maanantai 17. huhtikuuta 2017

SATEENKAARET

Kalenteri näyttää kesää pian saapuvaksi, vaikka ulos katsoessa sitä ei ehkä vielä huomaakaan. Suomen kesän vaihteleva sää tuo taivaalle iloksemme myös kaikkien tuntemat sateenkaaret. Toki sateenkaaria voi helpostikin nähdä ympäri vuoden, mutta jollain tavalla ne tulee kuitenkin yhdistäneeksi lämpimiin kesäsateisiin ja sadekuuroihin. Tällä kertaa siis tiedossa hieman vinkkejä siitä, milloin sateenkaaria kannattaa taivaalta yrittää etsiä ja minkälaisia variaatioita ja harvinaisuuksia niiden muodoista löytyykään.

Kirkas pääsateenkaari ja hyvin himmeä sateenkaari meren yllä. Hua Hin, Thaimaa, 8.6.2008.

Sateenkaaret ovat vanhimpia tunnettuja optisia ilmiöitä. Kirjallisia kuvauksia sateenkaarista löytyy jo sumerilaisten teksteistä vuosisatoja ennen ajanlaskun alkua. Vaikka nykypäivänä sateenkaaret liitetäänkin onneen, olivat ne sumerilaisten ja kreikkalaisten aikakaudella vielä huonojen uutisten tuojia. Usein sateenkaaret enteilivätkin äkillisiä tulvia jossain lähistöllä. Kreikkalaisten tarustossa sateenkaaren vastine oli Iris, joka toimi jumalien ja ihmisten kesken viestinviejänä maan ja taivaan välillä. Sama teema maan ja taivaan yhdistävänä kaarena toistuu myös hyvin monien muiden kansojen keskuudessa, myös esimerkiksi raamatussa. Sateenkaarta onkin pidetty varhaisen kristinuskon keskuudessa jumalallisena merkkinä. Toisaalta toisinaan näkyväa toista sateenkaarta on pidetty Paholaisen kaarena (Saatana ei pystynyt luomaan yhtä hienoa ja kirkasta kaarta kuin Jumala). Hiljalleen uskomukset sateenkaarista ovat hälventyneet tiedon kasvaessa, mutta yhä edelleen sateenkaaren nähdessään moni puhuu sen päässä sijaitsevasta kulta-aarteesta.

Ensimmäiset varsinaiset selitykset sateenkaarille pyrittiin laatimaan jo antiikin Kreikassa, jolloin myös muilla tieteellisillä aloilla halu ilmiöiden selittämiseen käynnistyi. Suurin vaikutus oli monitieteellisesti lahjakkaalla Aristoteleellä (384 – 322 eaa.), joka kirjasi varsin tarkasti sateenkaaren ilmiönä ja perusteli näkemäänsä teoksessaan Meteorologica. Hän esitti sateenkaaren syntyvän valon heijastuessa pilvistä. Hän huomasi myös kaaren korkeuden vaihtelevan riippuen siitä millä korkeudella Aurinko oli horisontista. Aristoteleen selitys säilyi lähtökohtana sateenkaarille useita vuosisatoja, vaikka muunkinlaisia selityksiä välillä esitettiin. Kiinnostavan lisän sateenkaarihavainnoille antoi Aleksanteri Afrodisialainen, joka havaitsi 200-luvulla, että kahden sateenkaaren välissä on tummempi alue, josta ei tule valoa katsojan suuntaan. Tätä tummaa aluetta kahden sateenkaaren välissä kutsutaan edelleen hänen mukaansa Aleksanterin vyöksi. Sateenkaaren todellinen alkuperä pysyi kuitenkin vielä pitkään hämärän peitossa. Vuosisatojen kuluessa ilmiötä tutkivat niin arabialaiset tiedemiehet 900- ja 1000-luvuilla sekä eurooppalaiset tutkijat ja kirkonmiehet 1200-luvulta alkaen. Tieteellisen lähestymistavan jälleen taantuessa 1400- ja 1500-luvuilla jäivät nuo pienetkin edistysaskeleet kuitenkin taas unholaan ja sateenkaarien selityksissä palattiin käytännössä antiikin Kreikan ja Aristoteleen tasolle. Kopernikaanisen vallankumouksen sivulainessa tapahtui kuitenkin valtava harppaus tieteissä 1600-luvulle tultaessa. Luonnollisesti myös optiikan ja siten myös sateenkaarien tutkimus edistyi tämän jälkeen nopeasti. Ehkä kiinnostavin ja tunnetuin läpimurto oli Isaac Newtonin oivaltama valon hajoaminen spektrin väreihin (ilmiö toki tunnettiin jo antiikin Kreikassa). Newton havaitsi tutkimuksissaan, että spektrin värit voitiin palauttaa myös takaisin valoksi. Newtonin yhdistäessä aikaisemmat havainnot muun muassa valon aaltoluonteesta ja valon taitekertoimista erilaisissa rajapinnoissa omiin tutkimuksiinsa, syntyi varsinainen ensimmäinen optiikan perusteos, Optica, vuonna 1704. Teos antoi kattavan näkökulman myös sateenkaarien selittämiseen. Sateenkaaria on tietysti tutkittu myöhemminkin ja lisää tieteellistä tietoa niiden mekanismeista on saatu, mutta nämä tutkimukset alkavat olla jo niin matemaattisella pohjalla, että jätän ne suosiolla väliin.

Lisätietoa sateenkaarista ja myös pidemmälle viedyistä tutkimuksista löytyy Ursan harrastusryhmästä Ilmakehän optiset ilmiöt:


Melko usein sateenkaaresta näkyy vain pieni osa. Kuninkoja, Turku, 11.8.2016.

Sateenkaaret ovat siis varmaankin tunnetuimpia optisia ilmiöitä, mutta kaikkein yleisimpiä ne eivät kuitenkaan ole. Esimerkiksi haloja näkyy taivaalla paljon useammin kuin sateenkaaria. Halot sijaitsevat tosin yleensä Auringon suunnassa, joten niitä ei ehkä aina niin helposti huomaa. Eivät sateenkaaaret kuitenkaan mitään harvinaisuuksiakaan ole ja jonkinlaisen kaarenpätkän voi varmasti havaita jopa kymmeniä kertoja vuoden aikana. Sateenkaari vaatii kuitenkin joitain erityisehtoja syntyäkseen. Auringon on esimerkiksi oltava alle 40 asteen korkeudella horisontista, jotta sateenkaari voisi syntyä. Siksi kaaria ei voikaan näkyä kesäisin keskipäivän aikaan. Myös vuodenaika vaikuttaa sateenkaarien näkymiseen. Yleisimmillään sateenkaaret ovat maaliskuulta lokakuulle, mutta kyllä niitä toisinaan näkyy myös talvikuukausina. Parhaimmillaan sateenkaaret ovat yleensä kesäiltaisin, kun lännestä (sateiden tavanomainen liikesuunta Suomessa) saapuva sade- tai ukkoskuuro ohittaa katsojan ja lipuu itään. Tällöin lännestä uudelleen kirkastuva taivas ja Aurinko saavat aikaan tummalle itätaivaalle usein hyvin voimakkaita sateenkaaria.

Tavanomaista sateenkaarta kutsutaan pääsateenkaareksi. Se syntyy, kun valo taittuu ja heijastuu vesipisarasta. Sateenkaaren ulkonäön kannalta on merkittävää, kuinka suuria pisarat ovat. Isot pisarat aiheuttavat voimakkaimmat sateenkaaren värit. Pääsateenkaaren värit ovat ylhäältä alas lukien punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen ja violetti. Kaikkia värejä ei välttämättä ole näkyvissä jokaisessa sateenkaaressa ja esimerkiksi Auringon ollessa hyvin matalalla, värjäytyy sateenkaari lähes kauttaaltaan punaiseksi. Melko usein pääsateenkaaren ohessa voi nähdä myös toisen kaaren, sivusateenkaaren. Merkille pantavaa on, että sivusateenkaaren värit ovat päinvastaisessa järjestyksessä. Näiden kahden kaaren välissä on muuta taustataivasta tummempi alue, Aleksanterin vyö. Tämä johtuu siitä, että pää- ja sivusateenkaaren väliseltä alueelta ei heijastu valonsäteitä havaitsijan suuntaan.

Pää- ja sivusateenkaari iltaisen ukkoskuuron jälkeen. Pääsateenkaaren alareunassa näkyy osan matkaa myös selvä interferenssikaari. Kuninkoja, Turku, 19.7.2014.

Tavanomaisen pää- ja sivusateenkaaren lisäksi voi toisinaan havaita myös harvinaisempia poikkeamia sateenkaarista. Erilaisista olosuhteista johtuen sateenkaarista voidaan käyttää myös muita nimiä. Sumuisissa olosuhteissa voi esimerkiksi nähdä sumukaaren. Kuten tuossa aikaisemmin jo mainittiin, vaikuttaa pisaroiden koko sateenkaaren väreihin. Koska sumu muodostuu käytännössä hyvin pienistä pisaroista, on kaari tällöin väriltään hyvin vaalea ja hailakka. Hyvin vaalea sateenkaari muodostuu myös silloin, kun se aiheutuu Kuun valosta. Tämä johtuu tietysti siitä, että Kuun valovoima on merkittävästi heikompi kuin Auringon. Värikkäitä sateenkaaria voi nähdä myös kasteisella maalla tai vaikkapa hämähäkinseiteissä. Tällaisia tasaiselle pinnalle muodostuvia kaaria kutsutaan kastekaariksi.

Sumukaari on yleensä väriltään hyvin vaalea ja haalea.
Image credit: By Juan lacruz (Own work) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

Muita sateenkaariin liittyviä ilmiöitä ovat esimerkiksi interferenssikaaret. Nämä kaaret ovat ylimääräisiä himmeitä kaaria, joita voi näkyä aivan pääsateenkaaren sisäpuolella. Interferenssikaaressa värit alkavat violetin jälkeen uudelleen punaisesta väristä. Yleensä interferenssikaaresta voi erottaa vain pari väriä. Kaaria voi nähdä, kun pääsateenkaari on hyvin kirkas.
Joskus sateenkaaret näyttävät puolestaan siltä, että niissä on katkeamia. Näistä juovista käytetään yleensä nimitystä sateenkaaren puolat. Ne johtuvat toisesta optisesta ilmakehän ilmiöstä, vastapilvisäteistä. Pilvisäteitä olenkin käsitellyt jo joskus aikaisemmin.

Muutama heikko pilvisäde kulkee kohtisuoraan sateenkaaren poikki. Monteroni d'Arbia, Italia, 19.9.2015.

Hyvin harvinainen ilmiö on kolmas (tai jopa neljäs) sateenkaari. Niiden näkemistä pidettiin aiemmin lähes teoreettisena, mutta valokuvatekniikan kehittyminen on onnistunut vihdoin paljastamaan tuon erikoisen ilmiön. Kolmas sateenkaari syntyy valon heijastuessa pisarassa kolme kertaa. Koska valo himmenee jokaisessa heijastuksessa, on kolmas sateenkaari jo erittäin himmeä. Lisähaasteena kolmannen (tai neljännen) sateenkaaren havaitsemiseen on sen sijainti. Nämä sateenkaaret nimittäin näkyvät vastakkaisella puolella kuin pääsateenkaari eli Auringon suunnassa. Näitä sateenkaaria ei kuitenkaan kannata sekoittaa haloilmiöihin.
Myös heijastussateenkaaret ovat harvinaisia ilmiöitä. Ne aiheutuvat sateenkaaren heijastuessa jostain läheisestä vesistöstä. Heijastussateet näkyvät sateenkaaren tyvestä kohoavana ylimääräisenä, melkein pystysuorana kaarena.

Harvinaisen kirkas heijastussateenkaaari kohoaa suoraan pääkaaren tyvestä ylöspäin.
Image credit: By Tlatla at English Wikipedia (Transferred from en.wikipedia to Commons by Andys.) [Public domain], via Wikimedia Commons. Orginal picture, Terry L. Anderson, 25.8.2007.

© Jani Laasanen ellei kuvan yhteydessä ole toisin mainittu.