Umbra

Umbra este o zonă întunecată în care lumina de la o sursă de lumină este blocată de un obiect opac. Aceasta ocupă tot volumul tridimensional din spatele unui obiect cu lumina în fața acestuia. Secțiunea transversală a unei umbre este o siluetă bidimensională sau o proiecție inversă a obiectului care blochează lumina.

Surse de lumină punctuale și non-punctuală

(Umbra, penumbra și antumbra.)

O sursă punctuală de lumină aruncă doar o umbra simplă, numită „umbra”. Pentru o sursă de lumină non-punctuală sau „extinsă”, umbra este împărțită în umbra, penumbra și antumbra. Cu cât este mai largă sursa de lumină, cu atât mai mult se estompează umbra. Dacă două penumbre se suprapun, umbrele par să se atragă și să se îmbine. Acest lucru este cunoscut sub numele de efect blister al umbrii.

Contururile zonelor umbrite pot fi găsite prin urmărirea razelor de lumină emise de regiunile ultraperiferice ale sursei de lumină extinse. Regiunea umbrei nu primește nici o lumină directă din nici o parte a sursei de lumină și este cea mai întunecată. Un observator situat în regiunea umbrei nu poate vedea direct nicio parte a sursei de lumină.

Prin contrast, penumbra este iluminată de unele părți ale sursei de lumină, dându-i un nivel intermediar de intensitate a luminii. Un observator aflat în regiunea penumbrei va vedea sursa de lumină, dar aceasta este parțial blocată de obiectul care umbrește.

Dacă există mai multe surse de lumină, vor exista mai multe umbre, părți suprapuse mai întunecate și diferite combinații de luminozitate sau chiar culori. Cu cât iluminarea este mai difuză, cu atât umbrele devin mai slabe și mai de nedistins, până când dispar. Iluminarea unui cer acoperit produce câteva umbre vizibile.

Absența efectelor atmosferice de difuzie în vidul spațiului exterior produce umbre care sunt accentuate și puternic delimitate la margine de contrastul foarte mari dintre lumină și întuneric.

Pentru o persoană sau un obiect care atinge suprafața unde este proiectată umbra (de exemplu, o persoană care stă pe pământ sau un stâlp înfipt în sol), umbrele converg în punctul de contact.

O umbră arată, pe lângă distorsiune, aceeași imagine ca și silueta când privim la obiect din partea soarelui, de unde și imaginea în oglindă a siluetei văzute de cealaltă parte.

Astronomie

(Trei luni (Callisto, Europa și Io) și umbrele lor pe Jupiter. )

Numele de umbra, penumbra și antumbra sunt adesea folosite pentru umbrele aruncate de obiecte astronomice, deși ele sunt uneori folosite pentru a descrie nivelele de întuneric, cum ar fi petele solare. Un obiect astronomic aruncă umbre vizibile pentru om atunci când magnitudinea aparentă este egală sau mai mică de -4. În prezent, singurele obiecte astronomice capabile să producă umbre vizibile pe Pământ sunt soarele, luna și, în condițiile optime, Venus sau Jupiter.

O umbră aruncată de Pământ pe Lună este o eclipsă lunară. În schimb, o umbră aruncată de Lună pe Pământ este o eclipsă solară.

Variația în timpul zilei

Soarele aruncă umbre care se schimbă mult în timpul zilei. Lungimea unei umbre aruncată pe pământ este proporțională cu cotangenta unghiului de înălțare a soarelui – unghiul θ față de orizont. Aproape de răsărit și apus, când θ = 0° și cot(θ) = ∞, umbrele pot fi extrem de lungi. Dacă soarele trece direct pe deasupra capului, atunci θ = 90°, cot(θ) = 0 și umbrele sunt proiectate direct sub obiecte.

Astfel de variații au ajutat mult călătorii în drumurile lor, în special în regiunile deșertice, cum ar fi deșertul arab.

Viteza de propagare

(Erupția în faza de abur a Gheizerului Castelului din Parcul Național Yellowstone aruncă o umbră pe propriul său abur, iar razele crepusculare sunt de asemenea vizibile. )

Cu cât distanța de la obiectul care blochează lumina la suprafața proiecției este mai mare, cu atât silueta este mai mare (ele sunt considerate proporționale). De asemenea, dacă obiectul se mișcă, umbra lăsată de obiect va proiecta o imagine cu dimensiuni (lungime) care se extinde proporțional mai repede decât viteza proprie de mișcare a obiectului. Creșterea mărimii și a vitezei mișcării sunt valabile și în cazul în care distanța dintre obiectul de interferență și sursa de lumină este mai mică. Acest lucru nu înseamnă însă că umbra se poate mișca mai repede decât lumina, chiar și atunci când se proiectează la distanțe uriașe, de ani lumină. Lipsa luminii, care proiectează umbra, se va deplasa spre suprafața proiecției cu viteza luminii.

Deși marginea unei umbre pare să se „miște” de-a lungul unui perete, în realitate creșterea lungimii umbrei face parte dintr-o nouă proiecție care se propagă cu viteza luminii de la obiectul de interferență. Deoarece nu există comunicare reală între punctele dintr-o umbră (cu excepția reflexiei sau interferenței luminii, la viteza luminii), o umbră care se proiectează pe o suprafață de distanțe mari (ani lumină) nu poate transmite informații între aceste distanțe cu marginea umbrei.

Culoare

Artiștii vizuali sunt de obicei foarte conștienți de lumina colorată emisă sau reflectată din mai multe surse, care poate genera umbre multicolore complexe. Chiaroscuro, sfumato și silueta sunt exemple de tehnici artistice care folosesc în mod deliberat efectele umbrelor.

În timpul zilei, o umbră aruncată de un obiect opac iluminat de lumina soarelui are o nuanță albăstruie. Acest lucru se întâmplă din cauza împrăștierii Rayleigh, aceeași proprietate care face ca cerul să apară albastru. Obiectul opac este capabil să blocheze lumina soarelui, dar nu lumina ambientală a cerului, care este albastră, deoarece moleculele de atmosferă împrăștie lumina albastră mai eficient. Ca urmare, umbra apare albastră.

Umbre tridimensionale

(Umbra ceții turnului de sud al Podului Golden Gate. )

O umbră ocupă un volum tridimensional în spațiu, dar acesta nu este de obicei vizibil până când nu se proiectează pe o suprafață reflectorizantă. O ceață ușoară, burniță sau norul de praf poate dezvălui prezența 3D a modelelor volumetrice în lumini și umbre.

Umbrele ceții pot părea ciudate pentru observatorii care nu sunt obișnuiți să vadă umbre în trei dimensiuni. O ceață subțire este suficient de densă pentru a fi iluminată de lumina care trece prin golurile dintr-o structură sau copac. Ca rezultat, calea umbrei unui obiect prin ceață devine vizibilă ca volum întunecat. Într-un sens, aceste benzi umbrite sunt inversul razelor crepusculare cauzate de fluxurile de lumină, dar sunt cauzate de umbrele obiectelor solide.

O ceață scenică și fascicule puternice de lumină sunt uneori folosite de designeri în iluminat și de artiștii vizuali care încearcă astfel să evidențieze aspectele tridimensionale ale operei lor.

În fotografie

(Umbra lunară a unui fotograf)

În fotografie, care înregistrează în mod esențial modele de lumină, umbre și culoare, „luminile” și „umbrele” sunt cele mai strălucitoare și mai întunecate părți ale scenei sau imaginii. Expunerea fotografică trebuie adaptată (cu excepția cazului în care se dorește efecte speciale) pentru a permite filmului sau senzorului, care are un interval dinamic limitat, să înregistreze detalii care să nu se piardă, și umbre care să nu devină zone întunecate nediferențiate.

În cazul imaginilor prin satelit și al fotografiilor aeriene, luate vertical, clădirile înalte pot fi recunoscute ca atare de umbrele lor lungi (dacă fotografiile nu sunt luate la tropice în jurul prânzului), acestea arătând în același timp și forma acestor clădiri.