Цветовая температура

Цветовая температура – это характеристика источника света, позволяющая оценить его цвет. Это простой и наглядный параметр, несмотря на туманные определения, излагаемые официальной наукой. Кажется, нельзя увязать температуру и цвет, но опытные кузнецы знают, что темно-вишнёвую заготовку уже допустимо ковать. Ниже по тексту подробно разъясняется, как физики пришли к указанной любопытной трактовке.

Спектр излучения и физиологические особенности глаза

Для полного понимания темы ознакомимся с понятием локуса цветов. Эту фигуру, напоминающую склонённую налево и перевёрнутую параболу, массово встречаем в литературе. Не даётся пояснений по поводу представленного изображения. Между тем схемы построения цветов, применяемые в телевидении и полиграфии, не взяты с неба. Всегда люди исходили из реалий.

Как считают учёные, зрением люди обязаны двум видам рецепторов: палочкам и колбочкам. Причём первые сегодня не интересуют, задействованы исключительно в темноте и цвета не воспринимают. Опытным путём установлено, что выделяется три вида колбочек:

1. Длинноволновые.
2. Средневолновые.
3. Коротковолновые.

На основе трудов двух учёных, Дэвида Райта и Джона Гилда, в 1931 году создана первая модель цветов. Она плотно соотносилась с физиологическими особенностями человеческого глаза, что часто пропускают в специализированной литературе. Видимый спектр, различаемый большинством людей (дальтоники не в счёт), ограничивается с участка нижних частот красным цветом, с части высоких – фиолетовым. В середине находятся жёлтый и зелёный. Итак, опытным путём установили, что:

Модель цветов Дэвида Райта и Джона Гилда

• Длинноволновые колбочки глаза проявляют максимум чувствительности в области 600 нм. Это близко к красному цвету. У биологических сенсоров наблюдается второй пик, теперь в районе 450 нм. Что близко к фиолетовому цвету.
• Чувствительность средневолновых находится приблизительно по центру. Там, в районе 550 нм, находится зелёный цвет.
• Коротковолновыми колбочками лучше воспринимается фиолетовый цвет. Обнаруживают максимальную (по амплитуде) чувствительность.

Указанные закономерности легли в основу создания локуса, потом в системы RGB, CMYK и прочие. Цвета существуют только в сознании человека. В физическом мире это просто определённый спектр излучений. Если говорить подробно, на указанную область приходится менее 0,04% оптического диапазона. Спектр радиоволн, рентгеновский и гамма-лучи занимают намного больше места. Но для человека 90% информации получается посредством зрительного канала.

Из сказанного следует, что чувствительность глаза к частотам неодинакова. К примеру, видеть ультрафиолет не дано никому, отдельные экстрасенсы наблюдают ауру. В среднем, чувствительность глаз любого человека колеблется в районе средних графиков колоколообразной формы с вершинами, координаты которых указаны в списке выше. Полиграфия, телевидение и прочие родственные отрасли ориентируются на большую часть населения. И попадают в точку.

В ходе исследований оказалось, что цвета, удовлетворяющие кривой Круитхофа, не причиняющие человеку боли и вреда, лежат в пределах конуса с подошвой в виде копыта лошади. По трём осям откладывается эффект излучения, производимый на означенные ранее виды колбочек. Человеку сложно в данный момент развития истории оперировать трёхмерными фигурами, поэтому распределение цветов оптимизировали для плоскости. Форма чуть искажается, но упрощается восприятие. Ввели величины:

Диапазон температуры

1. Х – интенсивность свечения низкочастотной части спектра. График в литературе красного цвета, чтобы лишний раз подчеркнуть расположение (см. выше про границы видимого диапазона). Как уже замечено, в эти «ворота» входит часть фиолетового потока, в относительно малой степени.
2. Y – вычисляется для средней части спектра, на графиках изображается зелёным.
3. Z – аналогичное, но для верхней части спектра. Цвет – синий.

Все три величины признаны интегральными, вычисляются по диапазону некой протяжённости вдоль оси частот (абсцисс). Представляют произведение чувствительности соответствующего вида колбочек на плотность потока мощности излучения источника в данной области. О тесной связи с физиологией замечено выше. Таким образом, принятая в 1931 году система цветов CIE1931 отражает характеристики объекта и способность колбочек вести приём излучений. Сообразно указанной концепции берутся две координаты – Х и Y – каждая включает полную светимость тела, Z учитывается косвенным образом (см. рис. из Википедии).

В формулах через греческую букву лямбда обозначается длина волны, под I понимается светимость тела (спектр). Напомним, что x, y и z характеризует различные виды колбочек человеческого глаза. А теперь поговорим о связи с цветовой температурой.

Абсолютно-чёрное тело

Гильбертом в 1912 году доказано, что в состоянии термодинамического равновесия излучение абсолютно-чёрного тела удовлетворяет закону Кирхгофа (см. рис.). Приближённо этому случаю подходят атмосферы большинства звёзд. Становится возможным определить их примерную температуру (и даже поле температур), проведя спектральный анализ. Кратко: абсолютно-чёрное тело излучает максимум плотности мощности, определяющемуся согласно закону смещения Вина, который в нынешней трактовке указывает на местоположение пика. Эта частота, являющаяся «вершиной горы» на графике, прямо связана с температурой (в Кельвинах).

Закон Кирхгофа

Спектр светимости абсолютно-чёрного тела определённым образом воспринимается глазом. Для каждой температуры он уникален, и читатели уже догадались, что это считается истинным определением рассматриваемой сегодня величине. За счёт суперпозиции полей (всех цветов видимого диапазона) получается некое среднее, однозначно отображаемое на локусе. На рисунке, взятом из Википедии, местоположение точек отображается в виде изогнутой темной линии. Насечками проставлены цветовые температуры.

Зависимость спектра от температуры и влияние параметра на циркадные ритмы человека

Установлено, что голубые звезды горячее красных, а Солнце находится в центре, удовлетворяя средним показателям. Сегодня, по данным науки, наше светило прошло приблизительно половину пути развития, которое закончится превращением в белого карлика. На основании результатов исследований сделаны выводы о времени существования Солнечной системы, близкому к 5 млрд. лет. Для любой цветовой температуры знатоки приводят поэтические сравнения, заводящие неискушённого новичка в тупик. К примеру, говорится, что значению 5000 К соответствует свет Солнца, находящегося в зените, а 9500 К – небе на северной стороне горизонта на восходе.

Сразу возникает вопрос – что бывает ярче, нежели Солнце в зените. Суть сводится к цвету. Просто таким цветом обладали бы более горячие звезды, нежели Солнце. В классификации северная сторона неба оказалась выше. Но плотность потока мощности её сравнительно невелика, глаз оно не ослепит. Следовательно, выбирая в магазине лампочку, не думайте, будто повышенная цветовая температура даст больше толку. Значение параметра не призвано характеризовать мощность.

Спектр температур

Иной пример: далёкая горячая голубая звезда ночью на небе не ярче светлячка. Хотя если приблизиться к светилу на короткую дистанцию, результат оказался бы предсказуемый. Для человека в дневное время считается оптимальной цветовая температура 5000 – 5500 К. И выбирать лампочку с большим значением нет смысла, разве что из декоративных соображений. Кстати, рассматриваемый вопрос тесно связан с понятием цветопередачи: уютнее человек чувствует себя, освещённый естественными лучами Солнца. Все прочее кажется неестественным либо пугающим. По указанной причине появились на свет лампы ДРЛ со скорректированными параметрами.

Давно доказано, что на биоритмы влияет освещённость. Установлено, что подстройка организмов идёт в некотором интервале. Биоритмы не выделяют чётких периодов, но значения изменяются в определённых пределах. На предмет освещённости существует правило Ашоффа, гласящее, что у ночных животных в темноте циркадные ритмы ускорены. Парадокс – у человека при схожих условиях все наоборот. Для доказательства профессор поместил в темной квартире двух сыновей (1962 год). Позднее выяснилось, что цикл сон-бодрствование растянут на полчаса в сравнении с привычным.

Науке известно, что гормон роста наиболее интенсивно вырабатывается в период с 23.00 до часу ночи. И время причём берётся местное! Не московское, не областное, а географическое. Таким образом, циркадные ритмы задают период сна и бодрствования и прочие важные моменты.

К примеру, если атлет не соблюдает график дня, рост мускулатуры непременно замедлится. На начало 60-х годов активные исследования циркадных ритмов приходятся не случайно. Тогда человечество осознало, что в космосе законы иные. К примеру, известная газета Спид-инфо публиковала заметку, что в условиях невесомости утрачивается функция размножения. Защита от растраты ресурсов?

Выделяются и полезные эффекты. Кур при помощи воздействия светом определённым образом заставляют нестись сверхурочно. После исчезновения внешнего фактора циркадные ритмы ненадолго сохраняются, благодаря инерционности и получили название (лат. Circa — приблизительный). Опытным путём установлено, что варьируя освещение, легко изменять фазу некоторых процессов. К примеру, вызывать сон после полуночи либо днём. При этом период остаётся практически неизменным. Предельные отклонения соответствуют 18 и 30 часам: для хомяков, к примеру, 21 – 26 часов.

Однако! В крайних положениях наблюдалась рассинхронизация отдельных циркадных ритмов одного организма. К примеру возможно прикрепить равноногих раков, окраска (пигментация) которых проявлялась неестественным образом. Установлено, что особенно неблагоприятным для циркадных ритмов становится непрерывное воздействие яркого света. Сейчас уже ясно, кроме указанных факторов, освещённость влияет на альфа-ритмы головного мозга. Цветовая температура способна усилить или замедлить работоспособность. Следует для спальни отдавать предпочтение значениям до 3000 К. Эта цветовая температура соответствует тёплому, жёлтому оттенку. Интенсивность не подразумевается слишком высокой.

Для обеспечения максимальной эффективности жизнедеятельности возможно проведение в период бодрствования стимуляции звуковыми и световыми факторами, варьированием цветовой температуры. Это особенно важно там, где от качества выполняемых действий многое зависит. В частности, уже упоминалось о космических проектах. Разумеется, мы не в состоянии привести конкретных рекомендаций, большинство данных засекречено. Но известно, к примеру, что при допросах используется непрерывный яркий свет, бьющий в глаза, а террористов периодически потчуют инфразвуком. И цветовая температура играет важную роль.