Tähtitiede:valon kulku vesipisarassa

    Tieteen termipankista

    valon kulku vesipisarassa

    valon kulku vesipisarassa
    Selite Täydellinen selitys kaikille vesipisaroiden, jääkiteiden ja pölyhiukkasten aiheuttamille ilmiöille saadaan sirontateoriasta. Pallomaisten vesipisaroiden tapauksessa sirontakuviossa esiintyvät maksimit vastaavat juuri sateenkaaria. Voimakas maksimi on suunnassa, joka muodostaa 42°:n kulman valon tulosuunnan kanssa. Tämä nähdään kirkastumana, joka ympäröi havaitsijan varjoa 42°:n etäisyydellä. Kaaren sisäpuolelta siroaa myös jonkin verran valoa havaitsijaa kohti, mutta ulkopuolelta erittäin vähän. Siksi kaaren sisäpuoli näyttää kirkkaammalta kuin kaaren ulkopuolinen lähialue.

    Sirontateorian matematiikka on melko työlästä, joten emme puutu siihen tässä. Perusteellinen esitys asiasta on esimerkiksi Van de Hulstin kirjassa Light Scattering by Small Particles. Sateenkaaren synty voidaan ymmärtää myös paljon helppotajuisemman geometrisen optiikan avulla. Kyseessä on kuitenkin likimääräinen teoria, joka ei pysty selittämään kaikkia yksityiskohtia, kuten interferenssikaaria.

    Ylemmästä kuvasta käy ilmi valon heijastuminen ja taittuminen vesipisarassa. Oikealta tulevasta valonsäteestä osa taittuu pisaran sisään. Säde etenee pisaran sisällä heijastuen sen pinnasta. Jokaisessa heijastuksessa osa valosta taittuu ulos. Kerran heijastunut valo taittuu ulos pisteessä C ja aiheuttaa pääsateenkaaren. Kaksi kertaa heijastunut säde taittuu ulos pisteessä D ja aiheuttaa sivusateenkaaren. Sininen valo taittuu enemmän kuin punainen. joten sininen sateenkaari muodostuu punaisen sisäpuolelle.

    Alemmissa kuvissa on jäljitetty joukko pisaran eri kohtiin osuvia säteitä. Kuvasta nähdään, että kerran heijastuneen valon suunta poikkeaa korkeintaan 42° valonlähteen suunnasta. Tällaisen kartion ulkopuolelle heijastunutta valoa ei pääse. Tämä selittää, miksi sateenkaaren sisäpuolinen alue on ulkopuolista kirkkaampi: lisävalo on juuri sadepisaroista heijastunutta valoa. Heijastuvan valon säteitä on tavallista tiheämmässä 42° rajan tuntumassa. Niinpä tämä suunta näkyy ympäristöä selvästi kirkkaampana eli juuri sateenkaarena.

    Vesipisaran taitekertoimesta riippuu, miten paljon pisaraan osuva valo taittuu. Keltaiselle valolle veden taitekerroin on n=1.33. Punaiselle eli pitempiaaltoiselle valolle taitekerroin on pienempi. Snellin lain mukaisesti säteen suunta taittuu silloin vähemmän. Tuloksena on rajan siirtyminen hieman ulommas. Vastaavasti lyhytaaltoinen sininen ja violetti valo taittuu voimakkaammin, ja raja on hieman pienempi kuin 42°. Näin eri tavoin taittuvat värit muodostavat kukin oman sateenkaarensa, jolla on värille ominainen säde. Tuloksena on eri värisistä sisäkkäisistä ympyrän kaarista muodostuva värikäs sateenkaari. Sisimpänä on eniten taittuneen valon muodostama violetti kaari.

    Auringon pinnan eri pisteistä saapuvat valonsäteet aiheuttavat oikeastaan kukin oman sateenkaarensa. Koska Aurinko ei näy pistemäisenä, se tuottaa joukon eri paikoissa olevia sateenkaaria, jotka menevät osittain päällekkäin. Siksi värit sekoittuvat hieman toisiinsa. Sama koskee muitakin Auringon tai Kuun aiheuttamia valoilmiöitä, haloja ja kehiä.

    Jos valonsäde osuu aivan pisaran reunaan, se heijastuu kaksi kertaa ennen kuin pääsee pois pisarasta. Näistä kaksi kertaa heijastuneista säteistä muodostuu sivusateenkaari.

    Pisaran sisällä tapahtuvat heijastumiset eivät ole kokonaisheijastuksia, kuten joissakin fysiikan oppikirjoissa on virheellisesti väitetty. Vain osa valosta heijastuu osan taittuessa ulos pisarasta. Näin heijastuvan säteilyn voimakkuus heikkenee jokaisessa heijastuksessa, ja kaksi kertaa heijastunut valo on selvästi himmeämpää kuin kerran heijastunut. Siksi sivusateenkaari on paljon heikompi kuin pääsateenkaari, eikä sitä usein näy lainkaan.

    Erikieliset vastineet

    light propagation in a water dropenglanti (English)

    Käytetyt lähteet

    Zubenelgenubi

    Alaviitteet

    Lähdeviittaus tähän sivuun:
    Tieteen termipankki 28.3.2024: Tähtitiede:valon kulku vesipisarassa. (Tarkka osoite: https://tieteentermipankki.fi/wiki/Tähtitiede:valon kulku vesipisarassa.)