sateenkaari

Sateenkaari näkyy aina vastakkaisella puolella taivasta kuin aurinko, koska valo heijastuu sadepisaroista takaisin tulosuuntaansa. Pelkkä valon heijastuminen vesipisaroista ei kuitenkaan riitä selittämään sateenkaaren värejä, siihen vaaditaan myös valon taittumista.

Kun auringonvalo taittuu ja heijastuu vesipisaroissa, valkoiselta näyttävä auringonvalo hajoaa – kirjaimellisesti – sateenkaaren väreihin. Värejä on seitsemän paitsi jos on samalla kannalla kuin tieteiskirjailija Isaac Asimov. Hänen mukaansa "indigo ei ole koskaan tuntunut olevan sen väärti, että se ansaitsisi tulla pidetyksi omana värinään".

Yleensä kuitenkin puhutaan seitsemästä väristä. Punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti ovat väreinä sitä hehkuvampia ja kirkkaampia, mitä suurempia pilvistä tipahtelevat vesipisarat ovat.

Kun auringonvalo kulkee sadepisaran pinnan läpi, valon kulkusuunta muuttuu, koska se siirtyy harvemmasta aineesta tiheämpään: ilmasta veteen.

Valo heijastuu kertaalleen pisaran sisäpinnasta ja kun se taas poistuu vesipisarasta, sen kulkusuunta muuttuu jälleen: tällä kertaa se siirtyy tiheämmästä aineesta harvempaan eli vedestä ilmaan.

Kahden taittumisen ja yhden heijastumisen seurauksena valon kulkusuunta muuttuu vesipisarassa aina saman verran, 42 astetta. Siksi sateenkaari näkyy taivaalla vastapäätä aurinkoa ja kaartuu ilmiötä ihailevan katsojan pään varjon ympärille 42 asteen etäisyydellä.

Valon kulkusuunta ei kuitenkaan muutu täsmälleen 42 astetta, sillä valon eri aallonpituudet eli värit taittuvat eri tavoin: punainen taittuu vähiten ja violetti eniten. Siksi punainen väri on sateenkaaren ulkoreunassa ja violetti sen sisäreunassa. Niiden välissä ovat muut värit.

Kun Aurinko pilkahtaa sadepilvien lomasta, taivaalle leimahtaa monivärinen sateenkaari, toisinaan kaksikin. Kauniin luonnonilmiön selitys löytyy vuonna 1704 ilmestyneestä Isaac Newtonin teoksesta Opticks.

Pääsateenkaari syntyy auringonvalon heijastuessa vesipisaran sisällä kerran, sivusateenkaaren valo heijastuu kaksi kertaa. Kummassakin tapauksessa valon kulkusuunta muuttuu sekä sen mennessä pisaran sisään että tullessa siitä ulos.

Monisatasivuisessa Opticks-teoksessaan Newton tarkastelee valoa ja sen kulkua linssien ja muiden optisten elementtien läpi. Keskeisiä havaintoja oli valkoisen valon koostuminen eri väreistä: prisman avulla Newton sai aikaan sateenkaaren värit.

Optiikan tutkimusten yhtenä tuloksena oli peilikaukoputki, jonka perustyyppi tunnetaan edelleen newton-kaukoputkena.

Värejä sateenkaaressa on seitsemän – paitsi jos on samaa mieltä kuin tieteiskirjailija Isaac Asimov, jonka mukaan "indigo ei ole koskaan tuntunut olevan sen väärti, että se ansaitsisi tulla pidetyksi omana värinään".

Punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigonsininen ja violetti ovat sateenkaaressa aina samassa järjestyksessä, sillä ne ovat seurausta auringonvalon heijastumisesta ja nimenomaan taittumisesta vesipisaroissa. Kullakin värillä on oma aallonpituutensa – tai tarkemmin sanottuna aallonpituusalueensa – ja se taittuu tietyllä tavalla. 

Värit ovat samassa, mutta päinvastaisessa järjestyksessä myös toisinaan näkyvässä himmeämmässä sivusateenkaaressa, joka kaartuu pääsateenkaaren ulkopuolella. Kun pääsateenkaaressa punainen on uloin ja violetti sisin väri, sivusateenkaaressa uloimpana on violetti ja sisimpänä punainen.  

Syynä päinvastaisuuteen on, että sivusateenkaaren synnyttävä valo heijastuu vesipisaroiden sisällä kahteen kertaan, kun pääsateenkaaren aikaansaava valo heijastuu vain kerran.

Kuva: Tiedetuubi

Heinäkuun alussa alkaneen ja elokuun lopussa päättyneen kesäkuvakisan sadon setviminen jatkuu: pyysimme lähettämään kuvia, joissa on jotain kummallista: ilmiöitä, arvoituksellisia tapahtumia tai yksinkertaisesti jännittäviä asioita, joita emme pystyisi selittämään.

Eräs jännimmistä kuvista tuli Hiltulanlahdelta Juha Vartiaiselta. Kuvassa on sateenkaari, ja Juha kirjoitti saatteessaan siitä näin:

”Huomasin eilen illalla Auringon tulevan esiin, kun pienen ukkoskuuron jälkimainingeissa vielä satoi vettä, joten menin kameran kanssa pihalle odottamaan sateenkaarta, josta sitten muodostuikin harvinaisen komea.”

”Paras hetki oli kuitenkin ennen sitä kun huomasin ilmeisesti anomaalisen sateenkaaren pätkän. Nekin ovat suht´koht harvinaisia, mutta omituista tässä oli se, että ylimääräinen kaari oli sivusateenkaaren päällä. Tähän olisi mukava saada selitys; onko ennen havaittu ja onko selitys se sama litistyneet vesipisarat vai tarvitaanko ilmiön havainnollistamiseen korkeampaa matematiikkaa? Sää oli kuvaushetkellä käytännössä tuuleton, jonka vuoksi upea sateenkaarikin näkyi lähes tunnin ajan (anomaalinen noin vartin ajan).”

Juhan arvio osuu nappiin. Hän lähetti kuvasta kaksi versiota, alkuperäisen (alla) ja otsikkokuvana olevan käsitellyn, missä ilmiö näkyy korostettuna.

Syksy on aamusumujen aikaa. Siinä missä kesäistä taivasta koristaa usein iltapäiväkuuron väistyessä kirkasvärinen sateenkaari, syysaamuna kannattaa kurkistella taivaalle sumukaaren toivossa.

Sumukaari syntyy samalla tavalla kuin sateenkaari – eli auringonvalon taittuessa ja heijastuessa vesipisaroissa – mutta se on harvinaisempi ilmestys, sillä auringonpaiste ja sumu eivät ole kovin yleinen eivätkä etenkään pitkäikäinen yhdistelmä. 

Sumukaari näkyy sateenkaaren tavoin Auringon vastapisteen ympärillä. Sateenkaaren värit ovat sitä kirkkaammat mitä isommissa pisaroissa valo taittuu ja heijastuu. Sama sääntö pätee myös toiseen suuntaan: pisaroiden koon pienentyessä värit haalistuvat. 

Sumu muodostuu sateen tavoin vesipisaroista, mutta ilmassa leijuvat pisarat ovat usein niin pieniä – läpimitaltaan alle 0,05 millimetriä – että sumukaari on yleensä pilvenvalkoinen. Toisinaan voi nähdä kaaren toisessa reunassa korkeintaan aavistuksen sinertävästä ja toisessa reunassa punaisesta väristä. 

Oivalliset olosuhteet sumukaaren näkymiseen ovat korkeahkolla paikalla, jolta avautuu näkymä sumun verhoamaan, alempana olevaan maisemaan. Tietysti edellytyksenä on myös selän takaa tuleva auringonpaiste. Onnenkantamoinenkaan ei ole haitaksi, sillä Aurinko saa sumun katoamaan nopeasti: on oltava oikealla paikalla oikeaan aikaan.

Kesäistä taivasta koristaa usein iltapäiväkuuron väistyessä kirkasvärinen sateenkaari. Sen synnystä auringonvalon heijastuessa ja taittuessa vesipisaroissa kerrottiin Tiedetuubissa viime keväänä.

Vastaavan valoilmiön voi toisinaan nähdä myös sumussa. Tällainen sumukaari on harvinaisempi ilmestys, sillä auringonpaiste ja sumu ei ole kovin yleinen yhdistelmä. Etenkin syksyisin on usein aamulla sumuista, mutta Auringon noustua sumu katoaa nopeasti. Sumukaari näkyy sateenkaaren tavoin Auringon vastapisteen ympärillä ja siinä voi näkyä samanlaisia ilmiöitä kuin sateenkaaren yhteydessä: sivukaari ja interferenssikaaria.  

Sateenkaaren värit ovat sitä kirkkaammat mitä isommissa pisaroissa valo taittuu ja heijastuu. Sama sääntö pätee tietenkin myös toiseen suuntaan: pisaroiden koon pienentyessä värit haalistuvat. Sumussa leijuvat pisarat ovat usein niin pieniä – läpimitaltaan alle 0,05 millimetriä – että sumukaaressa näkyy korkeintaan aavistus sinertävää ja toisessa reunassa punaista. Useimmiten värejä ei näy lainkaan. Jos sumupisarat ovat hyvin tasakokoisia, voi "pääkaaren" sisäpuolella näkyä useita pienempiä kaaria.  

Oivalliset olosuhteet sumukaaren näkymiseen ovat korkeahkolla paikalla, jolta avautuu näkymä sumun verhoamaan, alempana olevaan maisemaan; tietysti edellytyksenä on myös auringonpaiste. Ankarat vaatimukset täyttyivät joulukuisena aamuna Lontoon ydinkeskustassa. Sumulautat ajelehtivat pitkin Thamesia, kun pilvien saartama Aurinko alkoi hiljalleen nousta näkyviin. Westminsterin sillalta saattoi tähytä juuri oikeaan suuntaan ja kun auringonvalon määrä lisääntyi, aavemainen kaari ilmestyi puolen tunnin odottelun jälkeen hetkeksi näkyviin. 

Auringon alkaessa paistaa sumukerrokseen se hälveni nopeasti ja samalla sumukaari katosi. Sillalla parveilleilla turisteilla oli tuskin aavistustakaan, miksi lukuisista kameran kanssa touhuavista tyypeistä yksi tähyili pitkään viereisen Big Benin ja Parlamenttitalon sijasta sumun verhoamalle joelle.   

Kesäisenä sadepäivänä pilvien jo hiljalleen hajaantuessa taivaalle voi leimahtaa upea sateenkaari. Silloin aurinko pilkahtaa pilvien raosta ja paistaa väistyvän sateen langettamiin pisaroihin. Sateenkaari näkyy aina vastakkaisella puolella taivasta kuin aurinko, koska valo heijastuu sadepisaroista takaisin tulosuuntaansa.

Pelkkä valon heijastuminen vesipisaroista ei kuitenkaan riitä selittämään sateenkaaren värejä, siihen vaaditaan myös valon taittumista. Kun auringonvalo taittuu ja heijastuu vesipisaroissa, valkoiselta näyttävä auringonvalo hajoaa – kirjaimellisesti – sateenkaaren väreihin. Punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti ovat väreinä sitä hehkuvampia ja kirkkaampia, mitä suurempia vesipisarat ovat.

Kun auringonvalo kulkee sadepisaran pinnan läpi, valon kulkusuuntaa muuttuu, koska se siirtyy harvemmasta aineesta tiheämpään: ilmasta veteen. Valo heijastuu kertaalleen pisaran sisäpinnasta ja kun se taas poistuu vesipisarasta, sen kulkusuunta muuttuu jälleen: tällä kertaa se siirtyy tiheämmästä aineesta harvempaan eli vedestä ilmaan.

Kahden taittumisen ja yhden heijastumisen seurauksena valon kulkusuunta muuttuu vesipisarassa aina saman verran, 42 astetta. Siksi sateenkaari näkyy taivaalla vastapäätä aurinkoa ja kaartuu ilmiötä ihailevan katsojan pään varjon ympärille 42 asteen etäisyydellä.

Valon kulkusuunta ei kuitenkaan muutu täsmälleen 42 astetta, sillä valon eri aallonpituudet eli värit taittuvat eri tavoin: punainen taittuu vähiten ja violetti eniten. Siksi punainen väri on sateenkaaren ulkoreunassa ja violetti sen sisäreunassa. Niiden välissä ovat muut värit eli oranssi, keltainen, vihreä ja sininen.

Usein kirkkaan sateenkaaren ulkopuolella näkyy toinen, hieman himmeämpi sivusateenkaari. Sen värit ovat samat kuin pääsateenkaaressa, mutta niiden järjestys on päinvastainen: ulkoreunalla on violetti ja sisäreunalla punainen. Sivusateenkaari on himmeämpi, koska sen synnyttävä valo heijastuu sadepisaran sisällä kahdesti. Jokaisessa heijastumisessa valoa menee hivenen haaskoon.