Fenomenet "solstrålar"

Vi har alla erfarenhet av synliga ljusstrålar som verkar vara riktade mot solen. Oftast är det i samband med att solen är helt eller delvist täckt av spridda moln, eller som skogsbilden ovan där solen är delvis täckt av trädkronorna.

I sig kan ögat inte urskilja några stålar från en ljuskälla när sikten är fri mellan ljuskällan och betraktaren, eftersom ljuset fördelas jämnt. Däremot om det finns rök, damm, ånga eller andra partiklar, får ljuset något att lysa upp under sin väg så att ögat kan "se" det. I praktiken diffuseras ljuset i olika riktningar och vi kan uppfatta det.

När vi i naturen ser ljusstrålar är det just i samband med att något lyses upp i närheten, t ex moln eller dimma. Då blir det också lätt att urskilja skuggor när delar av det upplysta området är skymt, t ex av framförliggande spridda moln, eller från trädkronor och kvistar i skogen.

Experiment för att testa ljusstrålar

För att testa teorin i skisserna ovan förbereds följande experiment. En schablon i papp klipps ut för att utgöra "moln" med ett antal öppningar i. Samtidig görs en kontrollbild på ett vitt papper som är lika stor:

Schablonen ställs på ett stativ, och kontrollbilden tejpas upp på en stolsrygg. Avståndet är 50 cm:

En lampa ställs upp i ett annat rum med 10 meter fri sikt till schablonen:

Lampan lyser nu igenom schablonen, vars skugga syns på kontrollbilden på stolsryggen. Eftersom förhållandet lampa->schablon och schablon-stolsrygg är så stort som 20:1 (10m:0.5m) är strålarna mellan schablonen och stolen nästan parallella. Man kan endast urskilja en liten förskjutning mellan skuggan och de ritade kanterna: 

Försök 1

Med lampan tänd, och övrig belysning släckt börjar experimentet. En vattentank med kokande vatten leds i ett rör som kan flyttas med den ena handen. Andra handen håller i kameran. Filmen nedan börjar med vy bakåt (mot stolryggen) för att verifiera skuggan på kontrollbilden, sedan vänds kameran mot schablonen. Nu tillsätts vattenånga till testområdet. Tydliga strålar framträder. Som avslutning vänds kameran tillbaka mot kontrollbilden.

Försök 2

För att hålla kvar mera ånga läggs en handduk över testområdet för att om möjligt få mera framträdande strålar. Samtidigt utgör handduken en mörk bakgrund som ytterligare höjer kontrasten mellan ljus- och skuggområdena. Ny filmtagning:

Försök 3

Nu byts ljuskällan ut mot solen! En solig dag riggas samma utrustning upp på samma sätt, men framför ett fönster där solen lyser in. Fönstret blockeras för att dämpa ljuset i rummet, men en glugg lämnas öppen så att solljuset når schablonen. Via kontrollbilden bakom verifieras de parallella strålarna - ingen förskjutning mellan konturerna i av schablonen kan noters, vilket visar att ljuskällan är långt borta:

Följande klipp visar situationen innan ångan läggs på och strålarna framträder. Genom att föra kameran i sidled kan effekten av perspektiv betraktas (sneda strålar i en punkt framför schablonen) och parallella strålar när man betraktar från sidan. Till sist vänds kameran mot kontrollbilden för att verifiera att skuggan fortfarande är på plats:

Stillbilder av samma experiment där olika positioner i förhållande till schablonen visas. De svarta pilarna i första bilden visar de parallella strålarna är de studeras från sidan. I sista bilden är perspektivet av strålar som störst.

Resultat

Ingen ånga, inga synliga strålar. Tillräckligt med ånga, och strålar framträder tydligt.

Strålarna är parallella när de betraktas i ett tvärsnitt (visat med kontrollbilden bakom, och i fallet med solen där man också kunde se de parallella strålarna från sidan, se svarta pilarna i 4:de bilden nedan). Och när kameran befinner sig inne mellan strålarna uppstår ett perspektiv så att strålarna ser bredare ut ju närmare de är. Strålarna ser vidare ut att alla peka inåt mot ljuskällan. Dessa försök bestyrker teorin för solstrålar presenterad i de två första skisserna på sidan. 

Effekten beror alltså helt på förhållandet mellan kamerans avstånd till schablonen samt avstånden mellan hålen i schablonen. Här i experimentet har vi några decimenter avstånd till schablonen och några centimeter avstånd mellan hålen. I en situation ute kan vi ha några kilometer avstånd till molnen och några hundra meter mellan öppningarna i molnen. Då uppstår dessa perspektiv med vinklade strålar då de betraktas i riktning mot ljuskällan.

Strålarna går ihop mot mitten av schablonen, men det skulle vara svårt att bara utgående från strålarnas utseende och vinkel kunna säga något om hur långt bort bakom schablonen ljuskällan egentligen är. I bilderna nedan verkar strålarna ha liknande vinklar oberoende av avståndet till ljuskällan (lampan vs. solen, eller 10 meter vs. 150 miljoner km):