Maailman suurin linssi

Maailman suurin linssi JenniElinaHolopainen 19.3.2006Joensuu

Taivaalla kauneimpia ilmiöitä silmiimme luo ”runosorminen Eos”, Aurinko. Nämä näytelmät ovat huimaavan kauniita, mutta harva kuitenkaan osaa katsoa napaansa korkeammalle. Sateenkaari on jokaiselle tuttu, samaa sukua oleva glooria tuntemattomampi. Näissä molemmissa näemme solipsismin ilmentymän, sillä ne ovat luodut yksin meidän silmille.

Ilmakehän massasta peräti 95% on 20 kilometrin paksuisessa kerroksessa. Tässä kerroksessa esiintyvät lähes kaikki säähän liittyvät ilmiöt. Ilmakehä on klassinen esimerkki kaoottisesta järjestelmästä, jonka tilaa ei voi ennustaa kovinkaan pitkäksi ajaksi. Ilmakehän ansiosta me haistamme ja kuulemme, sekä olemme suojassa varralliselta säteilyltä avaruudesta. Ilmakehä toimii kuin linssi taittaen valoa, ja tätä ilmiötä kutsutaan refraktioksi. Ilmakehä aiheuttaa taivaan sinen, sillä kaasun hiukkaset sirottavat Rayleigh'n sironnan mukaisesti kääntäen verrannollisesti aallonpituuden neljänteen potenssiin, ja näin lyhytaaltoisin sininen siroaa kaikkein eniten. Auringonlasku taasen näyttää punaiselta, sillä pitkäaaltoista punaista siroaa vähemmän näkösäteeltä kuin muita aallonpituuksia. Jos ilmakehää ei olisi, olisi meillä pimeys sillä sekunnilla kun Aurinko katoaisi horisonttiin. Tähdet tosin näkyisivät oivallisesti, sillä yö ei ole koskaan täysin pimeä molekyylien rekombinaatioiden vuoksi.

Valonsäde kulkee suoraan niin kauan kuin väliaineen taitekerroin pysyy vakiona. Vetovoimakenttä taittaa myös valoa, mutta siitä ei tarvitse huolehtia tässä kontekstissa. Taitekertoimen muuttuessa säteen suunta muuttuu. Tämä tapahtuu Snellin lain mukaisesti, jolloin valo kulkee lyhintä mahdollista reittiä. Se ilmaistaan matemaattisesti niin, että väliainekerroin n1*sin valonsäteen tulokulma = n2*sin valonsäteen taittunut kulma. Kun n2>n1, täytyy Snellin lain mukaan sin kulma2< sin kulma1. Tämä sama voidaan johtaa Fermat´n periaatteesta. Tämän taipumisen vuoksi kaukainen kohde näkyy todellista korkeammalla. Ilman taitekerroin riippuu ilman lämpötilasta, paineesta ja tiheydestä. Horisontissa ilman taitekerroin on 35', joten Auringon koskettaessa horisonttia, on se itseasiassa jo horisontin alapuolella. Refraktio vaikuttaa muutamia minuutteja lasku-, ja nousuaikoihin.

Erilämpöiset ilmakerrostumat vaikuttavat linssien tavoin valon kulkuun, eli kohteesta tuleva valo heijastuu ja vääristyy. Näin syntyy kangastuksia. Valo taittuu Snellin lain mukaisesti kohti kylmempää, eli tiheämpää ilmaa. Asfaltin päällä näemme kuumalla ilmalla taivaan kuvajaisen. Voimme nähdä merellä myös heijastuman taivaanrannan takaa, ja tätä kutsutaan yläpuoliseksi heijastumaksi. Ilmakerros heijastaa silmiimme piilossa olevan kohteen hahmon peilin tavoin.

Kaukainen saari saattaa joskus näyttää horisontissa siintävältä kaupungilta, ja tätä utopiakaupunkia kutsutaan Fata Morganaksi. Nimen etymologia tulee keskiaikaisesta tarustosta, jossa kuningas Arthurin sisar Morgan Le Fay oli oppinut taikakeinoja Merlin velholta. Kun ritari Orlando yritti lähestyä Morgania, loihi tämä saaren hämätäkseen ritarin huomion, ja Morgan pakeni.

Yksi mielenkiintoinen refraktion aiheuttama ilmiö on vihreä välähdys. Sanotaan, että ken sen näkee, ei joudu enää elämään vailla lempeä. Tämä vihreä välähdys kestää noin sekunnin horisonttiin katoavan Auringon yläreunassa. Koska refraktio riippuu valon aallonpituudesta, muodostuu Auringosta erivärisiä kuvia. Näemme alareunassa punaisen Auringon, ja yläreunassa sinivihreän. Näkyäkseen tämä vihreä välähdys vaatii puhtaan tuulettoman ilman. Normaalisti Auringossa on aina tämä vihreä yläreuna, minkä huomaa omia laskevan Auringon valokuviaan tarkastelemalla lähempää. Vasta taivaanrannan kangastuksessa se saa hetkellisen loisteen jäädessään ilmakerrokseen kellumaan – ehkä suomaan jollekin ikuisen lemmen.

Tähtiä kutsutaan jalokiviksi niiden tuikkimisen tähden. Eri lämpöiset ilmakerrokset taittavat valoa, joka synnyttää tähtien tuikeen, eli skintallaation. Tuike on voimakkainta siellä missä kalliot tai asutukset hohkaavat lämpöä ilmaan ja synnyttävät pyörteitä. Tämä tuike on kaikintavoin huono asia tähtitieteilijälle, mutta tavalliselle katsojalle romanttinen tekijä. Tuike näkyy kiikareilla tähtiä katsottaessa: kuva ei tahdo pysyä paikoillaan. Näin ymmärrämme miksi tähtitieteilijät eivät romantisoidu ilmiön edessä. Tässä yhteydessä käytetään termiä seeing - karkeasti ottaen yhden kaarisekunnin seeing on erittäin hyvä. Seeingin vuoksi planeetojen yksityiskohdat leviävät valokuvissa epäselviksi tuhruiksi, vaikka silmin näkyvätkin melko hyvin.

Joskus taivaalla näemme kuin Jumalan kahvimukista jääneen renkaan. Tämä on halo, joka todennäköisesti on 22 asteen rengas. On olemassa 70 erilaista haloa, joista noin kahdeksan näemme täällä Suomessa jokseenkin taajaan. Halot syntyvät valon taittuessa ja heijastuessa jääkiteistä. Yleisimmin halot syntyvät 5-10 kilometrin korkeudella olevissa harso-, ja untuvapilvissä, jotka peittävät taivaan valkeana huntuna. Talvella pakkaspäivinä leijailevat jääkiteet synnyttävät haloja lähes käsinkosketeltaviksi. Halot voivat syntyä eripuolille taivasta, ja ne voivat esiintyä suuressa jääkidepilvessä pitkäkestoisena useampien halojen näytelmänä, tai pienessä pilvessä muutaman hetken sivuaurinkona. Jotkin halot ovat valkeita, toiset värikkäitä kuin sateenkaaret. Halon värikkyys on merkki siitä, että valo on kulkenut jääkiteen läpi ja hajonnut spektriksi. Yleisimpiä havaittuja haloja on 22 asteen rengas, sivuauringot, 22 asteen sivuavat sekä auringonpilari. Parhainta aikaa halojen havaitsemiseen on kevät, joten armas lukija kerkeää vielä valmistaa itseään havainnointia varten! Talviaikaan myös Kuu aiheuttaa haloja, jotka ovat näkemisen arvoisia. Joskus näemme niinsanottuja feikkirevontulia. Nämä syntyvät keinovaloista kaupungilla, ja ilmiön takana on sama mekanismi kuin auringonpilarissakin, eli laattamaiset kiteet heijastavat valoa katsojan silmiin, ja syntyy pystypilari. Nämä vain näyttävät joskus vellovalta revontulilakanalta. Vaikka pilari näyttää värikkäältä, nämä laattakiteet ainoastaan heijastavat valoa, eivät hajota sitä spektriksi.

Haloja synnyttäviä jääkidemuotoja on pääasiassa 3 erilaista: laattakiteet, pylväskiteet ja pyramidikiteet. Näiden kiteiden asennot, valon kulku kiteen sisällä, sekä Auringon korkeus määräävät, minkälaisia haloja näkyy.

”Miten niin 22 asteen regas?” kysyi eräs henkilö. ”Mistä se on 22 asteen etäisyydellä?” Nyt palaamme siihen alun solipsismiin. Me havaitsijat luomme nämä valoilmiöt niitä katsomalla. Ne ovat aste-etäisyydellä minun ja Auringon luoman kulman kanssa. Valo taittuu niistä kyseisistä kiteistä parhaiten juuri sillä asteleveydellä minun silmiini. Joskus voin nähdä 46 asteen etäisyydellä sateenkaaren värisen halon, joka on 46 asteen ylläsivuava. Tai, jos taivas nauraa tällä etäisyydellä, on se zeniitinympäristönkaari.

Fotoni näyttää muuttavan suuntaansa hipaistessaan hiukkasta. Tosiasiassa fotoni tuhoutuu, ja syntyy toinen erisuuntaan liikkuva fotoni. Sironnassa säteilyn aallonpituus ei muutu, mutta kohteesta tulevan säteilyn määrä näyttää heikkenevän, koska säteily siroaa eri suuntiin. Sironnan voimakkuus riippuu sirottavien hiukkasten koosta suhteessa säteilyn aallonpituuteen. Kun hiukkaset ovat aallonpituuden kymmenesosan luokkaa, siroavat hiukkaset kääntäen verrannollisesti aallonpituuden neljänteen potenssiin. Tällöin hiukkasten koolla ei ole merkitystä, sillä säteily ei "näe" niiden kokoa. Tätä kutsutaan Rayleigh´n sironnaksi. Sironta tapahtuu kaikkiin suuntiin, tehokkaimmin eteen ja taakse. Kun hiukkasten koko kasvaa aallonpituutta suuremmaksi, ei sironta riipu enää aallonpituudesta, vaan suurin osa sironnasta tapahtuu eteenpäin. Ilmiö on tuttu, kun ilmassa oleva pöly näkyy hyvin vastavaloon, mutta myötävaloon se ei juuri näy. Sironta aiheuttaa myös diffraktiokuvion valonlähteestä, eli hiukkanen aiheuttaa diffraktiorenkaita. Sironnan ansiosta meillä on myös hyvin kaunis ilmaperspektiivi, joka aiheuttaa sen, että kaukana olevat kohteet näyttävät sinisemmiltä. Pilvet näyttävät enimmäkseen valkoisilta, koska ne sirottavat tasaisesti kaikkia aallonpituuksia. Eräs pilvissä näkyvä päätähuimaavan kaunis ilmiö onkin väripilvet. Värit syntyvät valon sirotessa hyvin pienistä pilvipisaroista. Väriin vaikuttaa valon sirontakulma, eli kulma Aurinko–pilvi-havaitsija. Mitä tasaisemmin pisarat ovat pilvessä, sitä kirkkaammin värit tulevat esiin. Kauneimmat värit nähdään jääkiteissä palleropilvissä, sekä vesipisaroita sisältävissä hahtuvapilvissä. Myös täysikuu aiheuttaa väripilviä.

Sateenkaari näkyy 42 asteen kaarena (lisähuomautuksena numerosarjan 42 olevan vastaus kaikkeen "Answer to Life, the Universe, and Everything ":Deep Thought). Sateenkaaren voi nähdä lentokoneesta kokoympyränä, mutta muuten maantasalla liikkuminen 'pakottaa' meidät ihailemaan tuota salaperäisen lukusarjan omaavaa kaarta vain aamu- ja iltapäivisin, koska kaari on muulloin horisontin alapuolella. Talvella voimme nähdä kaaren jäähileisenä keskipäivälläkin, mutta minä en ole vielä moista päässyt todistamaan. Sateenkaaren kaverina voimme nähdä 51 asteen sivusateenkaaren, jonka värit ovat päinvastaisessa järjestyksessä. Näiden kahden kaaren väliin jäävä taivas on muuta taivasta tummempi. Syy lukuun 42 on sirontateoriassa, jossa pallomaisen vesipisaran voimakas maksimi on juuri tämän asteluvun kohdalla, ja tällä etäisyydellä näemme aina sateenkaaren, kuljimme kuinka päättäväisesti tahansa aarretta kohden. Sisimpänä kaaressa on eniten taittuneet värit ja uloimana vähiten, mikä synnyttää silmin aistittavan värikaaren (värithän syntyvät armoitettuihin tappisoluihimme silmissä eri aallonpituuden omaavista aalloista). Hyvin aikaisin tai myöhään nähtynä sateenkaari on vain punainen, sillä silloin ilmakehästä on sironneet muut värit. Jos valonsäde osuu aivan pisaran reunaan, heijastuu tämä kaksi kertaa pisaran sisällä ja muodostaa 51 asteen kaaren. Koska kaksi kertaa heijastunut säde on "vuotanut" näkyy tämä sivusateenkaari himmeänä, yleensä ei laisinkaan.

Myös ääni voi taittua eri ilmakerroksissa valon tavoin. Tämä voi synnyttää hiljaisuuden vyöhykkeitä, kun lämmin alue nostaa äänen yläilmoihin, ja stratosfäärin kerros heijastaa sen takaisin. Näin saattaa jäädä väliin jopa parinkymmenen kilometrin hiljainen pätkä. Jokaiselle on tuttu se tilanne, kun tyynellä ilmalla ääni kuuluu kilometrikaupalla järven yli. Tämä syntyy äänen heijastuessa vuoroin veden pinnasta ja vuoroin lämpimästä ilmakerroksesta, eikä menetä juurikaan energiaansa päästen hyvinkin pitkälle.

Meillä on taivaalla yksin meille luotuja aarteita. Jos vieressäsi joku toinen katsoo samaan suuntaan, katsoo hän ihan omaa näkymäänsä, sinä et sitä näe. Sinulla on ihan oma. Ilmakehämme linssiominaisuus, sadepisarat, sironnat, jääkiteet, nämä kaikki luovat meille aarteita. Emme saa niitä koskaan kiinni, emme koskaan löydä aarretta siellä sateenkaaren päässä, mutta tarvitseekokaan, sillä nehän ovat yksin meille, aina vaan kun viitsimme avata silmämme.

Lähteenä:

Ursa, Ilmakehä ja sää: Karttunen, Koistinen, Saltikoff, Manner.