Kehät ja väripilvet – ilmiöistä ja synnystä

Väripilviä äitienpäivänä 14.5.2017, kuva: Veikko Mäkelä.

Veikko Mäkelä:

Kehät kuuluvat yleisimpiin ilmakehän optisiin ilmiöihin. Väripilvet ovat niille sukulaisilmiö. Molempien synnylle yhteistä on valon diffraktio ja interferenssi ilmakehän partikkeleista.

Kehät ilmiönä

Kuun kehä 2.8.2012, kuva: Veikko Mäkelä.

Kehät ovat yksi yleisimmistä ilmakehässä näkyvistä optisista ilmiöistä, ainakin sellaisista, joista tehdään säännöllisiä havaintoja. Kehä on ilmiasultaan valkea kiekko Auringon, Kuun tai muun valonlähteen ympärillä, jolla on punertava ulkoreunus ja parhaimmillaan värivyöhykkeitä sen ulkopuolella. Maallikoilla ja joskus riviharrastajillakin menevät termit kehä ja halo sekaisin. Kehiä nimitetään usein haloiksi, vaikka jälkimmäisissä on kyse jääkiteiden aiheuttamista renkaista, kaarista ja valoläikistä.

Kuun kehä 24.3.2013, kuva: Veikko Mäkelä.

Auringon halo 17.4.2017, kuva: Veikko Mäkelä.

Yleisimmät kehät syntyvät pilvien vesipisaroissa. Näitä nähdään melkein kaikissa riittävän ohuissa pilvisuvuissa, joista Auringon tai Kuun valo kuultaa läpi. Voimakkaimmat kehät nähdään stratocumuluksissa, värikkäimmät altocumuluksissa. Parhaimpia ovat nuoret pilvet, joissa pisarakoko on vielä suhteellisen samanlainen. Ala- ja keskipilvien ohella kehiä nähdään myös sumussa ja jääkiteistä muodostuneissa yläpilvissä, kuten cirruksissa ja cirrocumuluksissa.

Kehäilmiöt ovat moninaisempia kuin usein kuvitellaan. Vesipisaroiden ja jääkiteiden ohella monet muut ilmakehän partikkelit voivat synnyttää kehiä. Keväisin ja alkukesästä nähdään siitepölyhiukkasten synnyttämiä kehiä. Erilaiset itiöt, kuten loppukesän kuusensuopursuruoste, voivat synnyttää kehäilmiöitä. Myös pöly sekä metsäpalojen tai tulivuorien tuhka aikaansaavat kehiä. Viimemainittujen synnyttämää suurikokoista diffuusia kehää kutsutaan Bishopin renkaaksi.

Kehän rakenne, taustakuvana Kuun kehä 25.1.2013 HDR-tekniikalla. Kuva: Juha Ojanperä.

Kehän rakenne

1. vyöhykkeen eli aureolan muodostaa valkea, kellertävä, joskus sinertävä, sisäosa ja sitä reunustava punertava tai rusehtava ulkoreunus

2. ja ulommat vyöhykkeet ovat edellisen ulkopuolella olevia värirenkaita, joissa punainen muodostaa aina ulkoreunan

Aureola-termistä on eri lähteissä poikkeavia käsityksiä. Minnaert käyttää koko 1. vyöhykkeestä nimitystä aureola. Joissakin lähteissä sillä ymmärretään vain kehän sisintä valkeaa osaa. Joskus aureolana ymmärretään vain sellainen vaalea hehku valonlähteen ympärillä, jolla ei esiinny lainkaan punertavaa ulkoreunusta.

Värivyöhykkeitä kutsutaan myös kehän kertaluvuiksi.

Väripilvet – kehien sukulaisia

Väripilvet on kehien sukulaisilmiö. Siinä missä kehien värit ovat ryhmittyneet symmetrisesti valonlähteen ympärille, väripilvissä ne esiintyvät vapaammassa järjestyksessä.

Väripilviä 19.9.2016, huomaa rengasmaiset värivyöhykkeet, kuva: Veikko Mäkelä.

Monesti värit eivät ole sijoittuneet aivan mielivaltaisesti, vaan esiintyvät värinauhoina tai pilven muotoa mukailevina renkaita. Kehien ja väripilvien sukulaisuus on helppo ymmärtää tilanteissa, joissa kehän säännöllinen muoto alkaa muuttua pilvien reunoja mukaileviksi rakenteiksi. Kehiä ja väripilviä voi esiintyä yhtä aikaa melko useinkin.

Väripilvissä esiintyy tyypillisesti tiettyjä värisävyjä. Vaaleanpunainen (purppura) sekä turkoosi on yleisimpiä, mutta väriskaala on laaja: punaista, keltaista, vihreää, sinistä, lilaa, violettia.

Pilven reunan punertumista lähellä Aurinkoa, esimerkiksi paksuissa cumuluksissa, ei kutsuta väripilviksi, vaan sitä on pikemminkin pidettävä kehän ulkoreunana.

Väripilvet esiintyvät melko lähellä valonlähdettä, korkeintaan kymmenen asteen päässä. Ajoittain väripilviä on kuitenkin nähty jopa kymmenien asteiden etäisyydellä valonlähteestä. Pääasiassa väripilviä nähdään Auringolla, joskus myös Kuulla.

Kuten kehissä, nuoret pilvet, joissa pisarat ovat samankokoisia, ovat parhaimpia. Näyttävimmät väripilvet nähdään altocumuluksissa.  Erikoistapauksena näistä mantelipilvet (altocumulus lenticularis).

Tyypin II helmiaispilviä, 31.12.2016, kuva: Matias Takala.

Väripilvien kanssa samankaltaisia ilmiöitä on tyypin II helmiäispilvet. Niissä syntytapa on sama, mutta esiintymiskorkeus on merkittävästi erilainen helmiäisten esiintyessä stratosfäärissä 15–30 km:n korkeudella. Kokemattomalle näiden erottaminen voi olla haastavaa. Helmiäiset näkyvät kuitenkin usein vasta auringonlaskun jälkeen ja aina talvikuukausina.

Kehien syntymekanismista

Kehien ja väripilvien keskeisin syntytekijä on valon diffraktio ilmakehän pienistä partikkeleista. Näitä voivat on mainitut pilvi- ja sumupisarat, jääkiteet, siitepölyhiukkaset, itiöt ja muut pienet kasvien osat, pöly- sekä tuhkahiukkaset.

Auringosta tai muusta valonlähteestä tulevaa aaltorintamaa voidaan pitää varsin säännöllisenä. Kun tällaisen eteen asetetaan este, se aiheuttaa aaltorintamaan kaareutuvan poikkeaman (ks. kuva). Saman aiheuttaa myös pyöreä aukko aaltorintaman eteen asetetussa varjostimessa.

Aaltorintaman kaareutuessa hiukkasen vastakkaisilta puolilta aallot kohtaavat esteen takana ja tietyissä paikoissa aallonhuiput vahvistavat tai heikentävät toisiaan.  Kun este on valonlähteen ja havaitsijan välissä, maksimit ja minimit synnyttävät rengasmaisia kuvioita valolähteen ympärille.

Pisaran aiheuttama häiriö aaltorintamaan aiheuttaa diffraktioilmiön. Kaareutuvien aaltorintamien huiput interferoivat keskenään ja synnyttävät kirkastumista ja himmentymistä muodostuvia rengasmaisia kuvioita pisaran taakse. Kuva: Veikko Mäkelä.

Hiukkaskoko ja aallonpituus ratkaisevat

Diffraktiokuvion koko riippuu sirottavan hiukkasen koosta.  Mitä pienempiä hiukkaset ovat, sitä suurempia ovat kehät, ja päinvastoin.

Kun kehän koko mitataan, on hiukkaskoko laskettavissa likimääräisesti kaavoilla:

Hiukkaskoko [mikrometriä] = 60 / aureolan säde [Auringon/Kuun halkaisijaa]
Hiukkaskoko [mikrometriä] = 30 / aureolan säde [astetta]

Tai jos tiedetään hiukkaskoko, saadaan syntyvän kehän koko seuraavasti:

Kehän säde [Auringon/Kuun halkaisijaa] = 60 / hiukkaskoko [mikrometriä]
Kehän säde [astetta]                   = 30 / hiukkaskoko [mikrometriä]

Ohessa muutamia tyypillisiä hiukkaskokoja ja kehien säteitä:

Hiukkanen                Hiukkasen    Kehän (aureolan)
                             koko           säde

Siitepölyhiukkaset         20–60 μm       0,5–1,5°
Pilvi- ja sumupisarat      10–15 μm         2–3° 
Tulivuorituhka                ≥1 μm         ≥20°

Kehän kokovertailu, 20 ja 10 mikrometrin hiukkasilla, kuva: IRIS-ohjelma, Veikko Mäkelä

Pallomainen hiukkanen aiheuttaa pyöreän kehän.  Vaakasuunnassa soikeat hiukkaset (esimerkiksi siitepöly) synnyttävät pystyelliptisen kehän. Pitkulainen hiukkanen on vaakasuunnassa leveämpi ja aiheuttaa siinä suunnassa pienemmän kehän. Pystysuunnassa hiukkanen on kapeampi ja tuloksena on isompi kehä. Eli tulee pystysoikea muoto.

Pallosymmetriasta poikkeava hiukkanen aiheuttaa hiukan monimutkaisemman diffraktiokuvion, esimerkiksi havupuiden siitepölyistä tunnetut lisäkirkastumat. Epäsäännölliset hiukkaset, kuten pöly, aiheuttavat hyvin monimutkaisia diffraktiokuvioita ja lopputuloksena on vain diffuusi aureola ilman värejä.

Kehän terävyys, kun keskimäärin 10 mikrometrin hiukkasten populaation hajonta on 0, 10, 20 ja 30 %. Kuva: IRIS-ohjelma, Veikko Mäkelä.

Kehät eivät ole terävärajaisia kiekkoja.  Jos aiheuttajana on joukko keskenään samankokoisia hiukkasia, kaikki synnyttävät samankokoisen kehän ja summana on hyvin kehittynyt ilmiö.  Kun kokojakauma on vaihteleva, seurauksena on monenkokoisia kehiä päällekkäin ja ilmiasu muuttuu epäterävämmäksi. Vielä noin 10 % hajonta kokojakaumassa synnyttää suhteellisen terävän kehän, mutta siitä ylöspäin ulkonäkö muuttuu epäselvemmäksi.

Diffuusin ulkoasun synnyttää myös paksumpi pilvi, sillä valo siroaa monta kertaa eri pisaroista ennen tuloaan havaitsijan silmään. Lisäksi se, etteivät Aurinko ja Kuu ole pistemäisiä valonlähteitä, aiheuttaa kehän reunoille pientä epäterävyyttä.

Pisaran diffraktiokuvio punaisen, keltaisen ja violetin värisellä valolla sekä vasemmassa yläsektorissa eri värien yhdistelmä. Kuva: IRIS-ohjelma, Veikko Mäkelä.

Kun tarkastelemme samankokoisia hiukkasia, yksittäisen värin muodostaman diffraktiokuvion koko riippuu valon aallonpituudesta. Punaisen muodostama kuvio on suurin, violetin pienin.

Kun laitamme päällekkäin kaikki värit, muodostuu kehälle tyypillinen värivyöhykejako. Punainen on uloimmassa reunassa, koska sen aiheuttaman kuvion ulkoreuna ulottuu muita värejä laajemmalle. Aureolan valkea sisäosa selittyy sillä, että kaikkien värien kuviot menevät pienimmillä kulmilla päällekkäin (ks. kuva).

Väripilvien synnystä

Väripilvien syntytapa on periaatteessa sama kuin kehillä. Pisaroissa tapahtuu diffraktiota, jonka synnyttämä interferenssi vahvistaa värejä.  Väripilvissä synty liittyy hyvin samankokoisten pisaroiden esiintymiseen pilvissä vyöhykkeittäin. Esimerkiksi pisarakoko muuttuu asteittain pilven reunalta sisemmäksi mentäessä.

Parhaimpia pilviä ovat vastikään syntyneet pilvet, joissa pisarakokojen populaatiot ovat alueittain vielä yhtenäisiä, eikä kokojakauma ole sekoittunut liikkeen ja pisaroiden keskinäisten törmäyksien vaikutuksesta.

Kaukana Auringosta näkyvien väripilvien pisaroiden täytyy olla poikkeuksellisen pieniä, koska sirontakulma on suuri.

Värivyöhykkeiden keskinäiseen sijaintiin vaikuttaa lähellä Aurinkoa etäisyys valolähteestä. Kauempana vyöhykkeiden sijainteja dominoi pisarakoko.

Väripilviä, 30.6.2016, kuva: Veikko Mäkelä.

IRIS-ohjelma

Atmospheric Optics -sivuston ylläpitäjä Les Cowley on tehnyt näppärän Windows-ohjelman erilaisten diffraktioilmiöiden (kehät, glooriat, sumukaaret) simulointiin.  Tämän artikkelin simulaatiokuvat on laadittu IRIS-ohjelmalla.

Ohjelma on ladattavissa ilmaiseksi Les Cowleyn sivustolta.

Linkkejä

Artikkeli perustuu kirjoittajan vuoden 2017 Ilmakehätapaamisessa pitämään esitelmään:
Esitelmän luentomateriaali (PDF)
Esitelmä videotallenteena (YouTube)

Les Cowley: Water Droplets

Lähteitä

Minnaert: Maiseman valot ja värit (Ursa 1987, 1996), s. 177–191, 241–242
Luomanen: Ilmakehän ilmiöt (Ursa 2016), s. 29–30, 55–60, 69–75
Karttunen–Koistinen–Saltikoff–Manner: Ilmakehä ja sää (Ursa 1997), s. 289–290, 302–306