Vikerkaar seostub kahtlemata hoovihmade ja sooja aastaajaga. Vaid vähesed teavad, et vikerkaart võib näha ka talvel ja öösel kuupaistelise ilmaga (vt nt Hendrik Relve artiklit 2008. aasta juulikuu Horisondist "Victoria juga - maailma vägevaim veesein").
Pärast vihma rõõmustab värviline kaar ikka meie silmi. Kuid mis on vikerkaar? Miks see on ringikujuline ja kindla värvijärjestusega?
Tegemist on optilise nähtusega, millel on kindel värvide järjestus - vastavalt lainepikkuse kahanemisele: punane, oranž, kollane, roheline, sinine, tumesinine, violetne. Seega seitse värvust, kuid need pole sageli kõik korraga selgesti eristatavad, vaid üks või teine värvus võib-olla ülekaalus (erandid kinnitavad reeglit - vt http://www.24tundi.ee/?id=140617). Värvide jaotusel on ka sünoptiline väärtus - kui punase värvuse osakaal vikerkaares suureneb, võib oodata ilma halvenemist. Lihtsalt suurem punase värvuse osakaal ei tähenda midagi, vaid loeb selle osakaalu muutus. See on seletatav vihmapiiskade suuruse muutumisega.
Mõttele seostada vikerkaar valguse spektriga tuli 1666. aastal Isaac Newton. Vihmapiiskade asemel kasutas ta modelleerimiseks klaasprismat. Vastava artikli avaldas ta 1672. aastal. Vikerkaare olemuse üle mõtiskleti muidugi ka palju varem, sealhulgas tuli ette teaduslikku mõtlemist. Näitena võib tuua universaalse Hiina teadlase Shen Kuo, kes elas 11. sajandil ja arvas, et vikerkaar tekib siis, kui päikesevalgus siseneb läbi õhu langevatesse vihmapiiskadesse. Tänapäevase seisukohtadega võrreldes tuleb seda seletust pidada üpris täpseks.
Põhjuseks on vihmapiisad
Niisiis peitub vikerkaare tekkimise põhjus vihmapiiskades, mille valgus läbib. Niisama läbi veepiisa edasi-tagasi liikudes valgus ei murduks, kuid ühe korra läbi liikudes ilmnevad spektrivärvid, sest murdumisnurgad sõltuvad veidi valguse lainepikkusest. Lühema lainepikkusega valgus murdub rohkem kui pikema lainepikkusega valgus ja sellega ongi määratud värvide asukoht (järjestus) vikerkaares.
Kaar on tegelikult ring
Vikerkaart näeme maa pealt alati kaarena, see tähendab ringi sektorina. Tegelikult on vikerkaar ringikujuline, kuid alumine osa jääb silmapiirist allapoole. Seega - kõrgemast kohast või lennukist vaadates saab näha vikerkaart ka täisringina: vt nt http://1.bp.blogspot.com/_ovJS1Em-6dg/RcaiJ_kBhCI/AAAAAAAADFE/TWA9-HQ7ZI0/s400/fullCircleRainbow.jpg Kui päike asub kõrgemal kui 42 kraadi, ei saa vikerkaart maa lähedalt üldse näha, seega on vikerkaar juuni-juuli südapäeval Eestis nähtamatu, sest jääb allapoole horisonti. Kuskil kõrgemal seistes näeksime siiski pisut vikerkaare ülemist osa.
Vikerkaar 18. juuni keskpäeval Valaste
joal. Kuigi päike asub tunduvalt kõrgemal kui 42 kraadi, näeme vikerkaart
siiski, sest vaatleja on asunud sillal, mis on tõstnud ta horisondist tunduvalt
kõrgemale. Nähtav on siiski vaid vikerkaare ülemine osa. Foto: Jüri Kamenik
Millest sellised tähelepanekud ja seaduspärasused tulenevad? Kui eeldame, et vihmapiisk on täiesti ümmargune, siis muudab valgus suunda keskmiselt 138 kraadi (lühemad lainepikkused pisut rohkem kui pikemad, sellest ka keskmine). Vikerkaare keskpunkt asub täpselt antisolaarses punktis, st päikese vastaspunktis. Seega tekib vikerkaar 42 kraadi kaugusel antisolaarsest punktist, sest 180 - 138 = 42 kraadi. Ja me ei näe vikerkaart siis, kui päike on sellest nurgast kõrgemal: päikese vastaspunkt jääb siis horisondist enam kui 42 kraadi allapoole ja vikerkaare kõrgemgi serv jääb horisondist madalamale.
Vikerkaar 26. juuni päikeseloojangu ajal
Tallinnas Veerenni tänava kohal. Vikerkaare kõrgus maapinnast on ligi 42
kraadi, sest päikese vastaspunkt asub horisondi lähedal, teatavasti näeme
vikerkaart aga just 42 kraadi kaugusel antisolaarsest punktist. Huvitav on see,
et vihm maapinnani ei jõudnudki, vaid aurustus enne maapinnale jõudmist. Näha
oli seega ainult vikerkaare ülemine osa. Foto: Jüri Kamenik
Ringikujulisuse põhjus peitub samuti selles 42 kraadis: valguse murdumisseadused kehtivad üldiselt veepiiskade kohta ja kõikides täiesti ümmargustes piiskades kaldub valgus keskmiselt 138 kraadi kõrvale. Kui vihmasajule paistab päike peale, siis on taevas korraga palju piisku, kust valgus saab jõuda antisolaarsest punktist 42 kraadi kauguselt vaatlejani ja moodustub ring (näeme küll ainult üht osa ringist). Mida madalamal on päike, seda rohkem jääb nähtuse tekitamiseks sobivaid piisku horisondist kõrgemale ja seda suuremat osa ringist näeme. Meeles tuleb pidada, et kõik piisad, millele päikesevalgus peale paistab, osalevad vikerkaare tekitamises, kuid enamiku nurk pole konkreetse vaatleja jaoks sobiv (v.a seal, kus on vikerkaart näha) ja murdunud valgus jõuab mõne teise vaatleja silma. Murdumisseadused kehtivad üldiselt, seega vaatleja liikumisel vastav nurk ei muutu ja meile tundub, nagu liiguks vikerkaar koos meiega. Niisiis ei ole võimalik minna ka vikerkaare lõppu; pigem tasub oodata, kui see lõpp meieni jõuab, sest kui jääme vihmasajusse, millele valgus paistab, on kohe käeulatuses võimalik vikerkaart näha:
Eeldusest, et kui vihmapiisad on täiesti ümmargused, tuleneb mõnigi huvitav efekt. Nimelt pole vihmapiisad enamasti sfäärilised, vaid deformeeruvad langedes kuklikujulisteks - lamenevad õhutakistuse tõttu langedes; mitte aga pole tilgakujulised, nagu esmapilgul võidakse arvata. Tugeva tuule tõttu võib vihmapiiskadel olla üldse ebakorrapärane kuju. Sellest võib arvata, et vikerkaar on veidi teises asukohas kui täiesti ümmarguste vihmapiiskade puhul või ilmselt ebasümmeetriline tuulise ilma korral. Neid erinevusi ei ole kerge tähele panna, ainult suuremate kõrvalekallete puhul võib märgata, et vikerkaar on pisut lopergune või ebaühtlase laiusega, vastavalt on ka värvid kaootilisemalt paigutunud:
Deformeerunud vikerkaar Tallinna lõunataevas
6. juulil. Hästi on jälgitav vikerkaare ebaühtlane paksus, sealjuures on
laiemates kohtades just punast rohkem. Oma osa annab ka varjude mäng ja
sademete ebaühtlus. Foto: Jüri Kamenik
Kaari on tegelikult mitu
Enamik inimesi arvatavasti väidaks, et suurem osa kõikidest vikerkaartest on ühekordne. Tegelikult on vikerkaar alati vähemalt kahekordne, eredamad põhikaare korral aga sageli kolme- ja ainult väga harva enamakordsed. Mittemärkamise põhjused on järgmised. Teine vikerkaar on esiteks liiga kahvatu, teiseks ei oska enamik inimesi teist vikerkaart otsida (silm ei ole kogenud), kolmandaks heidetakse vikerkaarele enamasti vaid põgus pilk. Selles avaldub vikerkaare ja psühholoogia seos.
On nähtud kuni viiekordseid vikerkaari, maksimaalselt saab jälgida kuni seitsmekordset vikerkaart. Huvitav on see, et nelja -ja enamakordse vikerkaare korral on kaar olnud nagu katki rebitud, mitte aga terviklik, nagu kahe- või kolmekordsete juhtumite korral. Selliseid "tükeldatud" vikerkaari on kirjeldatud mõnikord Eesti Looduses.
Kahekordse vikerkaare korral tasub panna tähele mõningaid huvitavaid aspekte. Välimine kaar on vastupidise värvijärjestusega kui põhikaar. Samuti on sisemise kaare sisemine osa heledam, kuid kahe kaare vahele jääb tumedam ala, mis pole küll alati kuigi hästi välja kujunenud. Seda tuntakse Aleksandri tumeda vööna. Nimetus tuleneb sellest, et seda kirjeldas esimesena antiikkreeklane Aleksander Aphrodisiast.
Kahekordne vikerkaar 27. juuni
õhtupoolikul Tartu lähedal Tabiveres. Näha on sisemine heledam ala ja välimise
kaare vastupidine värvijärjestus, kuid Aleksandri vöö on nõrgalt välja
kujunenud. Põhjus arvatavasti taustas (valgustus) ja piiskade suuruses. Foto: Jüri Kamenik
Mitmekordsed vikerkaared tekivad seetõttu, et valgus peegeldub piisa sees mitmekordselt. Kui mitu korda toimub peegeldus, nii mitme kordne tekib ka vikerkaar. Sisepeegeldus pole kunagi täielik: piisa tagaseinast pääseb osa valgust välja ja seetõttu jääb uue kaare tekitamiseks vähem valgust. Nii ongi teine kaar kahvatum.
Põhikaare all on heledam seetõttu, et sinna jõuab kõikide lainepikkuste valgus, mis kokku annab valge valguse, muutes sisemise osa heledamaks. Sama kehtib ka teise vikerkaare puhul - selle nn siseosa jääb väljapoole, kuhu jõuab sarnaselt esimese kaare siseosale teise kaare valgus, muutes sellegi ala (teise kaare "siseosa") heledamaks, kuid vähem, sest teine kaar on kahekordse peegelduse tõttu kahvatum. Kahe kaare vahele jõuab vähem valgust, või õigemini takistab üks teatud piirnurk sinna valgust sattumast, mistõttu moodustub Aleksandri vöö.
Juhul kui esimene vikerkaar on piisavalt ere ja veel mõned tingimused täidetud, võime näha kohe selle all lisakaari - vikerkaare värvijärjestus kordub uuesti, kuigi palju kitsamalt. Väga harva võib seda näha teise vikerkaare "sisemises" osas.
Topeltvikerkaar 2. juunil Kablis. Alumise
peakaare all on näha lisakaari, eriti paremal. Need tekivad interferentsi
tõttu. Foto: Jüri Kamenik
Need tekivad valguse interferentsi tõttu, see aga tekib siis, kui valguslainete teed piiskades pisut, kuid sobivalt erinevad, tekitades tõusu-ja mõõnainterferentsi. Soodsamad olud lisakaarte tekkimiseks on siis, kui piisad on väikesed ja ühesuguse suurusega.
Vahel harva tekivad keerukamad vikerkaartesüsteemid, nagu nt http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap070912.html. Niisugust olukorda saab selgitada veelt peegeldunud valgusega, mis on tekitanud vikerkaare esialgu ebaloogilises kohtas. Sealjuures on ilmselt oluline, et veepind oleks võimalikult tasane, sest muidu peegelduks valgus laineliselt veepinnalt erinevatesse suundadesse ning uusi vikerkaari ilmselt ei tekiks.
Uduvikerkaar
Võimalik, et lugeja on kuulnud ka uduvikerkaartest. See on tegelikult samuti vikerkaar, kuid enamasti valge ja tavalisest vikerkaarest laiem. Selles on oma osa valguse kvantmehaanikal, sest mida väiksemaks muutuvad piisad, seda enam domineerivad kvantmehaanilised efektid. Nii määribki udupiisakestes domineeriv kvantmehaaniline efekt kaare laiemaks ja valgeks. Harva võib siiski näha ühes servas punakat või sinakat varjundit. Sageli tekib uduvikerkaar udu hajumise eel, sest udukiht on kas piisavalt hõrenenud, et päike pääseks läbi udu, või on udu algusest peale hõre ja selge taevaga, kuid tõusev päike hakkab õhku soojendama ja seetõttu udu hajub (soojem õhk suudab enam veeauru siduda). Enne hajumist tekibki piisava päikesepaiste tõttu sageli udukaar.
Halo pole vikerkaar
Ei ole õige väide, et halo on jäine vikerkaar. Tegelikult on seal palju vikerkaarega võrreldes eripärast, mistõttu halo peetakse täiesti teistsuguseks nähtuseks, kuigi sugulus on olemas. Ikkagi tuleks vältida ekslikke pealkirju, nagu see siin: http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-473524/Dazzling-image-circle-rainbow.html.
Öösel ja talvel
Vikerkaart võib sageli näha nii koskede veetolmus (kõik suuremad kosed on sellepoolest tuntud, kas või Niagara või Victoria juga; vt nt Hendrik Relve artiklit 2008. aasta juulikuu Horisondist "Victoria juga - maailma vägevaim veesein") kui purskkaevu veepritsmetes. Vikerkaar võib tekkida ka öösel, kui kuuvalgus on piisavalt ere ja kohati sajab vihma. Tavaliselt nähakse kuukaari troopikas, eriti tuntud on selle poolest Havai; samuti on kuukaarte poolest tuntud joad.
Ka talvel, kui see on soe ja muutlik, võib Eestis vikerkaart näha. See on siiski enamasti nõrk ja katkendlik.
Vikerkaar aitab ilma ennustada
Vikerkaare abil saab ilmagi ennustada, kui olukorda õigesti tõlgendada. Öeldakse, et kui vikerkaart näha hommikul, siis tuleb vihma, kui õhtul, siis kuiva. See on üldiselt õige, sest hoovihmad liiguvad Eestis sageli edelast kirdesse, kuid päike asub hommikul kirdes. Seega tähistab edelas olev vikerkaar lähenevaid sademeid, kuid vahel ka sajupilvede kasvamist, sest kõrgemale tõusev päike soodustab konvektsioonivoolusid. Õhtul on päike läänes või loodes, pilved liiguvad tõenäoliselt ida poole. Seega tähendab õhtune vikerkaar lahkuvat sajuala ja läänes on ilm selge, sest muidu ju päike ei paistaks. Öösel konvektsioonivoolud tavaliselt hääbuvad ja nii ongi oodata 6-12 tunniks suure tõenäosusega head ilma.
Mis juhtuks siis, kui päikesevalgus polekski liitvalgus, vaid näiteks roheline või sinine? Sel juhul oleks vikerkaargi vastavat värvi, kuid ilmselt mitte täiesti ühtlase värvusega, vaid ühes servas veidi heledam kui teises, või varieeruks põhivärvi varjund.
Täiesti ühtlase värvusega vikerkaar tekiks vaid monokromaatilise valguse puhul, kuid sellist valgusallikat looduses pole. Isegi laser ei ole täielikult monokromaatiline.
Laboriski modelleeritakse vikerkaari. Huvitav on ehk teada, et ioonlaseriga on suudetud tekitada kuni 200-kordseid vikerkaari.
Uudise kirjutas Horisondi teadusblogi jaoks Jüri Kamenik, Tartu Ülikooli Loodus- ja Tehnoloogiateaduskonna geograafiatudeng.
