Sateenkaari on spektrin vareissa esiintyva ilmakehan optinen ilmio . Se syntyy, kun valo taittuu pisaran etupinnasta, heijastuu pisaran takapinnasta ja taittuu jalleen pisaran etupinnasta. Koska vesipisara on dispersiivinen , valkoinen valo hajoaa vareiksi muodostaen sateenkaaren.

Sateenkaari ilmakehan valoilmiona on herattanyt kiinnostusta kautta historian. Kertomuksia sateenkaaresta esiintyy tarustossa joka puolella maapalloa. Sita on pidetty jumalallisen varjeluksen ja valaistumisen symbolina, seka ennusmerkkina. ^[1]

Prisman tuottama spektri on valon eri aallonpituuksien tasainen jatkumo ilman kaistoja. Ihmissilma kykenee erottamaan spektrista erikseen joitain satoja eri vareja. ^[2] Taman mukaisesti Munsellin varisysteemi (19. vuosisadan systeemi varien numeroimiseksi, joka pohjautuu tasavaleihin ihmisen nakoaistimuksessa) erottaa 100 eri varisavya . Paavarien naennainen erillisyys on ihmisen nakojarjestelman ominaisuus ja paavarien tarkka lukumaara on jossain maarin vapaavalintainen.

Newton, joka totesi etteivat hanen silmansa ole kovin tarkat erottamaan eri vareja, ^[3] jakoi alun perin (1672) spektrin viiteen paavariin: punainen, keltainen, vihrea, sininen ja violetti. Myohemmin han lisasi oranssin ja indigonsinisen, jolloin paavareja oli seitseman kuten nuotteja savelasteikossa . ^{[4] [5]} Newton paatti jakaa nakyvan spektrin seitsemaan variin, pohjaten antiikin Kreikan sofistien uskomuksiin yhteyksista varien, musiikin nuottien, tunnettujen aurinkokunnan kappaleiden ja viikonpaivien maaran valilla. ^[6]

Isaac Asimovin mukaan, ”on tapana luetella indigonsininen varina sinisen ja violetin valilla, mutta minusta indigonsininen ei ole koskaan nayttanyt sen arvoiselta, etta sita pitaisi ajatella erillisena varina. Minun silmissani se nayttaa vain syvan siniselta.” ^[7] Nykyisin Newtonin vaalean siniseksi nimittama vari (~520?490 nm / ~580?510 THz) erotetaan omaksi varikseen nimelta syaani . ^[8]

Sateenkaaren varikuvio poikkeaa spektrista ja sen varit ovat vahemman saturoituneet. Sateenkaaren spektrissa tapahtuu tahriintumista, koska jokaiselle aallonpituudelle on jakauma eri lahtokulmia, yhden vakiolahtokulman sijaan. ^[9] Lisaksi, sateenkaari on sumentunut versio yhdesta pisteesta lahtoisin olevasta kaaresta, koska auringon kehan halkaisija (0,5°) ei ole merkitykseton suhteessa sateenkaaren leveyteen (2°).

Sateenkaari syntyy, kun Auringosta tuleva valkoinen valo, joka sisaltaa eri aallonpituuksia , osuu ilmakehassa olevaan vesipisaraan. Vesipisaran pinta on kaareva ja veden optinen tiheys on sopiva toimimaan prismana . Erivariset aallonpituudet taipuvat ja heijastuvat vesipisaran sisalla hieman eri tavoin, jolloin valkoinen valo hajoaa eri vareihin. Pisarat myos heijastavat valoa tiettyyn suuntaan (tulosuuntaansa), joten on mahdotonta nahda sateenkaarta samassa suunnassa kuin Aurinko on. Varit jarjestyvat aallonpituutensa mukaan jarjestykseen. ^{[10] [11]}

Sateenkaari ei ole taivaan vari-ilmio, vaan tarkkailijan havainnoimaa auringonvaloa. ^[10]

Ensimmaiset tunnetut sateenkaareen liittyvat uskomukset ovat sumerilaista ja kaldealaista perua. He pitivat sateenkaarta tulvan enteena. Kreikassa se liitettiin Iris -jumalaan, joka oli huonojen uutisten tuoja. Kaaresta on loydetty myos kaarmeen muoto. Suomalaisessa mytologiassa sateenkaari oli Ukko -jumalan jousi, jolla han ampui salamoita ja siirtolohkareita. Taivaalla nakynyt kaari on myos helposti yhdistetty siltaan maan ja jumalien valilla. Raamatussa sateenkaari mainitaan merkiksi liitosta Jumalan ja kaikkien maan paalla elavien kanssa. ^[12] Kuun sateenkaarta tai joskus myos sivukaarta on pidetty Paholaisen kaarena, silla Paholainen ei ole pystynyt luomaan yhta hienoa kaarta kuin Luoja. Sateenkaaren paahan on liittynyt ikuinen rauha, onni, kauneus ja terveys. Yhta saavuttamaton on myos sielta loytyva kulta-aarre. Tarustossa esiintyvat kaarikertomukset voidaan jakaa mytologisiin, teologisiin ja lukusymmetrisiin.

Mikali pisarat ovat kooltaan hyvin pienia, dispersiota ei tapahdu ja kaari jaa valkoiseksi. Talloin puhutaan sumusateenkaaresta .

Vaikka valo usein esitetaan sadeoptiikassa sateena, valoa tarkasteltaessa taytyy ottaa huomioon sen aaltomaisuus . Talloin hieman eri vaiheessa olevat aaltorintamat saattavat vahvistaa tai heikentaa toisiaan eli interferoida . Sen seurauksena voidaan havaita ns. interferenssisateenkaaria . Teoreettisesti on tutkittu, etta sivusateenkaaren lisaksi on periaatteessa olemassa aareton maara lisasateenkaaria. Ns. toista sivusateenkaarta on yritetty havainnoida, se kuitenkin laskujen mukaan sijaitsee Auringon suunnassa, joten sen havaitseminen voi olla vaikeaa tai perati mahdotonta.

Sateenkaarelle otollinen tilanne syntyy, kun katsojan etupuolella on vesisade ja selan takana paistaa Aurinko tai Kuu . Kuun sateenkaaret ovat Auringon sateenkaaria huomattavasti harvinaisempia. Paakaaren keskipiste on aina Auringon tai Kuun vastapisteessa ja sen sade on aina 42°. Jos valonlahde on tarpeeksi korkealla, kaari muodostuu horisontin alapuolelle eika nay. Jos sateenkaari on vesialueen ylla, saattavat vedesta tulevat heijastukset muodostaa heijastussateenkaaria . Ne ovat kuitenkin verraten harvinaisia.

Jos valo kulkee pisaroissa heijastuksen verran pidemman reitin, syntyy sivusateenkaari . Sivusateenkaaressa varit ovat paasateenkaareen nahden painvastaisessa jarjestyksessa. Paasateenkaaren ja sivusateenkaaren valissa on toisinaan muuta taivasta tummempi alue. Sita kutsutaan Aleksanterin vyohykkeeksi . Sen synty on seurausta sadeoptiikasta, pisarasta tulevan valon intensiteetti laskee jyrkasti sateenkaaren reunalla.

Teoreettisesti on tutkittu, etta sivusateenkaaren eli toisen sateenkaaren lisaksi on periaatteessa olemassa aareton maara lisasateenkaaria. Ne syntyvat, kun valo heijastuu vesipisaroiden sisalla useaan kertaan. Ne on kuitenkin erittain vaikea havaita. Aikoinaan niita yritettiin etsia toisen sateenkaaren ylapuolelta, mutta 1700-luvulla Edmond Halley osoitti laskennallisesti, etta kolmas ja neljas sateenkaari ovat havaitsijasta katsottuna auringon puolella; kolmannen kaaren sade on 40°20’ ja neljannen 45°33’. Kolmannessa kaaressa violetti on sisareunalla ja punainen ulkoreunalla, kun taas neljannessa asian laita on pain vastoin. ^[13] Auringon puolella taivas on kuitenkin niin kirkas, etta nama kaaret voivat nakya vain poikkeuksellisissa olosuhteissa, jos tausta jostakin syysta on riittavan tumma. ^[13] Viides ja sita korkeamman kertaluvun sateenkaaret taas ovat jo niin himmeita, ettei niita kaytannossa voida havaita, vaikka ne ovatkin havaitsijaan nahden painvastaisella suunnalla kuin aurinko.

Kun valo kokonaisheijastuu vesipisaran sisalla k kertaa, sen kulkusuunnan muutoskulma on kaikkiaan:

${\displaystyle \delta =2(\theta _{i}-\arcsin \left(\sin(\theta _{i})/n\right))+k(\pi -2\arcsin \left(\sin(\theta _{i})/n\right)).}$

missa ${\displaystyle \theta _{i}}$ on sateen tulokulma ja n veden taitekerroin. Heijastuneen sateen intensiteetti on suurimmillaan, kun valon tulokulma on

${\displaystyle \theta _{i}=\arcsin \left({\sqrt {\frac {(k+1)^{2}-n^{2}}{(k+1)^{2}-1}}}\right)}$

Jos talla ${\displaystyle \theta _{i}}$:n arvolla saatu kulkusuunnan muutos ${\displaystyle \delta }$ on itseisarvoltaan alle 90 astetta, sateenkaari on auringon puolella, kun taas jos se on tata suurempi mutta pienempi kuin 270 astetta, sateenkaari on painvastaisella puolella ja sen sade on 180° - ${\displaystyle \delta }$.

Kun veden taitekerroin on punaiselle valolle 1,330 ja violetille 1,344 ^[14] , saadaan naista eri kertalukujen sateenkaarten yla- ja alareunojen sateille teoreettisesti seuraavat arvot:

Moninkertaiset sateenkaaret

Moninkertaisia sateenkaaria voi syntya, kun valonlahteita on useampia. Toinen valonlahde syntyy yleensa heijastuksen aikaansaamana. Heijastus tapahtuu yleensa veden pinnasta. Veden aaltoilu saa todennakoisesti aikaan erikoisefekteja. On havaittu mm. kaaren juuresta nousevia pilareita.

Ylimaaraiset sateenkaaret

Heijastuskaarien lisaksi on havaintoja myos valkoisista kaarista, jotka ovat olleet sivussa normaalista sateenkaaren paikasta, jolloin kaaren tyvi on ollut keskella paakaarta tai kaari on ollut valonlahteen puolella. Tallainen ilmio on hyvin vaikeaselitteinen, jos havainnot edes pitavat paikkaansa.

Liikkuvat kaaret

Sateenkaari on joskus nahty liikkuvan havaitsijan ja valonlahteen suhteen. Tallaista luonnonlakien vastaista ilmiota on hankala selittaa, mikali havainnot ovat luotettavia.

Taivaan varit sateenkaaren eri puolilla

Joskus on myos raportoitu epatavallisista vareista kaarien valissa tai ulkopuolella. Kyseessa saattaa olla vain suurempi heijastuma paakaaren alapuolella, jolloin myos Aleksanterin vyo on tummempi. Auringon ollessa lahella horisonttia muuttuvat taivaan varit myos vastapuolella.

Purppuraiset sateenkaaret

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

Sateet kaaren poikki

Sateenkaaren poikki menevia sateita on havaittu silloin talloin myos Suomessa. Silloin kyseessa ovat vastapilvi-, tai ruskosateet.

Ukkosen ja salaman vaikutus sateenkaareen

Ukkosen jyrinan vaikutuksesta sateenkaareen on yksi havainto vuodelta 1908 Suomesta, jolloin havaittiin kaaren varien sekoittuvan ja muuttuvan epateraviksi, seka tarisevan jyrinan aikana. Selitys saattaa olla pisaroiden pintajannityksen muuttuminen ukkosen takia.

Interferenssikaaret

Interferenssikaaret syntyvat pisarassa eri reittia kulkeneiden, mutta samaan suuntaan poistuvien sateiden aallonhuippujen osuessa paallekkain, jolloin valo vahvistuu, tai eri kohtiin, jolloin valo heikkenee.

Muodoltaan vaaristyneet sateenkaaret

Sateenkaaressa olevia muodon vaaristymisia on havaittu yleensa sateenkaaren ollessa hyvin matalalla. Aivan horisontissa esiintyneissa ilmioissa myos ilmakehan taittaminen on voinut vaikuttaa vaaristavasti.

Sateenkaari on vanha toivon symboli. Vanhassa testamentissa sateenkaari on liiton merkki, jonka Jumala asetti taivaalle vedenpaisumuksen jalkeen lupaukseksi siita, ettei moinen toistu ( Nooan liitto ) ^[12] . Sateenkaaren varit ovat punainen, oranssi, keltainen, vihrea, sininen, indigo ja violetti (lila). Saduissa sateenkaaren paassa voi olla aarre.

Sateenkaarilippua kaytetaan maailmanlaajuisena symbolina edustamaan seksuaali- ja sukupuolivahemmistoja ja sanasta sateenkaari on johdettu seksuaali- ja sukupuolivahemmistojen konsepteja kasittelevaa terminologiaa kuten sateenkaariperhe ja sateenkaarimessu .

• Halo

Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Sateenkaari .

• Kristina Heikkinen: Sateenkaari, Pro gradu, Oulun yliopisto, Fysikaalisten tieteiden laitos, Oulu 2008 ( Arkistoitu ? Internet Archive) (pdf)
• Tiede.fi: Tapio Tuomi, Mika maaraa sateenkaaren koon?
• Tahtitieteellinen yhdistys Ursa ry: Sateenkaaret