Lähdekoodi sivulle Sateenkaari

[[Kuva:Double-alaskan-rainbow.jpg|thumb|250px|Sateenkaari]]
'''Sateenkaari''' on [[Näkyvän valon spektri|spektrin väreissä]] esiintyvä [[ilmakehän optinen ilmiö]]. Se syntyy, kun [[valo]] [[taittuminen|taittuu]] [[pisara]]n etupinnasta, [[heijastuminen|heijastuu]] pisaran takapinnasta ja taittuu jälleen pisaran etupinnasta. Koska vesipisara on [[dispersio|dispersiivinen]], valkoinen valo hajoaa väreiksi muodostaen sateenkaaren.

Sateenkaari [[ilmakehä]]n valoilmiönä on herättänyt kiinnostusta kautta historian. Kertomuksia sateenkaaresta esiintyy tarustossa joka puolella maapalloa. Sitä on pidetty jumalallisen varjeluksen ja valaistumisen symbolina, sekä ennusmerkkinä.<ref>{{Verkkoviite|osoite=https://www.bbc.com/culture/article/20200409-rainbows-as-signs-of-thank-you-hope-and-solidarity|nimeke=Rainbows as signs of thank you, hope and solidarity|julkaisu=www.bbc.com|viitattu=2024-03-25}}</ref>

== Sateenkaaren värit ==

Prisman tuottama spektri on valon eri aallonpituuksien tasainen jatkumo ilman kaistoja. Ihmissilmä kykenee erottamaan spektristä erikseen joitain satoja eri värejä.<ref>{{cite web|url=http://www.pburch.net/dyeing/dyeblog/C128544578/E1447734446/|last=Burch|first=Paula E.|title=All About Hand Dyeing Q&A|accessdate=27 August 2012}}</ref> Tämän mukaisesti Munsellin värisysteemi (19. vuosisadan systeemi värien numeroimiseksi, joka pohjautuu tasaväleihin ihmisen näköaistimuksessa) erottaa 100 eri [[Sävy|värisävyä]]. Päävärien näennäinen erillisyys on ihmisen näköjärjestelmän ominaisuus ja päävärien tarkka lukumäärä on jossain määrin vapaavalintainen.

{|style="margin: 1em auto; text-align: center"
|-
| style="width: 4em" | '''[[Punainen]]'''
| style="width: 4em" | '''[[Oranssi]]'''
| style="width: 4em" | '''[[Keltainen]]'''
| style="width: 4em" | '''[[Vihreä]]'''
| style="width: 4em" | '''[[Sininen]]'''
| style="width: 4em" | '''[[Indigonsininen]]'''
| style="width: 4em" | '''[[Violetti]]'''
|-
| {{color box|#ff0000}}
| {{color box|#ff6600}}
| {{color box|#ffee00}}
| {{color box|#00ff00}}
| {{color box|#0099ff}}
| {{color box|#4400FF}}
| {{color box|#9900FF}}
|}

Newton, joka totesi etteivät hänen silmänsä ole kovin tarkat erottamaan eri värejä,<ref>{{cite web|url=https://books.google.nl/books?id=EU74cB7kMMsC&pg=PA140&lpg=PA140&dq=%22+not+very+critical+in+distinguishing+colours%22&source=bl&ots=Qcxcil-NAi&sig=mSzDTS0KGPCbq4MeNuMxGoya5og&hl=en&sa=X&ei=k9ueVJiFAoHlOJOygfAP&ved=0CDMQ6AEwBQ#v=onepage&q=%22%20not%20very%20critical%20in%20distinguishing%20colours%22&f=false |title=Color and Meaning |accessdate=2014-12-26 |last=Gage |first=John |year=1994}}</ref> jakoi alun perin (1672) spektrin viiteen pääväriin: punainen, keltainen, vihreä, sininen ja violetti. Myöhemmin hän lisäsi oranssin ja indigonsinisen, jolloin päävärejä oli seitsemän kuten nuotteja [[Sävelasteikko|sävelasteikossa]].<ref name="Newton, 1740">Newton, Isaac, ''Optice: Sive de Reflexionibus, Refractionibus, Inflexionibus & Coloribus Lucis Libri Tres,'' Propositio II, Experimentum VII, edition 1740:<br>
''Ex quo clarissime apparet, lumina variorum colorum varia esset refrangibilitate : idque eo ordine, ut color ruber omnium minime refrangibilis sit, reliqui autem colores, aureus, flavus, viridis, cæruleus, indicus, violaceus, gradatim & ex ordine magis magisque refrangibiles.''</ref><ref>{{cite web|url = http://www1.umn.edu/ships/updates/newton1.htm|title = Newton’s Colors|last = Allchin|first = Douglas|work = SHiPS Resource Center|accessdate = 16.10.2010}}</ref> Newton päätti jakaa näkyvän spektrin seitsemään väriin, pohjaten antiikin Kreikan sofistien uskomuksiin yhteyksistä värien, musiikin nuottien, tunnettujen aurinkokunnan kappaleiden ja viikonpäivien määrän välillä.<ref>{{cite book |last=Newton |first=Isaac |authorlink=Isaac Newton |title = Opticks |year=1704 }}</ref>

[[Isaac Asimov]]in mukaan, ”on tapana luetella indigonsininen värinä sinisen ja violetin välillä, mutta minusta indigonsininen ei ole koskaan näyttänyt sen arvoiselta, että sitä pitäisi ajatella erillisenä värinä. Minun silmissäni se näyttää vain syvän siniseltä.”<ref>{{cite book|last=Asimov|first=Isaac|title=Eyes on the Universe: A History of the Telescope|year=1975|publisher=Houghton Mifflin|location=Boston|isbn=978-0-395-20716-1|page=59}}</ref> Nykyisin Newtonin vaalean siniseksi nimittämä väri (~520–490 nm / ~580–510 THz) erotetaan omaksi värikseen nimeltä [[syaani]].<ref>{{cite book|title = Fundamentals of Atmospheric Radiation: An Introduction with 400 Problems|author = Bohren, Craig F.|publisher = Wiley-VCH|year = 2006|isbn = 3-527-40503-8|url = http://books.google.com/?id=1oDOWr_yueIC&pg=PA214&lpg=PA214&dq=indigo+spectra+blue+violet+date:1990-2007}}{{Vanhentunut linkki|bot=InternetArchiveBot }}</ref>

Sateenkaaren värikuvio poikkeaa spektristä ja sen värit ovat vähemmän saturoituneet. Sateenkaaren spektrissä tapahtuu tahriintumista, koska jokaiselle aallonpituudelle on jakauma eri lähtökulmia, yhden vakiolähtökulman sijaan.<ref>{{cite web|url=http://www.atoptics.co.uk/rainbows/primcol.htm|title=Primary rainbow colours |last=Cowley|first=Les|work = Atmospheric Optics|accessdate=27 August 2012}}</ref> Lisäksi, sateenkaari on sumentunut versio yhdestä pisteestä lähtöisin olevasta kaaresta, koska auringon kehän halkaisija (0,5°) ei ole merkityksetön suhteessa sateenkaaren leveyteen (2°).

== Sateenkaaren tieteellinen selitys ==
[[Tiedosto:RainbowFormation DropletPrimary.png|thumb|150px|right|Koska vesipisara on [[Dispersio|dispersiivinen]], Auringon valkoinen valo hajoaa eri väreiksi muodostaen sateenkaaren.]]
Sateenkaari syntyy, kun [[Aurinko|Auringosta]] tuleva [[valkoinen]] valo, joka sisältää eri [[Aallonpituus|aallonpituuksia]], osuu ilmakehässä olevaan vesipisaraan. Vesipisaran pinta on kaareva ja veden [[optinen tiheys]] on sopiva toimimaan [[Prisma (optiikka)|prismana]]. Eriväriset aallonpituudet taipuvat ja heijastuvat vesipisaran sisällä hieman eri tavoin, jolloin valkoinen valo hajoaa eri väreihin. Pisarat myös heijastavat valoa tiettyyn suuntaan (tulosuuntaansa), joten on mahdotonta nähdä sateenkaarta samassa suunnassa kuin Aurinko on. Värit järjestyvät aallonpituutensa mukaan järjestykseen.<ref name="Tiede_7/2011">{{Lehtiviite |Tekijä = Korteila, Maria|Otsikko = Sateenkaari on katsojan silmässä|Julkaisu = Tiede|Ajankohta = 12.7.2011|Vuosikerta = 31|Numero = 7|Sivut = 11|Julkaisupaikka = Turku|Julkaisija = Tieteen tiedotus ry| Tunniste = | Issn = 1457-9030|www = https://www.tiede.fi/artikkeli/jutut/artikkelit/sateenkaari_on_katsojan_silmassa |Viitattu = 20.9.2011}}</ref><ref>{{Verkkoviite | Osoite = http://factoidz.com/the-scientific-explanation-of-rainbows/ | Nimeke = The Scientific Explanation of Rainbows | Julkaisija = Factoidz | Viitattu = 20.9.2011 | Kieli = {{en}} | arkisto = https://web.archive.org/web/20111021210901/http://factoidz.com/the-scientific-explanation-of-rainbows/ | arkistoitu = 21.10.2011 }}</ref>

Sateenkaari ei ole taivaan väri-ilmiö, vaan tarkkailijan havainnoimaa auringonvaloa.<ref name="Tiede_7/2011" />

== Sateenkaaren tutkimuksen historiaa ==

Ensimmäiset tunnetut sateenkaareen liittyvät uskomukset ovat [[sumer]]ilaista ja kaldealaista perua. He pitivät sateenkaarta tulvan enteenä. Kreikassa se liitettiin [[Iris (mytologia)|Iris]]-jumalaan, joka oli huonojen uutisten tuoja. Kaaresta on löydetty myös käärmeen muoto. [[Suomi|Suomalaisessa]] mytologiassa sateenkaari oli [[Ukko]]-jumalan jousi, jolla hän ampui salamoita ja siirtolohkareita. Taivaalla näkynyt kaari on myös helposti yhdistetty siltaan maan ja jumalien välillä. Raamatussa sateenkaari mainitaan merkiksi liitosta Jumalan ja kaikkien maan päällä elävien kanssa.<ref name =" Mooses ">{{Verkkoviite | Osoite = http://www.evl.fi/raamattu/1992/1Moos.9.html | Nimeke = Liitto Nooan kanssa | Julkaisija =  | Viitattu = 3.4.2014 | Kieli =  | arkisto = https://web.archive.org/web/20140520184928/http://www.evl.fi/raamattu/1992/1Moos.9.html | arkistoitu = 20.5.2014 }}</ref> Kuun sateenkaarta tai joskus myös sivukaarta on pidetty Paholaisen kaarena, sillä Paholainen ei ole pystynyt luomaan yhtä hienoa kaarta kuin Luoja. Sateenkaaren päähän on liittynyt ikuinen rauha, onni, kauneus ja terveys. Yhtä saavuttamaton on myös sieltä löytyvä kulta-aarre. Tarustossa esiintyvät kaarikertomukset voidaan jakaa mytologisiin, teologisiin ja lukusymmetrisiin.

== Erilaisia sateenkaaria ==
[[Kuva:Sopot Rainbow Fountain 2004 ubt.jpg|thumb|250px|Sateenkaari suihkulähteessä]]

Mikäli pisarat ovat kooltaan hyvin pieniä, dispersiota ei tapahdu ja kaari jää valkoiseksi. Tällöin puhutaan '''sumusateenkaaresta'''. 

Vaikka valo usein esitetään [[sädeoptiikka|sädeoptiikassa]] säteenä, valoa tarkasteltaessa täytyy ottaa huomioon sen [[aalto]]maisuus. Tällöin hieman eri vaiheessa olevat aaltorintamat saattavat vahvistaa tai heikentää toisiaan eli [[interferenssi|interferoida]]. Sen seurauksena voidaan havaita ns. '''interferenssisateenkaaria'''. Teoreettisesti on tutkittu, että sivusateenkaaren lisäksi on periaatteessa olemassa ääretön määrä lisäsateenkaaria. Ns. toista sivusateenkaarta on yritetty havainnoida, se kuitenkin laskujen mukaan sijaitsee Auringon suunnassa, joten sen havaitseminen voi olla vaikeaa tai peräti mahdotonta.

Sateenkaarelle otollinen tilanne syntyy, kun katsojan etupuolella on vesisade ja selän takana paistaa [[Aurinko]] tai [[Kuu]]. Kuun sateenkaaret ovat Auringon sateenkaaria huomattavasti harvinaisempia. Pääkaaren keskipiste on aina Auringon tai Kuun vastapisteessä ja sen säde on aina 42°. Jos valonlähde on tarpeeksi korkealla, kaari muodostuu [[horisontti|horisontin]] alapuolelle eikä näy.
Jos sateenkaari on vesialueen yllä, saattavat vedestä tulevat heijastukset muodostaa '''heijastussateenkaaria'''. Ne ovat kuitenkin verraten harvinaisia.

=== Sivusateenkaari  ===
[[Tiedosto:Arc-en-ciel double, avec la bande sombre.jpg|right|thumb|250px|Pää- ja sivusateenkaari sekä niiden välinen tumma Aleksanterin vyö]]
[[Tiedosto:RainbowFormation_DropletSecondary.jpg|right|thumb|250px|Valon kulku vesipisaran sisällä, kun se heijastuu kahteen kertaan niin, että syntyy sivusateenkaari]]
Jos valo kulkee pisaroissa heijastuksen verran pidemmän reitin, syntyy '''sivusateenkaari'''. Sivusateenkaaressa värit ovat '''pääsateenkaareen''' nähden päinvastaisessa järjestyksessä. Pääsateenkaaren ja sivusateenkaaren välissä on toisinaan muuta taivasta tummempi alue. Sitä kutsutaan '''Aleksanterin vyöhykkeeksi'''. Sen synty on seurausta sädeoptiikasta, pisarasta tulevan valon intensiteetti laskee jyrkästi sateenkaaren reunalla.

=== Korkeamman kertaluvun sateenkaaret ===
Teoreettisesti on tutkittu, että sivusateenkaaren eli toisen sateenkaaren lisäksi on periaatteessa olemassa ääretön määrä lisäsateenkaaria. Ne syntyvät, kun valo heijastuu vesipisaroiden sisällä useaan kertaan. Ne on kuitenkin erittäin vaikea havaita. Aikoinaan niitä yritettiin etsiä toisen sateenkaaren yläpuolelta, mutta 1700-luvulla [[Edmond Halley]] osoitti laskennallisesti, että kolmas ja neljäs sateenkaari ovat havaitsijasta katsottuna auringon puolella; kolmannen kaaren säde on 40°20’ ja neljännen 45°33’. Kolmannessa kaaressa violetti on sisäreunalla ja punainen ulkoreunalla, kun taas neljännessä asian laita on päin vastoin.<ref name="MäkeläSuvanto">{{kirjaviite | Tekijä = Sakari Mäkelä, Timo Suvanto | Nimeke = Sateenkaari | Sivu = 120 | Luku = God said: Let Newton be | Julkaisija = Otava | Vuosi = 1988 | Tunniste = | Isbn = 951-1-09972-8}}</ref> Auringon puolella taivas on kuitenkin niin kirkas, että nämä kaaret voivat näkyä vain poikkeuksellisissa olosuhteissa, jos tausta jostakin syystä on riittävän tumma.<ref name="MäkeläSuvanto" /> Viides ja sitä korkeamman kertaluvun sateenkaaret taas ovat jo niin himmeitä, ettei niitä käytännössä voida havaita, vaikka ne ovatkin havaitsijaan nähden päinvastaisella suunnalla kuin aurinko.

Kun valo kokonaisheijastuu vesipisaran sisällä ''k'' kertaa, sen kulkusuunnan muutoskulma on kaikkiaan:<!--Nämä kaavat löytyivät saksankielisestä Wikipediasta -->

<math>\delta = 2(\theta_i - \arcsin\left(\sin(\theta_i)/n\right)) + k(\pi - 2\arcsin\left(\sin(\theta_i)/n\right)).</math>

missä <math>\theta_i</math> on säteen tulokulma ja ''n'' veden taitekerroin. Heijastuneen säteen intensiteetti on suurimmillaan, kun valon tulokulma on 

<math>\theta_i = \arcsin\left( \sqrt{\frac{(k+1)^2 - n^2}{(k+1)^2 - 1}}\right)</math>

Jos tällä <math>\theta_i</math>:n arvolla saatu kulkusuunnan muutos <math>\delta</math> on itseisarvoltaan alle 90 astetta, sateenkaari on auringon puolella, kun taas jos se on tätä suurempi mutta pienempi kuin 270 astetta, sateenkaari on päinvastaisella puolella ja sen säde on 180° - <math>\delta</math>. 

Kun veden taitekerroin on punaiselle valolle 1,330 ja violetille 1,344<ref>{{kirjaviite | Tekijä = Esko Ranta, Lennart Ekbom | Nimeke = Matematiikan taulukot | Sivu = 76 | Luku = Taitekertoimia | Julkaisija = WSOY | Vuosi = 1973 | Tunniste = | Isbn = 951-0-05129-2}}</ref>, saadaan näistä eri kertalukujen sateenkaarten ylä- ja alareunojen säteille teoreettisesti seuraavat arvot:

{| {{Wikitable}}
|-
! kertaluku !! Punainen !! Violetti !! Sijainti ja värien järjestys
|-
| 1 (pääsateenkaari) || 42°30’ || 40°30’ || Poispäin auringosta, punainen ylimpänä
|-
| 2 (sivusateenkaari) || 50°6’ || 53°44’ || Poispäin auringosta, violetti ylimpänä
|-
| 3 || 42°51’ || 37°45’ || Auringon puolella, punainen ylimpänä
|-
| 4 || 42°17’ || 48°48’ || Auringon puolella, violetti ylimpänä
|-
| 5 || 53°29’ || 45°35’ || Poispäin auringosta, punainen ylimpänä
|-
| 6 || 30°13’ || 39°31’ || Poispäin auringosta, violetti ylimpänä
|}

== Harvinaisia sateenkaari-ilmiöitä ==

'''Moninkertaiset sateenkaaret'''

Moninkertaisia sateenkaaria voi syntyä, kun valonlähteitä on useampia. Toinen valonlähde syntyy yleensä heijastuksen aikaansaamana. Heijastus tapahtuu yleensä veden pinnasta. Veden aaltoilu saa todennäköisesti aikaan erikoisefektejä. On havaittu mm. kaaren juuresta nousevia pilareita.

'''Ylimääräiset sateenkaaret'''

Heijastuskaarien lisäksi on havaintoja myös valkoisista kaarista, jotka ovat olleet sivussa normaalista sateenkaaren paikasta, jolloin kaaren tyvi on ollut keskellä pääkaarta tai kaari on ollut valonlähteen puolella. Tällainen ilmiö on hyvin vaikeaselitteinen, jos havainnot edes pitävät paikkaansa.

'''Liikkuvat kaaret'''

Sateenkaari on joskus nähty liikkuvan havaitsijan ja valonlähteen suhteen. Tällaista luonnonlakien vastaista ilmiötä on hankala selittää, mikäli havainnot ovat luotettavia.

'''Taivaan värit sateenkaaren eri puolilla'''

Joskus on myös raportoitu epätavallisista väreistä kaarien välissä tai ulkopuolella. Kyseessä saattaa olla vain suurempi heijastuma pääkaaren alapuolella, jolloin myös '''Aleksanterin vyö''' on tummempi. Auringon ollessa lähellä horisonttia muuttuvat taivaan värit myös vastapuolella.

'''Purppuraiset sateenkaaret'''

Joskus nähdään myös purppuraisia sateenkaaria. Ne ovat liittyneet auringon nousuun ja myös ilmeisesti pieniin pisaroihin kun sumua on havaittu.

'''Säteet kaaren poikki'''

Sateenkaaren poikki meneviä säteitä on havaittu silloin tällöin myös Suomessa. Silloin kyseessä ovat vastapilvi-, tai ruskosäteet.

'''Ukkosen ja salaman vaikutus sateenkaareen'''

[[Ukkonen|Ukkosen]] jyrinän vaikutuksesta sateenkaareen on yksi havainto vuodelta [[1908]] Suomesta, jolloin havaittiin kaaren värien sekoittuvan ja muuttuvan epäteräviksi, sekä tärisevän jyrinän aikana. Selitys saattaa olla pisaroiden pintajännityksen muuttuminen ukkosen takia.

'''Interferenssikaaret'''

Interferenssikaaret syntyvät pisarassa eri reittiä kulkeneiden, mutta samaan suuntaan poistuvien säteiden aallonhuippujen osuessa päällekkäin, jolloin valo vahvistuu, tai eri kohtiin, jolloin valo heikkenee.

'''Muodoltaan vääristyneet sateenkaaret'''

Sateenkaaressa olevia muodon vääristymisiä on havaittu yleensä sateenkaaren ollessa hyvin matalalla. Aivan horisontissa esiintyneissä ilmiöissä myös ilmakehän taittaminen on voinut vaikuttaa vääristävästi.

== Symbolisia merkityksiä ==
[[Kuva:Gay flag.svg|thumb|250px|[[Sateenkaarilippu]]]]
Sateenkaari on vanha toivon symboli. [[Vanha testamentti|Vanhassa testamentissa]] sateenkaari on liiton merkki, jonka Jumala asetti taivaalle [[vedenpaisumus|vedenpaisumuksen]] jälkeen lupaukseksi siitä, ettei moinen toistu ([[Nooan liitto]])<ref name= "Mooses"/>.
Sateenkaaren värit ovat punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti (lila). Saduissa sateenkaaren päässä voi olla aarre. 

[[Sateenkaarilippu]]a käytetään maailmanlaajuisena symbolina edustamaan [[seksuaalivähemmistöt|seksuaali-]] ja [[sukupuolivähemmistöt|sukupuolivähemmistöjä]] ja sanasta ''sateenkaari'' on johdettu seksuaali- ja sukupuolivähemmistöjen konsepteja käsittelevää terminologiaa kuten [[sateenkaariperhe]] ja [[sateenkaarimessu]].

== Katso myös ==

* [[Haloilmiö|Halo]]

== Lähteet ==
{{Viitteet|sarakkeet}}

== Aiheesta muualla ==
{{commonscat|Rainbows}}
* [http://ouluma.fi/wp-content/uploads/2012/09/GraduKristinaHeikkinen.pdf Kristina Heikkinen: Sateenkaari, Pro gradu, Oulun yliopisto, Fysikaalisten tieteiden laitos, Oulu 2008] {{Wayback|1=http://ouluma.fi/wp-content/uploads/2012/09/GraduKristinaHeikkinen.pdf |päiväys=20210421084911 }} (pdf)
* [https://www.tiede.fi/artikkeli/kysy/mika_maaraa_sateenkaaren_koon Tiede.fi: Tapio Tuomi, Mikä määrää sateenkaaren koon?]
* [https://www.ursa.fi/ilmakeha/ilmiot/sateenkaaret.html Tähtitieteellinen yhdistys Ursa ry: Sateenkaaret]

{{Metatieto}}

[[Luokka:Ilmakehän optiset ilmiöt]]
[[Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit]]