Kleurenbanden en kopschaduw

Over licht en kleur in de keuken ging het vorige week. In het bijzonder over de vraag hoe het komt dat een willekeurige druppel minerale olie op de gracht, of op nat asfalt, altijd prachtige Newton-kleuren vormt (zoals in zeepbellen en zeepvliezen) maar dat een druppel dierlijke of plantaardige olie op soep dat nooit doet. In de vetogen tussen de vermicelli zijn geen kleuren te zien.

Het verschijnsel was voor de gelegenheid opnieuw opgeroepen in een soepbord met leidingwater waarop een druppeltje Shell motorolie X-100 werd gebracht en een bord waarop een evengrote druppel (van 0,03 ml) slaolie ging. Prachtige, stabiele kleuren bij de X-100, niets of nagenoeg niets bij de slaolie.

Na wat academische aarzeling was de conclusie dat de laag slaolie (die zich maar half zo goed over het water verspreidde als de juist zo stroperige Shell-olie) net te dik bleef voor een goede kleurontwikkeling. Als tweede mogelijkheid werd geopperd dat de slaolielaag misschien te egaal van dikte was. De kleurverschillen zijn vooral een uitdrukking van dikteverschillen, was de aanname, en daaraan schort het misschien bij de slaolie. Maar zekerheden waren er niet.

Een stoet van fysici is het AW-labo te hulp geschoten. De verklaringen die ze geven (geduldig, didactisch, soms pedagogisch) zijn in harmonie en vullen elkaar op prettige wijze aan. Het ontstaan van de kleuren, doceren de fysici, kan het makkelijkst worden verklaard als `interferentie' (een samenstelling) van licht dat van de bovenkant en licht dat van de onderkant van de olielaag is teruggekaatst. Daarbij treedt selectieve uitdoving van bestanddelen van het witte licht op als er nèt een faseverschil van een halve golflengte is. Waar bestanddelen van wit licht wegvallen blijft gekleurd licht over.

Het faseverschil dat in voorkomende gevallen voor een bepaalde lichtsoort (dus golflengte) ontstaat wordt bepaald door de dikte van de olielaag, de brekingsindex (à la Snellius) van de betreffende olie en de hoek waaronder het licht op de olie valt en terugkaatst.

Enfin, allemaal oude kost in een klassieke formule samengebracht. Uit die formule valt ook rechtstreeks af te leiden dat een beetje behoorlijke scheiding van kleuren begint weg te vallen naarmate de olielaag almaar dikker wordt. De laag moet niet veel dikker zijn dan één of een paar micrometer (dat is de orde van grootte van de golflengte van zichtbaar licht, ongeveer 0,6 micrometer). Het bezwaar van dikke lagen is ook, schrijven de fysici, dat een te groot intensiteitsverschil ontstaat tussen het direct teruggekaatste licht en het licht dat via de bodem van de olie terugkomt. Bij een groot verschil kan geen complete uitdoving meer optreden.

Al met al scharen de fysici zich achter de conclusie dat de slaolielaag kennelijk te dik is voor een mooie kleurontwikkeling. Dat het ook, of vooral, een gebrek aan dikteverschillen zou kunnen zijn wijzen zij met zoveel woorden af. Olievlekken en zeepvliezen zijn veelkleurig doordat men de verschillende delen van de vlekken en vliezen onder verschillende hoeken ziet.

Tot zover de toegemailde theorie. Eergisteren is het experiment uitgevoerd waar het een week eerder net niet van kwam. De vraag was of een druppeltje slaolie op een heel groot wateroppervlak verder zou uitvloeien dan in een soepbord. En of dat wat zou uitmaken voor het kleurenspel. Met dezelfde pipet die voor het soepbord was gebruikt werd een druppeltje (0,03 ml) slaolie gebracht in een afwasteil die boordevol water stond. Het resultaat was spectaculair. Inderdaad vloeide de slaolie verder uit dan in het bord en ontstond uiteindelijk dus een dunnere film. Het bijzondere was dat er onmiddellijk prachtige concentrische kleurenbanden opvlamden. Ze bleven zichtbaar zolang de olie nog uitvloeide en trokken snel naar de randen weg. In het centrum was dus de kleur weer het eerst verdwenen. Alles bijeen zal het een of twee seconden geduurd hebben. Korte tijd later brak de olielaag op en vormden zich slierten en vetogen waaraan verder niets bijzonders te zien was.

Uit de waarnemingen valt moeilijk een andere conclusie te trekken dan dat het niet de dikte als zodanig is die de slaolielaag in de weg zit maar vooral de gelijkmatigheid van de dikte. Zolang er een flink dikteverloop is zijn er kleuren. Als de laag glad trekt verdwijnen ze.

Het is bij nader inzien ook evident dat de kleurenbanden die te zien zijn in gemorste tweetaktolie op de gracht niet het gevolg zijn van het richtingsverschil waaronder de verschillende delen van de olievlek worden waargenomen. Dan zouden er immers niet concentrische maar parallelle banden worden gezien. Wie een druppel dieselolie of smeerolie op een bord water laat vallen zal bovendien opmerken dat de kleuren die zich daar vormen en handhaven een vaste plaats hebben, ongeacht de hoek waaronder men het olieoppervlak bekijkt.

De theorie was te overtuigend, daar lag het aan. Het bijgaande plaatje lijdt aan hetzelfde euvel: het heeft ook te maken met de invloed van de kijkrichting en is ook te overtuigend. Het fenomeen dat het visualiseert (shadow-hiding of opposition effect) is hier gebruikt voor de verklaring van de vreemde lichtvlek die men ziet rond de schaduw van het eigen hoofd als die schaduw op gras valt. Niet op nat gras, want op bedauwd of beregend gras ziet men de bekende `Heiligenschein' (zie internet of Minnaert maar negeer de Winkler Prins).

Maar ook op volkomen droog gras is rond de de schaduw van het hoofd vaak een lichte vlek te zien. Volgens Lynch en Livingston (`Color and light in nature') is die het gevolg van shadow-hiding: wie kijkt naar de schaduw van het eigen hoofd kijkt precies met de zon mee en ziet een gebied waar alle schaduw wordt afgedekt. Het klinkt aannemelijk genoeg, maar wie eens de proef op de som neemt stelt onmiddellijk vast: het is helemaal niet waar. De zone met shadow hiding is zó smal dat hij juist precies wordt afgedekt door de schaduw van het hoofd. Shadow hiding is er op de verre maan als die vol is, niet op nabij gras. De lichte vlek rond droge kopschaduw is nog niet verklaard.