновые лучи света — синие, голубые, — наталкиваясь на мельчайшие частицы прозрачной среды, рассеиваются. Красные и желтые лучи благодаря большой длине волн относительно беспрепятственно проходят прозрачную среду.
Прозрачная среда, видимая на просвет, будет окрашена в красноватые, желтые цвета вследствие преобладающего проникновения сквозь нее длинноволновых лучей; видимая по свету, она возвращает к нам рассеянные голубые лучи и приобретает голубой оттенок.
Свет утренней зари, например, окрашивает небосвод с востока в теплые тона. Это происходит потому, что при низком стоянии восходящего солнца свет проходит наиболее мощный слой атмосферы и преобладание красных и желтых лучей света, достигающих нашего зрения, наибольшее. В то же время западная часть небосвода, отражающая и возвращающая к нам голубые лучи, рассеянные в воздухе, будет окрашена в голубой цвет. Утром прозрачная воздушная среда восточной части небосвода рассматривается на просвет, западной же части — по свету.
Цвет дневного голубого неба зависит от голубых лучей белого солнечного света, рассеянных в прозрачной среде воздуха, за которой лежит черное заатмосферное пространство. Рассеивая и, следовательно, теряя в воздухе часть голубых лучей, белый солнечный свет становится желтоватым и, достигая наземных предметов, придает им золотистый оттенок.
Туман на просвет кажется ярко-желтым, по свету — голубовато-серым или синим. Дым на светлом фоне неба кажется красноватым; проплывая на фоне темных предметов, он кажется голубым. Опал, молочное стекло, матовое стекло, вода, помутневшая от нескольких капель молока, и тому подобные предметы — все они, приобретая желтые и оранжевые оттенки на просвет, по свету кажутся голубыми.
Морская вода, в проходящем свете желто-зеленая, становится голубой и изумрудной от света, рассеянного в ней.
Картина И. К. Айвазовского «Девятый вал» (рис. 2) может служить наглядным примером для изучения тех видов изменений, которые претерпевает свет, проходя сквозь прозрачные тела. Непревзойденный русский маринист удивляет своим глубоким пониманием живописных свойств прозрачной среды, особенно морской волны и воздуха.
Все краски, смешанные с белилами, Леонардо да Винчи называл голубыми. Краски мутнеют от белил, делаются менее прозрачными и в большей степени рассеивают в себе и отражают голубые лучи. Желтая краска, смешанная с черной, по той же причине приобретает зеленоватый оттенок.
Листва дерева с освещенной стороны имеет холодно-зеленый цвет; если ее рассматривать против света, например изнутри кроны дерева, она — тепло-зеленая.
Сложный и богатый оттенками цвет человеческого тела объясняется прозрачностью кожи, сквозь которую в прямом и обратном направлениях проходит свет, отраженный жировым покровом. Чем темнее цвет кожи и меньше жира под ней, тем темнее и холоднее цвет человеческого тела. Чем прозрачнее кожа и жировой слой больше, тем тело кажется более светлым и теплым по тону. Освещенная часть тела чаще всего кажется теплого тона, так как здесь преобладает проходящий из-под кожи свет. В более затемненных местах тело имеет голубоватый оттенок в силу преобладания рассеянного света за поверхностью кожи, особенно, если под кожей проходит темно-красная вена, которая снаружи кажется голубой (рис. 12).
Прозрачная среда иногда пропускает не весь спектральный состав лучей, а лишь определенную их группу. Остальная часть спектра поглощается средой. Так, прозрачное стекло пропускает свет почти без поглощения и заметного изменения. Закопченное, оно поглощает некоторую часть света. Такими стеклами пользуются иногда наблюдатели солнечного затмения, для того чтобы уменьшить количество солнечного света, проходящего к глазу.
Закопченное стекло изменяет свет количественно. Но если мы заменим закопченное стекло витражом из цветных стекол, то получим качественное изменение проходящего света. Качественное изменение света связано с избирательным поглощением; количественное изменение проходящего света — с простым, или неизбирательным, поглощением. Совершенно прозрачное стекло пропускает почти весь свет и в витраже выглядит самой светлой частью. Неизбирательно поглощающее стекло кажется серым, а стекло, поглощающее весь свет,— черным, непрозрачным. Стекла, которые избирательно поглощают свет, кажутся цветными. Чем более ограниченную группу лучей пропускают стекла, тем они будут темнее по тону и интенсивнее по цвету.
Ощущение определенного цвета производят непоглощенные лучи проходящего света. Цвет есть ощущение света, прошедшего избирательное поглощение данной прозрачной среды. Цвет прозрачного тела, например стекла, возникает тогда, когда оно рассматривается на просвет; если тело не просвечивается, то оно теряет цвет. Витраж окна, состоящий из цветных стекол, ночью, когда за окном полный мрак, не будет просвечиваться, и все стекла будут черными.
Чтобы почувствовать цвет тела, необходимы два условия: прозрачность и присутствие источника света, при котором мы видим тело на просвет.
Рис. 9. Преобладание отраженного света. Фрагмент картины В. А. Серова «Девушка, освещенная солнцем». Освещение изобилует разноцветными рефлексами от окружающей природной среды.
Рис. 10. Светотень в условиях помещения, заполненного разноцветными предметами. Картина А. Е. Архипова «В гостях» хорошо показывает сложную, разноцветную светотень изображенных персонажей.
Рис. 11. Зависимость светотени предметов на открытом воздухе от состояния небосвода. Фрагмент картины И. И. Левитана «Март». Окраска полутонов и падающих теней на снегу определяется цветом неба.
Рис. 12. Цвет прозрачного человеческого тела. Этюд А. П. Лосенко «Натурщик». Цвет тела видоизменяется в зависимости от преобладания отраженного, рассеянного или не поглощенного им света.
Мы рассматривали наиболее прозрачные тела — воздух и стекло — в проходящем свете первоисточников, оставляя в стороне источники отраженного света. Но в действительности большая часть цветовых ощущений является следствием просвечивания тел отраженным светом. Если мы, рассматривая прозрачное тело на просвет, заменим прямой свет первоисточника каким- либо отраженным светом, то ощущение света возникает с той же закономерностью; изменится лишь яркость цвета, потому что отраженный свет слабее прямого.
Отраженный свет есть та причина, которая дает возможность видеть на просвет как большие прозрачные тела, так и небольшие частицы малопрозрачных тел и чувствовать их цвет.
Разноцветные стекла, положенные на черный бархат, будут казаться черными; положенные же на белую бумагу обнаружат свои разнообразные цвета. Здесь, следовательно, появится источник отраженного света — белая бумага,— который просвечивает сквозь стекла и обнаруживает их цвет.
На рис. 13 схематично показаны лучи света, проходящие прозрачные тела А, Б. Свет, встречая на своем пути среду А, распадается на две части. Первая отражается от внешней поверхности под углом падения без качественного изменения. Вторая доля света, преломляясь, продолжает свой путь в среде А в измененном направлении; это изменение тем больше, чем больше меняется скорость света при переходе в данную среду из предыдущей. Среда А будет рассеивать и поглощать вторую долю света, пока световая энергия не иссякнет или пока свет не пройдет всю толщу среды А и не встретит среду Б, по-своему изменяющую скорость движения света. Тогда свет вновь распадается на две части: преломившаяся часть света пойдет дальше, а отраженная возвратится обратно сквозь среду А и будет изнутри просвечивать эту среду, выявляя ее цвет.
Та доля дневного света, которая отражается или рассеивается поверхностью тел и не меняет спектрального состава белого света, влияет только на светлоту предметов; отражение же света из глубины тела при том или ином поглощении света создает условия видимости тела на просвет и поэтому обнаруживает цветовые качества предмета.
Бокал чистой воды, поставленный в черную камеру и освещенный из узкого отверстия слева дневным белым светом, будет обнаруживать себя лишь бликами отраженного света. На рис. 14 сверху левые блики лежат на поверхности бокала со стороны падения света, правые — со стороны перехода света в следующую среду — воздух. Если в бокал налить черной туши, то правые блики исчезнут, ибо свет, проникающий в черноту туши, поглощается безвозвратно. Если в бокал налить красного вина, то правые блики станут интенсивного красного цвета. Свет правого блика дважды пересечет среду вина в прямом и возвратном направлениях. Возвратный свет, пройдя двукратное избирательное поглощение, даст возможность видеть вино на просвет и выявить его окраску. В условиях черной камеры, полностью поглощающей свет, мы будем ощущать цвет вина только в том месте, где оно будет видимо на просвет от правого блика. В остальных частях вино будет казаться черным. Если же бокал перенести в окружение белых предметов, то получим много всестороннего отраженного света, который на просвет обнаружит цвет всего вина.
Если вместо бокала вина мы возьмем прозрачную ягоду красной смородины, то получим ту же картину в уменьшенном масштабе и будем наблюдать ту же закономерность. Если насыпать горкой большое количество ягод красной смородины, то можно видеть, что верхние ягоды, более освещенные и пропускающие сквозь себя больше отраженного света, лучше видны на просвет, выглядят более ярко-красными; нижние ягоды просвечиваются отраженным светом нижележащих ягод и выглядят более насыщенными по цвету, темно- красными, а еще ниже — совсем черными (рис. 14).
Если горку ягод перевести в микроскопический масштаб, то мы получим схему восприятия цвета всякого тела, имеющего зернистую, волокнистую, кристаллическую или иную какую-нибудь естественную структуру мелких, относительно прозрачных частиц.
Цвет красок, состоящих из мельчайших зерен красящего вещества, также виден вследствие отражения света из глубины отдельных зерен краски, видимых на просвет в проходящем отраженном свете от нижних зерен или от светлого грунта. Светлый грунт, освещая краску отраженным белым светом на просвет, увеличивает ее яркость. Так, на черную бумагу слой акварельной краски ляжет грязными пятнами, а положенный на белую, он вспыхнет ярким цветом. В отличие от светлоты интенсивность цвета краски определяется силой и полнотой избирательного поглощения света в толще красочного слоя и в пределах прозрачности краски возрастает с глубиной слоя.
В природе нет таких тел, которые способны изменять свет лишь в одном отношении — только отражать, поглощать или рассеивать. Свет, как правило, подвергается всем трем видам изменений, но всегда одно из них преобладает над другим и характеризует качество отраженного света.
Если, например, преобладает поверхностное отражение, то предмет будет белым, непрозрачным и в зависимости от характера поверхности — матовым или глянцевым, как гипс или эмаль. Если с преобладанием поверхностного отражения свет проникает внутрь и отражается изнутри, то предмет кажется белым и полупрозрачным, как мрамор, фарфор, молочное стекло и т. п. Если же к этому прибавляется еще избирательное поглощение, то мрамор получает некоторый цветовой оттенок, а с прибавлением неизбирательного поглощения становится светло-серым.
Преобладание неизбирательного поглощения делает предметы серыми и черными и в зависимости от фактуры внешней поверхности то блестящими, как черный полированный гранит и черный лак, то матовыми, как бархат или сухая сажа. Когда преобладает избирательное поглощение и вместе с тем свет незначительно проникает в толщу тела, отражаясь с малой глубины, предмет будет светлым, мало прозрачным и мало интенсивным по цвету, как черепица, дерево и камень.
Если же свет, проникающий внутрь тела, отразится изнутри его с большой глубины, то предмет будет казаться очень прозрачным и интенсивным по цвету, как все самоцветы, цветные жидкости, плоды и ягоды и т. п.
Если, наконец, свет будет проходить сквозь тело предмета почти без изменения, то предмет будет бесцветным, прозрачным и едва уловимым по очертаниям, как большинство предметов из прозрачного стекла. С прибавлением же рассеивания, т. е. помутнения прозрачной среды, предмет будет иметь холодный оттенок при рассматривании по свету и теплый тон — на просвет, что мы уже наблюдали в замутненной молоком воде, в туманном воздухе, в ягодах винограда, в листьях деревьев, в молодых прозрачных побегах, в человеческом теле и т. п.
Итак, предметы в большей или меньшей степени прозрачны, их прозрачная среда видоизменяет проходящий свет, она просвечивает, отражает и рассеивает. Цвет предмета мы чувствуем в силу того, что до нашего зрения доходят рассеянные, отраженные и просвечивающие лучи первоисточника света. От того, каков свет первоисточника и с какими изменениями он доходит до зрения, зависит наше цветовое ощущение от видимого предмета.
Понять закономерности света, проходящего в прозрачных телах, — значит выучиться сознательно наблюдать окраску предметов в натуре, определять все оттенки их собственного цвета и передавать их в изображении в любой гамме красок или на любом световом «регистре».
Рис. 13. Схема отражения света. Отраженный свет и его окраска складываются из лучей поверхностного qT-ражения и лучей, отраженных из глубины прозрачного тела, прошедших рассеивание, избирательное и неизбирательное поглощение.
Рис. 14. Возникновение цвета предметов в зависимости от их прозрачности и просвечиваемости. Собственный цвет предмета мы чувствуем там, где видим его на просвет.