Sól, sjón og sjónaukar

eftir Þorstein Sæmundsson

Erindi flutt fyrir nemendur í Háskóla Íslands 7. mars 1991

Það gleymist oft, að einn áhugaverðasti himinhnötturinn er sólin. Á hana getum við horft þótt borgarljósin trufli stjörnuskoðun, og á íslensku sumri er hún nánast það eina sem stjörnuskoðunarmenn geta fylgst með. Þegar grannt er skoðað er sólin merkileg ásýndum. Flestir líta á hana sem bjarta kringlu, sem þeir fá ofbirtu af að horfa á, og leiða svo ekki frekar hugann að því máli. En stundum geta menn horft beint í sólina, sérstaklega þegar mistur er og hún er að koma upp eða setjast. Þá er hún gjarnan rauðleit, og fyrir kemur að blettir sjást á yfirborðinu, jafnvel með berum augum. Í síðasta Heklugosi, 1980, var öskumistur svo mikið á Suðvesturlandi, að við lá að sólin hyrfi í sortann þótt hún væri enn hátt á himni. Stundum getur þoka verið mátulega dimm til að hægt sé að horfa á sólina í gegnum hana og jafnvel nota til þess stjörnukíki. Þegar sólin er skoðuð á þann hátt, rennur upp fyrir manni að þetta er ekki bara sviplaus skífa; þar eru bæði dekkri og ljósari svæði, og maður áttar sig á að þetta er hnöttur, reyndar risastór glóandi hnöttur, hundraðfalt stærri en jörðin að þvermáli og milljónfalt stærri að rúmmáli.

Svona myndi sólin líta út að degi til, séð gegnum þokuský eða ljóssíu. Þarna sést annar blettahópur. Ef þessi mynd væri tekin í hádeginu, og við skoðuðum svo sólina aftur á öðrum tíma dags, gæti okkur sýnst  að blettirnir hefðu hreyfst töluvert yfir daginn. Það er þó sjónhverfing sem stafar af því að norðurpunktur sólskífunnar, sem snýr beint upp í hádeginu, snýr meira til vinstri að morgni og til hægri að kvöldi. Eftirfarandi myndir skýra þetta.
 

Það sem snýr upp á sólskífunni á hádegi er ekki alltaf norðurskaut sólar. Myndin hér að neðan sýnir hvernig sólin horfir við jörðu á mismunandi árstímum.

Þarna merkir NP norðurpól sólar, en N og S eru stefnurnar til norðurs og suðurs á himninum. (Á hádegi eru þær stefnur upp og niður.) Við sjáum enn fremur að fyrri hluta árs hallar sólin suðurpól að okkur, en síðan hallar hún norðurpól að okkur. Í júní og desember erum við (þ.e.  jörðin) beint yfir miðbaug sólar.

Séð frá jörðu snýst sólin um ás sinn á 27 dögum eða þar um bil. Hún snýst reyndar heldur hraðar við miðbaug og hægar við pólana. Ef við fylgjumst með sólblettum frá degi til dags getum við séð sólina snúast. Meðfylgjandi mynd hefur hugmynd um það hvernig blettur myndi færast yfir sólina á hálfum mánuði:

Sólblettir sýnast dökkir vegna þess að þeir eru kaldari en yfirborðið umhverfis þá. Þeir myndast þar sem sterkt segulsvið kemur upp úr yfirborðinu (ljóshvolfinu), hindrar varmastreymi og veldur kólnun. Umhverfis blettina verða oft mikil umbrot sem geta haft áhrif á jörðinni. Hér verður ekki farið nánar út í að lýsa þróun sólbletta, en sýnd að lokum mynd sem tekin var úr sovéskum loftbelg árið 1970 og þótti þá sérlega athyglisverð. Myndin sýnir stóran sólblett og svonefndar ýrur sem einkenna yfirborð sólar. Þessar ýrur eru gjarna um 1000 km í þvermál.
Á myndinni sést kvarðinn sem nær yfir 16 bogasekúndur. Það samsvarar nokkurn veginn þvermáli jarðar í þessari fjarlægð. Sólblettur af þeirri stærð myndi alls ekki sjást með berum augum, en stóri bletturinn á myndinni væri á mörkum þess að sjást.
 

Hinn 20. maí 1966 varð deildarmyrkvi á sólu í Reykjavík. Þetta var að morgni til og veður bjart. Á þessum tíma vann ég á Eðlisfræðistofnun Háskólans, sem var fyrirrennari þeirrar stofnunar sem nú heitir Raunvísindastofnun. Mér til aðstoðar var kona að nafni Þorgerður. Ég hafði sagt Þorgerði frá myrkvanum, og lýst honum í Almanaki Háskólans. Þennan morgun, áður en Þorgerður fór til vinnu, ákvað hún að reyna að sjá myrkvann, sem samkvæmt almanakinu átti að vera í hámarki um klukkan hálf níu. Þorgerður var ekki með sjónauka, en reyndi samt að horfa í sólina og vonaðist til að sjá myrkvann. En hvernig sem hún reyndi, sá hún engin merki um myrkva. Þess var heldur ekki von, því að klukkan hálf níu var enginn myrkvi. Var þá villa í almanakinu? Alls ekki. Á þessum tíma var það viðtekin regla að flýta klukkunni á sumrin og seinka henni á veturna. Almanakið sýndi alltaf fastan tíma, svonefndan íslenskan miðtíma. Á sumrin var klukkan einni klukkustund á undan þessum tíma. Þorgerður var því klukkutíma of snemma að skyggnast eftir myrkvanum.

Þetta atvik gæti virst lítilfjörlegt, en það dró þó dilk á eftir sér. Þorgerður horfði nefnilega svo stíft í sólina að geislarnir brenndu gat á augnbotninn, og hún hefur ætíð síðan haft skerta sjón. Þar sem sjónin ætti að vera skörpust, er nú eyða í sjónsviðinu. Síðan þetta gerðist hef ég ávallt sett viðvörun í almanakið þegar sagt er frá myrkvum.

Ef það er hættulegt að horfa á sólina með berum augum, er augljóslega enn hættulegra að horfa á hana gegnum sjónauka. Hvaða vörn myndi þá vera nægileg fyrir augað? Lítum aðeins á það mál.

Allir vita að sjónauki safnar ljósi, og að með stærri sjónauka sjást daufari stjörnur. Því stærri sem viðtökugler eða spegill sjónaukans er, þeim mun meira ljósi safnar hann og því daufari stjörnur er unnt að sjá. Ljósop mannsaugans er allt að 8 mm í þvermál þegar það er opið upp á gátt en 2 mm þegar það dregst saman sem mest. Minnsti sjónauki sem hægt er að kalla stjörnusjónauka hefur gler eða spegil sem er 8 cm í þvermál, þ.e. 10 sinnum meira en ljósop augans. Inn um það op fer þá 10*10 = 100 sinnum meira ljósflæði en augað sjálft nemur án sjónaukans. Hundraðföldun samsvarar 5 birtustigum, og ef mannsaugað getur greint stjörnu á 6. birtustigi, ætti með 8 cm sjónauka að vera unnt að greina stjörnu á 6 + 5 = 11. birtustigi, sem er ekki mjög fjarri lagi. Almennt má setja þetta fram með einfaldri formúlu: m = 8 + 5*log D þar sem m er birtustigið og D þvermál sjónaukans (þ.e. linsunnar eða spegilsins) í sentimetrum.

Þetta er ekki nákvæm formúla; ýmsar aðrar og flóknari hafa verið settar fram, en þessi gefur þokkalegar niðurstöður. Hún gildir um stjörnurnar, því að þær eru svo langt í burtu að þær eru nánast punktar til að sjá, hvort sem horft er beint eða með sjónauka. En ef við beinum sjónaukanum að einhverju sem tekur yfir nokkurt svæði á himninum, t.d. geimþoku eða sólinni, verður annað upp á teningnum. Í þessu tilviki sýnist yfirborðið sem horft er á ekki vitund bjartara gegnum sjónauka en það gerir með berum augum, og getur meira að segja sýnst daufara þegar svo ber undir. Þetta kann einhverjum að finnast undarlegt, sem hefur beint sjónauka að sólinni og borið blað að augnglerinu; birtan sem fellur á blaðið er geysimikil og þeim mun meiri sem sjónaukinn er öflugri. Með stjörnusjónauka er auðvelt að kveikja í blaði á þennan hátt, og þess eru dæmi að stjörnufræðingar hafi notað sjónauka og sólargeislana til að hita sér kaffi.

Hvernig getur það þá verið rétt, að sólin sýnist ekki bjartari í sjónauka en án hans? Skýringin er sú, að birtan eins og augað greinir hana fer í senn eftir ljósflæðinu á flatareiningu og rúmhornseiningu. Sólin sýnist að vísu stærri þegar horft er í sjónaukann, en yfirborð hennar sýnist ekki bjartara en áður. Hið sama myndi gilda ef við kæmumst nær sólinni svo að hún sýndist jafnstór og myndin í sjónaukanum. Sólin myndi þá ná yfir stærri flöt af himinhvelfingunni, en hver flatareining yrði samt sem áður jafnbjört og áður. Sama er að segja ef horft er á heiðan himin í sjónauka, hann sýnist ekki vitund bjartari en þegar horft er með berum augum. Þetta skýrir hvers vegna auðveldara er að sjá stjörnur að degi til ef sjónauki er notaður: Stjörnurnar sýnast bjartari, en birta himinsins eykst ekki að sama skapi.

Ef horft er í sólina með berum augum án nokkurrar hlífar, verður mynd hennar á nethimnu augans svo björt að hitinn getur valdið brunaskemmd á nethimnunni á skömmum tíma. Ef sjónauki er notaður, verður mynd sólar á nethimnunni stærri og brunaskemmdin stærri þess vegna, en myndin er í sjálfu sér ekki bjartari ef jafn stórir fletir eru bornir saman.
Hitt er svo annað mál, að það er ekki nethimnan ein sem er í hættu. Þegar horft er í sjónauka er augað venjulega haft sem næst þeim stað þar sem geislaknippi sjónaukans er þrengst, við svonefndan ljósháls. Þegar ljósgeislarnir koma út úr sjónaukanum mynda þeir keilu sem þrengist fyrst, en víkkar svo aftur (sjá mynd).
 

Myndin sýnir geislagang í sjónauka. Rauðu línurnar tákna ljós frá fjarlægum hlut. Mynd af þessum hlut verður til í brennifleti viðfangs-glersins (myndfletinum). Athugandinn skoðar svo þessa mynd með augnglerinu. Bláu og grænu línurnar sýna ystu mörk þess ljóss sem kemst gegnum sjónaukann. Þar sem geislaknippið er þrengst, í ljóshálsinum, á auga athugandans að vera.

Hversu mjótt geislaknippið verður í ljóshálsinum fer eftir þvermáli sjónaukans (linsu eða spegils) og stækkuninni sem notuð er. Formúlan er einfaldlega þessi: Þvermál ljóshálsins er jafnt D/s þar sem D er þvermál sjónaukans og s stækkunin sem hann gefur með viðkomandi augngleri. Ljósflæðið á hverja flatareiningu verður því í hlutfalli við D²/d² = s². Ef stækkunin er t.d. 100 föld verður ljósflæðið á flatareiningu 10000 föld. Það er því engin furða þótt eitthvað hitni aftan við kíkinn. Ef augað er þar, hleypir ytri hluti þess að vísu mestu af ljósinu í gegn, en dálítið stöðvast þó og getur því hitað augað. Hornhimna augans og augasteinninn geta því verið í verulegri hættu á slíkum stað.

Hvað nethimnuna snertir, þolir hún ekki að hitna meira en í 60° án þess að varanlegar skemmdir komi fram. Þessi hitun verður ef orkan sem á nethimnuna fellur er meiri en 30 kW á fermetrann í nokkra stund. Til samanburðar gefur venjulegt sólarljós 1,2 kW á fermetrann hornrétt á sól. Ef brennivídd augasteinsins er 2 cm verður mynd sólar á nethimnunni 0,2 mm í þvermál, og ef ljósop augans er 2 mm er um tífalda samþjöppun ljósgeislans að ræða, þ.e. 100 falda orkuþjöppun, þ.e. við fáum 100 *1,2  = 120 kW/m². Þetta er miklu meira en augað þolir, og við þurfum að deyfa ljósið a.m.k. fjórfalt. Hér vega þyngst áhrif innrauðra geisla, en talið er að blátt og fjólublátt ljós geti einnig valdið skaða, svonefndum ljósefnafræðilegum skaða, þótt hitinn hækki ekki verulega, en sá skaði mun sjaldnast vera varanlegur.

Innrautt ljós er stundum kallað hitageislar af því að við getum skynjað það sem hita, þótt augað greini þetta ljós ekki. Ástæðan til að þessi hluti sólarljóssins er áhrifamikill við að hita hluti er ekki sú, að mest orka sé þar falin, heldur hitt, að venjulegir hlutir gleypa meira af þessum hluta litrófsins og breyta orkunni í hita.

Venjulega er mönnum ráðlegt að horfa ekki beint á sólina í sjónauka heldur láta mynd hennar falla á hvítt spjald aftan við sjónaukann. Margir vilja þó heldur geta horft beint gegnum sjónaukann. Ýmsar leiðir eru að þessu marki, t.d. er hægt að setja ljóssíu framan við sjónaukann og mun það nú algengast. Ljóssían getur verið málmhúðað gler eða plast. Einnig má nota prisma milli viðtökuglers og augnglers sem skiptir ljósinu þannig að mest af því speglist til hliðar og út, en aðeins lítið brot komist til augnglersins. Ljóssíu eins og t.d. dökkt gler ætti aldrei að nota við augnglerið; hitinn getur auðveldlega sprengt glerið og er þá sjón athugandans í hættu.

Hvaða ráð eru þá fyrir þann sem vill  fylgjast með sólmyrkva eða reyna að sjá sólbletti með berum augum eða handsjónauka? Áður fyrr notuðu menn gjarna sótað gler, en það er nú talið varasamt. Einnig má nota rafsuðugler ef það er nægilega dökkt. Margir áhugamenn hafa freistast til að nota dökka ljósmyndafilmu. Meðan svarthvítar filmur voru algengar var hægast að nota þær.  Þær eru ágæt vörn ef þær eru nægilega dökkar. Nú sjást svarthvítar filmur sjaldan, en litfilmur er víða að fá. Endar á slíkum filmum eru oft mátulega dökkir eftir framköllun til að horfa á sólina gegnum þá, og margir hafa brugðið þeim fyrir op handsjónauka, þar á meðal ég sjálfur. Hér á ég við filmur fyrir litskyggnur, ekki fyrir litmyndir á pappír.

Fyrir nokkrum árum birtist grein eftir Ralph nokkurn Chou við háskólann í Waterloo í Ontario, þar sem hann benti á, að þetta gæti verið hættuspil að nota litfilmur á þennan hátt. Ólíkt svarthvítu filmunum hleypa litfilmurnar gegnum sig ósýnilegu, innrauðu ljósi, og þær eru nánast gegnsæjar fyrir ljósi sem hefur lengri bylgjulengd en 900 nanómetrar. Þetta ljós er nægilega sterkt til að valda skaða samkvæmt útreikningum greinarhöfundar. Þótt ég efist reyndar um að útreikningarnir geti verið fyllilega réttir, þar sem ég hef ekki orðið var við sjónskaða sjálfur, er sjálfsagt að hafa allan varann á.

Meðfylgjandi mynd sýnir hvernig dæmigerðar svarthvítar filmur annars vegar og litfilmur hins vegar bregðast við ljósi af mismunandi lit (bylgjulengd), þ.e. hve mikill hluti af ljósinu kemst í gegn. Sýnilegt ljós hefur bylgjulengdina 400-700 nanómetra eða þar um bil (sjá nánar síðar).

Í maí 1959, þegar ég starfaði við stjörnuturn Lundúnaháskóla tókst mér að finna Plútó í sjónauka. Aðferðin sem ég notaði var þessi: Fyrst tók ég ljósmyndir með nokkurra daga millibili með 60 cm linsusjónauka og fann Plútó á myndunum. Þar sem þessi sjónauki var eingöngu útbúinn fyrir myndatökur, varð ég að nota minni sjónauka (45 cm) til að leita Plútó uppi, en studdist þá við myndirnar. Plútó var nálægt 14. birtustigi, og hann átti því að vera auðvelt skotmark fyrir sjónauka af þessari stærð. Svo reyndist þó ekki vera vegna þess hve margar stjörnur eru í svipuðum birtuflokki um allan himin, en þetta tókst að lokum. Ég ætlaði að sýna forstöðumanni stjörnustöðvarinnar, prófessor C. W. Allen, reikistjörnuna, en honum tókst ekki að koma auga á hana. Það olli honum miklum vonbrigðum og mér líka. Þetta var í fyrsta sinn sem ég gerði mér grein fyrir, hvaða áhrif aldurinn gæti haft á sjónina, þótt viðkomandi hefði það sem kalla mætti fullkomlega eðlilega sjón.

Prófessor Allen var ekki gamall maður þegar þetta gerðist, þótt mér fyndist auðvitað þá, að hann væri nokkuð við aldur. Ég gerði það að gamni mínu fyrir nokkru að fletta því upp, hvað hann hefði verið gamall þegar þetta gerðist. Ég komst þá að því að hann hefði verið 55 ára. Fyrir mig var þetta heldur ónotaleg niðurstaða, því að sjálfur er ég kominn á þennan sama aldur nú. Merkir það að ég myndi ekki sjá Plútó nú við sömu kringumstæður? Svo má vel vera, þótt vissulega eigi ég erfitt með að sætta mig við þá tilhugsun.

Aldur hefur áhrif á sjónina á fleiri en einn veg. Í fyrsta lagi verður augasteinninn smám saman ógegnsærri með aldrinum. Breytingin nemur um 1% á ári hverju að jafnaði. Augasteinninn gulnar örlítið og hleypir minna af bláu ljósi í gegn. Sumir telja að útfjólublátt ljós flýti þessari þróun, og því sé rétt að forðast það sem mest, t.d. með því að nota sólgleraugu í mikilli birtu. Flest sólgleraugu stöðva útfjólublátt ljós að mestu leyti. Útfjólublátt ljós hefur einnig verið bendlað við augnskaða, þ.e. ský á augum eða starblindu, en sú kenning er ósönnuð.

Önnur breyting með aldri er sú, að stærð ljósopsins í auganu minnkar. Við það minnkar ljósnæmi augans að sjálfsögðu. Við 20 ára aldur er þvermál ljósopsins um 8 mm þegar það er fyllilega opið, en í fólki um áttrætt er þvermálið stundum aðeins 2 mm, eða 1/4 þess sem áður var. Þarna munar miklu, því að ljósflæðið minnkar 4*4 = 16-falt. Saman hafa þessir þættir því gífurleg áhrif, þótt einstaklingar taki ekki alltaf eftir því við venjulegar aðstæður. Því má reikna með að maður yfir áttrætt sjái ekki nærri eins daufar stjörnur og sá sem yngri er. Munurinn gæti hæglega numið 3 birtustigum, en ég hef ekki séð kannanir á þessu.

Fleira getur haft áhrif á næmni augans en aldurinn. Reykingar og neysla vímuefna, bæði áfengis og sterkari efna, draga einnig úr næmni um stundarsakir, aðallega með því að sjáaldrið dregst saman, en áhrifin eru breytileg eftir einstaklingum. Hjá sumum geta þau verið mjög veruleg, þannig að það hafi t.d. áhrif á hæfni þeirra til að aka bifreið í myrkri. Minnkað súrefni, t.d. á háfjöllum, dregur úr næmninni. Lítill blóðsykur hefur sömu áhrif: svangur maður sér verr í myrki en sá sem saddur er. Ég hef þó ekki séð tölur um það, hve miklu munar þarna. Skortur á A-vítamíni getur einning haft umtalsverð áhrif.

Í auganu eru, eins og flestir vita, tvenns konar ljósnemar, stafir og keilur. Keilurnar eru flestar í miðgróf nethimnunnar; þær gefa skarpasta sjón og eru dagnemar augans. Stafirnir eru utan miðjunnar. Þeir greina myndina ekki eins skýrt, en eru miklu ljósnæmari. Þeir eru næturnemar augans. Í stöfunum myndast litarefni (hormón), svokallaður sjónpurpuri (rhodopsin), sem örvar ljósnæmnina þegar ljós er mjög dauft. Við meiri birtu eyðist þetta litarefni tímabundið, en það myndast aftur smám saman í myrkri, sem skýrir hvers vegna augun þurfa tíma til að aðlagast myrkrinu. Keilurnar nota aftur á móti litarefni til að verjast ofbirtu og aðlagast henni.

Hver keila fyrir sig er tengd við taugakerfið og skýrir það upplausnarhæfni keilanna. Stafirnir eru hins vegar tengdir margir í knippi við taugakerfið; það skýrir minni upplausn en meiri næmni. Allir stjörnuathugunarmenn þekkja, hvernig unnt er að sjá daufa stjörnu betur ef sjóninni er beint til hliðar frá stjörnunni þannig að maður sjái stjörnuna út undan sér, ef svo mætti segja. Þá fellur ljósið á stafina í auganu fremur en keilurnar.

Ef augað hefur verið í birtu, þarf talsverðan tíma til að næmnin nái hámarki. Venjulega er talið að a.m.k. tuttugu mínútur þurfi til þessa, en nákvæmari athuganir hafa sýnt að um 40 mínútur þarf til fullkominnar aðlögunar. Það eru stafirnir í auganu sem þurfa þennan tíma; keilurnar eru aðeins 10 mínútur að aðlaga sig. Skammtíma lýsing í augað hefur minni áhrif en langvarandi lýsing.

Sólarljós að degi til hefur áhrif á stafi nethimnunnar, og þessi áhrif geta varað í nokkra sólarhringa. Næmni augans er því að jafnaði minni að sumri til en að vetri. Þeir sem stunda stjörnuskoðun vita að rautt ljós truflar augað minna en hvítt ljós og nota því gjarnan rautt ljós ef þeir þurfa að bregða upp ljósi meðan á athugunum stendur.

Ef sama myndin fellur lengi á nethimnu augans án hreyfingar, dofnar myndin og augað hættir að greina hana. Þess vegna er augað á sífelldu flökti, um 10 sinnum á sekúndu, án þess að maður verði var við það. Þeir sem fást við stjörnuskoðun þekkja það af reynslunni, að ef lengi er starað á sama stað, dofnar myndin. Ráðið er að hreyfa augað aðeins til, eða hvíla það augnablik.

Keilurnar í auganu eru um 6 milljón og stafirnir um 120 milljón talsins. Þetta eru háar tölur ef borið er saman við einingarnar í þeim ljósnæmu rafeindaflögum sem nú eru að taka við af ljósmyndafilmum í stjörnufræði. Venjuleg CCD-kísilflaga, eða ljósflaga, sem stjörnufræðingar nota, og er rúmlega cm á hvorn veg, hefur 800*800 = 640 þúsund myndeiningar (díla). Þær alstærstu, sem eru 6 cm á hvorn veg, hafa 2040*2048 = 4 milljón einingar. [Síðan þetta var ritað hefur tækninni fleygt fram, og með því að sameina fjölmargar flögur hafa menn náð dílafjölda sem svipar til ljósnemafjölda augans]