Jaakobin tikapuut – sädeilmiöiden anatomiaa

Ilmakehän optiset ilmiöt 8.11.2015 3 Veikko Mäkelä

Heijastuneet ruskosäteet 21.4.2015. Kuva: Veikko Mäkelä.

Veikko Mäkelä:

Pilvisäteet, hämäränsäteet, sumusäteet, vastahämäränsäteet … ilmakehän optisten ilmiöiden sanasto vilisee erilaisia sädeilmiöiden nimityksiä. Kaikissa niissä on periaatteessa kyse samasta varsin yksinkertaisesta geometrisesta ilmiöstä, joka erilaisissa olosuhteissa esiintyy toisistaan poikkeavina ilmentyminä.

Valtaosalle ilmakehän optisten ilmiöiden tarkkailijoista lienevät tuttuja valonlähteestä ulospäin utuiselle taivaalle leviävät valosädekimput. Puolipilvisen päivän pilvisäteet ovat näistä yleisimpiä. Upeimmillaan niistä tulee taivaalle “raamatullinen” näkymä. Ilmiö tunnetaan monilla nimillä. Saksankielessä ilmiön nimi tarkoittaa “veden nostamista”. Hollannissa Auringon sanotaan seisovan jaloillaan. Englanninkielessä pilvisäteet tunnetaan “Jaakobin tikapuina” tai “enkelintikapuina”.

Säteitä nähdään ajoittain myös Auringon vastapuolella taivasta tai harvoin jopa koko taivaan yli kaareutuvina holveina.

Yksinkertainen geometrinen ilmiö

Kaikkien sädeilmiöiden taustalla on melko yksinkertainen geometrinen ilmiö. Säteiden syntymiseen tarvitaan kolme päätekijää:

1. Valonlähde

Valonlähteenä voi olla auringon- tai kuunvalo tai jopa keinovalo. Auringonvalo on toki voimakkainta ja yleisimmin sädeilmiöissä on kyse siitä. Kuunvalo on heijastunutta auringonvaloa, joten sen intensiteetti on selvästi pienempi, mutta ainakin pilvisäteitä on nähty kuunvalollakin. Keinovalolla on nähty vain maanpintaa lähellä olevia sumusäteitä.

2. Valoa sirottava väliaine

Säteiden näkymiseksi tarvitaan joku väliaine, joka sirottaa valonlähteestä tulevaa valoa. Väliaineena voivat olla sumupisarat, ilman vesihöyry, pöly tai ilmakehän molekyylit. Osittain sädeilmiöt erotetaan juuri eri väliaineiden mukaan. Sironta levittää valon tasaiseksi valaisevaksi matoksi.

3. Sirottavaan väliaineeseen varjoja heittäviä esteitä

Esteinä voivat olla pilvet, suuret maastomuodot, esimerkiksi vuoret, tai sumun tapauksessa puut, talot ja muut rakenteet. Esteet leikkaavat sirottavaan väliaineeseen varjoja. Säteet ovatkin siis varjoja, vaikka yleensä ilmiöksi kutsumme varjojen väliin jääviä valoisia alueita.

Koska valolähteinä Aurinko ja Kuu ovat meistä valtavan kaukana, ovat valonsäteet käytännössä yhdensuuntaisia. Perspektiivi-ilmiön vaikutuksesta yhdensuuntaiset valosäteet ja varjot näyttävät yhtyvän valolähteen suunnalla tai vastasäteinä täsmälleen vastakkaisella puolella. Keinovaloissa ei tätä perspektiiviä tarvita, vaan valonsäteet luonnostaan leviävät valonlähteestä eri suuntiin.

Kun havaintogeometriaan lisätään heijastava pinta, esimerkiksi järven tai meren pinta, saadaan säteisiin vielä lisävariaatio. Säteiksi siilautunut vedenpinnasta heijastunut valo nähdään heijastuneina säteinä ja joskus myös heijastuneina vastasäteinä. Meillä on siis neljänlaisia säteitä:

Normaalit säteet
Heijastuneet säteet
Vastasäteet
Heijastuneet vastasäteet

Sädeilmiöiden geometria

Oheisessa kuvassa on esitetty säteiden geometria neljällä Auringon korkeudella. Vaakarivit kuvaavat tiettyä korkeutta, kaksi ensimmäistä kuvaa on Auringon puolelta ja kaksi jälkimmäistä vastapuolelta taivasta. Aurinko on merkitty ympyrällä, ala-aurinkopiste isolla plus-merkillä (+), Auringon vastapiste rastilla (×) ja vasta-aurinkopiste pienellä plus-merkillä (+).

Tavalliset säteet yhtyvät Auringon/valonlähteen suunnalla.

Heijastuneet säteet ovat normaalisäteiden peilikuva horisontin suhteen ja ne näyttävät yhtyvän ala-aurinkopisteessä (eli pisteessä, joka saman verran horisontin alapuolella kuin Aurinko on sen yläpuolella). Auringon laskettua heijastuneita säteitä ei käytännössä esiinny. Teoreettisesti säteitä olisi mahdollista esiintyä, ainakin kun Aurinko on hyvin lähellä horisonttia ja sopivalla etäisyydellä on heijastava pinta.

Vastasäteet näyttävät yhtyvän täsmälleen vastakkaisella puolella Aurinkoa. Kannattaa huomata, että horisontin suhteen ne ovat samanmuotoisia kuin heijastuneet normaalisäteet. Auringon laskettua Auringon vastapiste nousee horisontin yläpuolelle ja sijaitsee Maan varjon (merkitty kuvassa tummansinisenä vyöhykkeenä) yläreunassa.

Heijastuneet vastasäteet näyttävät yhtyvän vasta-aurinkopisteessä (eli pisteessä, joka on vastaavalla korkeudella kuin Aurinko, mutta vastakkaisella puolella taivasta). Muodoltaan heijastuneet säteet muistuttavat normaaleja säteitä. Erotuksena on vain se, että valonlähde puuttuu yhtymäpisteestä. Huomattakoon, ettei Auringon laskettua heijastuneita vastasäteitä käytännössä näy.

Lisää säteistä

Koska sädeilmiöt ovat periaatteessa samanlaisia, niiden tunnistamisessa erehdytään jonkin verran. Myös ulkomaisessa kirjallisuudessa on pientä kirjavuutta nimityksissä. Eri sädeilmiöiden syntytavoissa on kuitenkin pieniä eroja.

Pilvisäteissä valoa sirottavana elementtinä toimii alailmakehän (troposfäärin) pöly ja vesihöyry. Nämä ovat sädeilmiöistä yleisimpiä, jopa niin yleisiä, ettei niistä kerätä havaintoja Taivaanvahtiin. Utuisessa ja kosteassa ilmanalassa pilvisäteet voivat olla todella näyttäviä.

Pilvisäteet voivat esiintyä myös heijastuneina säteinä, vastasäteinä ja jopa heijastuneina vastasäteinä. Vastapilvisäteiden eräänä erikoistapauksena ovat “sateenkaaren puolat” eli pääsateenkaaren sisäpuolella säteittäin kaaren keskipistettä kohti suuntautuvat pilvisäteet.

Ruskosäteet on erikoisnimitys pilvisäteille, jotka esiintyvät Auringon ollessa korkeintaan muutaman asteen horisontin yläpuolella tai juuri laskenut. Säteet suuntautuvat käytännössä alhaalta ylöspäin tai korkeintaan sivuille. Väri on selvästi jo ilta- tai aamuruskon värjäämä, keltainen, oranssi tai punaisenrusehtava.

Ruskosäteet sotketaan usein hämäränsäteisiin. On kuitenkin huomattava, että ruskosäteissä, kuten pilvisäteissä, valo sirottuu troposfäärin pölystä ja kosteudesta. Niinpä ruskosäteet voivat näkyä esimerkiksi pilviä vasten. Muutenkin alailmakehästä sirottunut valo on usein helposti tunnistettavissa.

Ruskosäteistä voi näkyä myös ainakin heijastuneita ja vastasädeversioita. Heijastuneista vastaruskosäteistä ei ole havaintoja, mutta teoreettisesti sellaiset ovat mahdollisia.

Sumusäteissä on sirottavana väliaineena sumun pisarat. Niinpä nämä säteet esiintyvät matalalla ja voivat näkyä myös keinovaloilla. Heijastuneet, vastasäteet ja heijastuneet vastasäteet ovat mahdollisia. Keinovaloissa kuvattuja vastasäteitä on näkynyt havaintoraporteissa.

Hämäränsäteet poikkeavat muista sädeilmiöistä siinä, että niissä auringonvalo siroaa stratosfäärin korkeudella olevista ilmakehän molekyyleistä. Siksi säteet näkyvätkin varjoina hämärän väreissä: normaalisäteet purppuravalossa ja vastasäteet Maan varjon päällä olevassa vastaruskossa. Vastarusko on näkyvissä auringonlaskusta noin Auringon korkeudelle –4°. Purppuravalo näkyy puolestaan Auringon korkeuksilla 0 .. –5°. Nämä ovat voimakkaimmillaan hiukan eri aikaan, joten vastahämäränsäteet ja hämäränsäteet ilmestyvät näkyviin hiukan eri aikaan. Ne ovat kuitenkin näkyvissä tovin yhtä aikaa ja parhaimmillaan voivat yhdistyä koko taivaan yli kulkeviksi holvikaariksi.

Koska hämäränsäteet syntyvät korkeammalla ilmakehässä, voivat varjoja synnyttävät pilvet olla toisinaan hyvinkin kaukana, jopa satojen kilometrien päässä havaintopaikasta. Niinpä on tilanteita, joissa taivas täysin selkeä ja silti säteitä voidaan havaita.