Optikanähtused

Valgusnähtus on valgusõpetuses käsitletavad sündmus, mis on seotud valguse tekke, kadumise ja muutumisega.
Tühjas ruumis liigub valgus takistamatult otse, aga kahe keskkonna piiril võib ta peegelduda ja murduda, näiteks õhu ja klaasi või õhu ja vee piiril. Kui valguse teele jäävate osakeste või keskkonna ebaühtluste mõõtmed on võrreldavad lainepikkusega, siis hajub valgus kõikvõimalikes suundades. Neid valguseks oleva elektromagnetilise lainetuse omadusi kasutavad ära mitmesugused inimese loodud optikaseadmed, näiteks peeglid, prillid ja helkurid ja lambikuplid. Teel valgusallikast vaatleja silma võib valguskiir kohata mitmesuguseid looduslikke valguse levimist mõjutavaid objekte, samuti lihtsalt teele jääva õhu või ka vee optiliste omaduste muutusi. Looduslik valgus pärineb ennekõike Päikeselt. Valgust annavad ka lõke, küünlaleek, elektrilambid, välk, virmalised ja tähed. Öösiti on mõnikord ka Kuu säravvalge, aga see ei ole tema oma valgus, vaid Kuu pinnalt hajunud päikesevalgus.

Seda, mis valgusega teel valgusallikast silma juhtus, on mõnigi kord üsna kerge ära arvata. Siledatelt peegelpindadelt peegelduvad kõik nähtavad valguslained - sinine, roheline, punane - ühtviisi, nii et peeglilt, peegelsiledalt vee- või jääpinnalt peegeldunud valgus ei muuda värvi. Kõige tavalisemate valgust läbi laskvate ainete klaasi, vee ja jää murdumisnäitaja oleneb valguse lainepikkusest, sellepärast lahutub valge valgus neisse sisenedes ja neist väljudes spektriks. Sinine valgus, mis on lühema lainepikkusega, kaldub klaasi või vette sisenemisel oma esialgsest suunast rohkem kõrvale kui punane valgus, mis on pikema lainepikkusega. Vikerkaar tekib valguse murdumise tõttu veepiiskades. Valguse lainepikkusest oleneb ka valguse difraktsioon - ka nii võib valge valgus värviliseks muutuda. Nii ongi rusikareegel, et kui näeme taevas mõnda valget optilist nähtust, on tegemist valguse peegeldumisega, kui värvilist, siis kas valguse murdumisega veepiiskades või jääkristallides või siis difraktsiooniga väga väikestel udupiiskadel.

 Varjud 
pisi|Päikeselaigud pargipuude all 11. augusti 1999 päikesevarjutuse ajal. Foto: Andres Kuusk
Üllatavat vaatepilti võib pakkuda lihtsalt mustvalge valguse ja varju muster. Visuaalselt on Päike üsna täpselt 0,5° nurkläbimõõduga ring. Kui asetada päikesekiirte teele ekraan, milles on pisike ava, tekib kaugemal olevale ekraanile ümmargune Päikese kujutis. Nii töötab camera obscura. Pargis puude varjus näeme maapinnal ümmargusi valguslaike - camera obscura põhimõttel tekkinud Päikese kujutisi, kus avaga ekraaniks on tihe lehestik ja väikesed lehtedevahelised augud, kust valgus läbi maapinnani jõuab. 11. augustil 1999, kui Kuu kattis kaks kolmandikku päikesekettast, ei olnud päikeselaigud pargipuude all tavapäraselt ümmargused, vaid hoopiski sirbikujulised.

Varjusid võib näha ka taevas. Rünkpilvede vahel märkame sageli heledamate kiirtevihkude ja tumedamate alade vaheldumist. Heledamad on need kohad, kust pilvede vahelt paistev Päike valgustab pilvede all olevat õhukihti, tumedamana paistavad varju jäävad kohad. See pilt on hästi vaadeldav vinese taeva korral.

pisi|vasakul|Pilvede varjud õhus. Foto: Joel Kuusk
pisi|Brockeni viirastus Haapsalus 22. jaanuaril 1999. Foto: Arvo Tarmula
Väga huvitavat vaatepilti võivad pakkuda varjud udul. Brockeni viirastusena tuntud optilist nähtust oli suurepärane võimalus vaadelda Haapsalu elanikel 22. jaanuari 1999 õhtul. Taevas oli näha lossi torni kujutis. See tekkis lossitorni valgustava prožektori valgustatud udus. Brockeni viirastuse tekkimiseks peab udu olema parasjagu hõre. Väga tihedas udus on valgustatud ala ja varju sügavus väike ning kuna udu on enamasti ka valgustava prožektori (või Päikese) ja varju heitva hoone või inimese või eseme vahel, siis ei saa kontrastset varju tekkida. Sobivalt hõredas udus on valgustatud ala ulatus piki valguskiiri suur. Olles prožektori poolt vaadates torni taga, on torni vari valgustatud udul hästi vaadeldav. Brockeni viirastus on nähtav üsna kitsas alas valgustavate kiirte ümber. Kui liikuda prožektori ja torni joonelt eemale, muutub torni vari kiiresti ähmaseks ja kaob varsti, sest siis vaatleme udus suurt sügavust omavat varju läbi kõrval oleva valgustatud udu. Oma nimetuse on niisugune "varjuteater" saanud Hartzi mägedes oleva Brockeni mäe järgi, millel alpinistid on sageli näinud tõusva või loojuva Päikese valguses mäge ümbritseval udul viirastuslikke varje liikumas - need olid nende endi varjud udul. Oma varju vaadates on vaatesuund alati valgustavate kiirtega paralleelne ja seetõttu on võimalik suurt sügavust omavat varju näha hästi kontrastsena.

 Peegeldused 
pisi|Peegeldus veel. Foto: Andres Kuusk

Klaassiledalt veelt peegeldub valgus samamoodi kui peeglilt. Tuulevaikusega näeme peegelsiledalt tiigi pinnalt vastaskalda peegelpilti - majade katused ja puude ladvad oleksid nagu allpool.  Kui vaatame sillalt pea kohal oleva taeva ja pilvede
peegeldust, siis see pilt ei ole enam sugugi nii loomutruu, sest vertikaalselt langevast valgusest peegeldub tagasi kõigest 3%,
ülejäänu tungib vette. Kui veekiht on õhuke, näeme läbi vee valgustatud põhja.  Kiirte langemisnurga kasvades kasvab ka vee
peegeldustegur, 80° all langenud valgusest peegeldub juba pool tagasi. Loojangueelse Päikese peegeldus siledalt järvepinnalt
tundub sama hele kui horisondilähedane Päike ise.

Laitmatult sile veepind on haruldane, vähimgi pinnavirvendus määrib Päikese peegelkujutise laiali. Veidi tugevama tuulega näeme veepinnal loojuva või tõusva Päikeseni viivat helkivat rada. Raja keskkoht on kõige heledam, mida kaugemale raja teljest, seda juhuslikumaks muutuvad heledad sähvatavad peegeldused. Ka on raja meiepoolne ots tumedam ja heledus kasvab kaugemal.  Kõige heledam on päikese raja see koht, kus näeksime Päikese peegeldust tuulevaikuse korral. Niisuguse raja tekkemehhanism on lihtne: päikesekiired peegelduvad vaatleja silma ainult lainetava veepinna sobiva orientatsiooniga kohtadelt, meile tumedana paistvailt veepinna kohtadelt peegeldub valgus mujale. Eriti madala Päikese ja veidi tugevama lainetuse korral on võimalik ka varjude teke veepinnal.

pisi|Päikeserada Võrtsjärvel. Foto: Andres Kuusk

Looduses võime kohata peegeldusi mujalgi kui veekogudel. Vihmamärgadel raagus puuokstel paiknevad peegeldused ümber okste vahelt paistva Kuu või Päikese.

Peegeldused õhus hõljuvatelt jääkristallidelt tekitavad halo.

Tänapäeva tsiviliseeritud maailmas kohtame kõikvõimalikke peegeldusi tehisobjektidelt - majade akendelt, kasvuhoonete katustelt ja seintelt, läikima kulunud raudteerööbastelt ja elektriliinidelt. Mõnikord võime pimedas tähistaevas näha mõne sekundi vältel väga heledat tähte, mis edasisel jälgimisel osutub satelliidiks. Satelliidi päikesepatareidelt peegelduv "päikesejänes" liigub satelliidi
kiirusega maapinnal ja võib nii sattuda pimedas taevasse vaataja silma. Näiteks 300 km kõrgusel lendava satelliidi "päikesejänese"
läbimõõt on ligi 3 km. Nii suurele pinnale hajunud peegeldus ei tekita maapinnal märgatavat valgustatust, aga pimeda taeva taustal on see valgussähvatus muljetavaldav.

Sobivalt orienteeritud peegelpindu kasutab inimene rohkesti oma huvides kord valguse koondamiseks, kord hajutamiseks. Väga igapäevased näited kõverate peeglite abil valguse suunamisest on taskulamp ja autolatern - sobiva kujuga nõgus peegel suunab 
pirni hõõgniidilt tagasisuunas kiirgunud valguse enam-vähem paralleelse kimbuna ette. Legend räägib, et Archimedes süütas peeglitega päikesevalgust koondades 212. a. enne Kristust Sürakuusat piiravate roomlaste laevad. Sel viisil paljudelt peeglitelt Päikese kiirgusenergiat ühte kokku koondades annavad tänapäevased päikeseahjud ülikõrgeid temperatuure - kuni mitu
tuhat kraadi. Sevilla lähedal Hispaanias töötab sellel põhimõttel 11 MW võimsusega päikesejaam (David Shukman, BBC). Austraalias on kavandamisel 200 MW päikesejõujaam (Solar Mission Project).

Siledalt peeglilt peegeldub valgus alati ainult peegelsuunas. Seades kolm peeglit üksteise suhtes 90° nurga alla, saame huvitava optilise seadme - tagasipeegeldaja. Tänu kahe- või kolmekordsele peegeldumisele suundub üsna suurest langemisnurkade vahemikust
saabunud valgus tagasi sinna, kust ta saabus. Niisugune tagasipeegeldaja viidi Kuu peale, et Kuule suunatud laserikiir peegelduks tagasi Maale. Nii sai võimalikuks väga täpne Kuu kauguse mõõtmine. Sama printsiipi kasutatakse pimedal ajal nii vajalikus helkuris - helkur peegeldab temale langenud autotulede valguse tagasi. Tänu sellele näeb autojuht helkuriga pimedas liikuvat inimest väga palju kaugemalt kui ilma helkurita tumedates riietes inimest.

 Pühasära 
pisi|Pühasära kastesel rohul. Foto: Andres Kuusk

Tagasipeegeldumine looduslikel objektidel tekitab pühasära ehk nimbuse. Kastesel rohul võime oma pea varju ümber näha heledat oreooli. See ei ole meie peast tulev hiilgus, sest kui teeme endast eemal oleva fotoaparaadiga pilti, siis on pühasära hoopiski ümber fotoaparaadi varju ja meie pea varju ümbert on pühasära kadunud. Lennukilt vaadates näeme oreooli ümber lennuki varju ja see on seal ka siis, kui kastet ei ole. Pühasära kastesel rohul ümber pea varju tekitavad kaks teineteist võimendavat efekti. Kui vaatame päikesekiirtega samas suunas, siis näeme ainult päikese käes olevaid rohuliblesid ja maapinda. Mida kaugemale kõrvale vaatame, seda rohkem hakkab paistma rohu sees olevaid varjusid, nii et üldmulje on tumedam. Just niisugune valguse ja varju suhte muutumine tekitab pühasära ümber lennuki varju kuiva rohumaa või metsa kohal. See on tuntud ka opositsiooniefektina.  Nimetus pärineb astronoomiast. Kui Kuu ja Päike on opositsioonis, siis näeme täiskuud ja täiskuu on palju heledam kui poolkuu, sellepärast et siis me ei näe Kuu pinnal varje.
pisi|vasakul|Opositsiooniefekt männimetsa kohal. Foto: Andres Kuusk

Kastepiisad rohul võimendavad tagasipeegeldumist. Pindpinevusjõud hoiab väikesed kastepiisad enam-vähem kerakujulised.  Kerakujuline veetilk on kui lühikesefookuseline lääts, mis koondab temale langevad päikesekiired ühte punkti: läätse fookusesse.  Taimelehtede pinnal olevad väikesed karvad hoiavad kastetilgad lehe pinnast parasjagu eemale, nii et fokuseeritud kiired tekitavad lehele heleda täpi. Sellelt täpilt tilga (läätse) suunas tagasi hajunud valgus murtakse läätse poolt samasse suunda, kust ta saabus, just nagu vaataksime eredalt valgustatud täppi läbi luubi. Kuna kastepiisast lääts pole laitmatu ja lehepind ei pruugi asuda täpselt fookuses, siis ei haju valgus tagasi täpselt saabumissuunda, vaid hajub mingisse koonusesse ümber saabunud kiire. Mida lähemal saabuva kiire suunale, seda heledam on oreool. Kui vaadelda pühasära kordamööda ühe ja teise silmaga, siis võib hoolikal vaatlemisel märgata pühasära tsentri nihkumist avatud silma varju kohale.

 Miraaž 
pisi|Terendus Karepal 10.08.2007. Foto: Urmas Peterson.
Tume viirg taevas võib olla Soome lõunarannik 80 km kaugusel teisel pool Soome lahte
pisi|Päike kandikul. Foto: Andres Kuusk
Mõnikord näeme kaugeid objekte seal, kus nad ei tohiks kuidagi olla. See on optiline nähtus miraaž ehk terendus, mis on tuntud ka fatamorgaana nime all.

Kõige sagedamini on miraaže kirjeldatud kõrberahvaste muinasjuttudes ja meremeeste lugudes. Eeskätt seetõttu, et nendel tegevuspaikadel on üks ühine tunnus - näha võib kaugele. Ometi ainult sellest miraaži tekkimiseks ei piisa. Vaja on, et valgus jõuaks meieni ebaharilikust suunast. Valguse suunda võib muuta peegeldumine või murdumine. Kahe keskkonna piiril muudab valgus oma suunda, nii et tihedamas keskkonnas on valguskiir pinna normaalile lähemal kui hõredamas keskkonnas. Sama juhtub ka pidevalt muutuva tihedusega keskkonnas. Kui viltune valguskiir läbib erineva tihedusega õhukihte, kaldub ta tihedama õhu poole. Seda nähtust nimetatakse refraktsiooniks. Tavaliselt on õhk madalamal tihedam ja siis painduvad kiired maapinna suunas. Refraktsiooni tõttu näib horisondi lähedal olev täht või Päike kõrgemal kui ta tegelikult on. Mõnikord aga asub sooja maapinna või vee kohal õhuke sooja õhu kiht, mille tihedus on väiksem kui kõrgemates kihtides. Seda juhtub sageli just kõrbes, kus Päike kuumutab liiva, ja ka merel, kui külm õhk liigub sooja vee kohale. Siis paindub maapinna suhtes väikese nurga all saabunud kiir uuesti ülespoole, justnagu oleks ta maapinnalt peegeldunud. Sel juhul võib näida kaugel horisondi lähedal olev pilv hoopis allpool horisonti. Kauge silmapiiri korral jäävad vahetevahel valguse teele erineva tihedusega õhukihid, nii et mõnes kohas paindub kiir allapoole ja teises kohas ülespoole. Valguskiir liiguks nagu kahe peegli vahel, kus ta korduvalt peegeldudes jõuab mõnikord Maa kõveruse taha. Nii võivad merel ilmuda horisondile saared, mis kaarti ja laeva asukohta arvestades ei tohiks kohe kuidagi paista.

Miraaži saab näha ka kuuma päikesepaistega pika sirge asfalttee kohal. Kaugelt autolt peegeldunud valgus võib vaatajani jõuda mitut erinevat teed pidi, peegeldudes mitmeid kordi erineva tihedusega õhukihtidelt. Pole siis ime, et kauge auto näib hõljuvat tee kohal, olles tundmatuseni moondunud väljanägemisega. Kauge horisondi korral on mõnikord loojuv Päike sakiliste servadega või ka mitmeks korrapäratuks ribaks lagunenud nagu läbi lainelise klaasi vaadates. Ka võib juhtuda, et Päike ei vajugi horisondi alla, kustub hoopiski horisondist veidi kõrgemal.

 Roheline kiir 

pisi|Vaevu aimatav roheline kiir päikeseloojangul 5. jaanuaril 1993. Foto: Andres Kuusk

Mõnikord on tõusva päikese või loojuva päikese ketta ülaservas või vahetult päikeseketta kohal erkroheline sähvatus, mis võib kesta mõne kuni mõnikümmend sekundit.
pisi|vasakul|Roheline kiir San Franciscos märtsis 2007. Foto: Mila Zinkova
See on harvaesinev optiline nähtus, mille tekkimiseks ja nägemiseks on vaja kauget avatud horisonti ning head nähtavust, aga sellest üksi ei piisa. Peapõhjuseks rohelise kiire tekkimisel on valguse refraktsioon atmosfääris, mis suunab eri lainepikkustega valguse eri suundadesse. Kõige lühema lainepikkusega sinine valgus hajub madala päikese korral atmosfääris sedavõrd, et ei jõua vaatlejani. Selgepiirilisemale valguse lahutumisele spektriks ja rohelise valguse võimendamisele aitab kaasa miraaži tekkimiseks sobiv atmosfääri kihistus.

 Vikerkaar 

Väikesed veepiisad, mida vee pindpinevusjõud peaaegu ümmarguse hoiab, tekitavad õhus ja maapinnal mitmeid optilisi nähtusi. Kui valgus liigub läbi veepiisast läätse edasi-tagasi nagu pühasära tekkimisel, siis ta värvus ei muutu. Kui aga valgus läbib veepiiska ainult ühe korra, siis kaldub ta oma esialgsest suunast kõrvale ja lahutub spektriks nagu prismas. Hommikuse kastega või pärast hoovihma võime rohul päikese käes märgata üksikuid eredavärvilisi veepiisku.  Kui liigutame veidi oma pead, siis, muudavad niisugused piisad värvi, sobivas ulatuses pead liigutades võime näha pea (silma) asendist olenevalt ühes piisas kõiki vikerkaare värve. Ümmargusse veepiiska sisenenud valgus murdub oma esialgsest suunast piisa tsentri poole. Osa sellest valgusest peegeldub piisa tagaseinal piisa sisse tagasi ja piisast väljumisel murdub veel kord. Ümmarguses veepiisas muudavad sel viisil kõige rohkem kiiri oma suunda umbes 138°, see on 180° - 138° = 42° kaugusel Päikesele vastassuunast. Et vee murdumisnäitaja sõltub kuigivõrd lainepikkusest, siis kalduvad sinised kiired oma esialgsest suunast kõrvale rohkem kui punased. Vihmasaju ajal on õhus piisku väga palju ja igal ajahetkel on hulgaliselt piisku ka nendes suundades, kust saabub meie silma spektriks lahutatud valgus. Nii tekibki vikerkaar umbes 42° kaugusel Päikese vastassuunast ja vastassuunale on kõige lähemal (kaare siseservas) algsest suunast kõige rohkem kõrvale kaldunud sinised kiired ning Päikese vastassuunast kõige kaugemal (kaare välisservas) punased kiired. Kesksuvel on Eestis Päike keskpäeval kõrgemal kui 42°. Siis ei ole tasasel maal võimalik vikerkaart näha, see jääb allapoole horisonti. Küll aga saab 42°-st kõrgema Päikese korral näha vikerkaart lennukilt ja näiteks kõrge maja aknast purskkaevu või vihmuti "vihmasajus".

pisi|vasakul|Vikerkaar purskkaevu vihmas. Foto: Andres Kuusk

Küllalt sageli näeme eredat vikerkaart ümbritsemas teist kahvatumat vikerkaart umbes 51° kaugusel Päikese vastassuunast.
Selle vikerkaare moodustavad need kiired, mis on veepiisas peegeldunud kaks korda, sellepärast on selle vikerkaare värvide
järjestus vastupidine - seesmine serv on punane ja välimine sinine.
pisi|Kahekordne vikerkaar ja lisakaared põhivikerkaare sees.
Foto: Joel Kuusk

Vikerkaar saab tekkida veetilkades ka kolm ja rohkem kordi peegeldunud valgusest. Kuivõrd igal peegeldusel osa valgust väljub piisast, on iga järgmine vikerkaar nõrgem kui eelmine. Kolm korda piisas peegeldunud valgusest vikerkaar asub umbes 40° kaugusel Päikese suunast ja on juba nii nõrk, et seda pole võimalik eristada veepiiskadel ühekordselt hajunud valgusest.

Ümmargune veepiisk ei ole laitmatu prisma. Sellest väljub valguskiiri mitmes suunas, aga on mingi piirnurk, millest kaugemale ei saa konkreetse lainepikkusega valgus esialgsest suunast kõrvale kalduda.  Kuna vee murdumisnäitaja oleneb valguse lainepikkusest, siis on ka see piirnurk eri lainepikkusega valgusele erinev. Taeva heledust vikerkaare naabruses hoolega vaadates märkame, et põhivikerkaare sees on taevas heledam kui kahe vikerkaare vahel. Vikerkaarest tsentri pool on ala, kuhu jõuavad kõigi lainepikkustega kiired, mis liitudes annavad valge valguse. Viies pilku vikerkaare tsentrist serva poole jõuame alasse, kuhu sinised kiired ei saa enam hajuda, jäävad järele rohelised ja punased kiired. Veelgi tsentrist eemaldudes jõuame alasse, kuhu saavad hajuda ainult punased kiired, ja veelgi edasi liikudes jõuame alasse, kuhu veepiiskades üks kord peegeldunud kiired ei saagi sattuda. Kahekordse sisepeegelduse korral on need alad järjestatud vastupidises suunas. Lähenedes teisele vikerkaarele väljastpoolt hakkab taeva heledus kasvama, kuni jõuame piirini, millest kaare tsentri poole sinine valgus enam ei satu. Teise vikerkaare seesmise serva poole liikudes järgneb ala, kuhu ei saa hajuda rohelised kiired, ning kahe vikerkaare vahele jääb ala, kuhu ei saa hajuda ei üks kord ega kaks korda veepiisas peegeldunud valgus.

Vihmapiiskade läbimõõt varieerub mõnest millimeetrist tugeva hoogsaju ajal mõne sajandiku millimeetrini uduvihmas. Suuremad vihmapiisad deformeeruvad kukkudes õhutakistuse tõttu, sellepärast ei ole suurtel piiskadel tekkiv vikerkaar päris täpselt ringi kaar. Uduvihma piisad on nii väikesed, et lisaks piiskadelt ja piiskades peegeldumisele ning murdumisele hakkab rolli mängima ka valguse difraktsioon piiskadel. Mida väiksemad piisad, seda olulisemaks muutub difraktsiooni osa vikerkaare väljanägemise kujundamisel. Üksiku piisa difraktsioonipildiks on kontsentrilised ringid, kus iga järgmine vööt on eelmisest nõrgem. Kuivõrd valguse difraktsioonis kõrvalekaldumine oleneb lainepikkusest, on ka difraktsioonipilt värviline - eri värvi valguse hajumise maksimumid on eri kaugusel valguse esialgsest levikusuunast. Vikerkaares tekitab difraktsioon korduvad kaared, mis on vahetult põhivikerkaare kõrval. Iga järgmine kaar on eelmisest samavärvi kaarest kahvatum. Väga väikeste piiskadega udus hakkab valguse difraktsioon piiskadel domineerima ja difraktsioonipildi heledus kahaneb nurkkauguse kasvades aeglasemalt. Tulemuseks on suhteliselt lai ja peaaegu valge vikerkaar, mille seesmine serv on sinakas ja välimine serv roosakas.

 Tarad ja glooria 

pisi|Tarad. Foto: Andres Kuusk  Alumisel pildil on näha ka difraktsiooni teine maksimum
Vikerkaares näeme tagasi hajuvat päikesevalgust. Vikerkaart vaadates on Päike meie seljataga, see tähendab, et valgus on oma esialgsest suunast kaldunud kõrvale rohkem kui 90°. Õhus olevate udupiiskade korral on difrakstiooni esimene maksimum lähemal kui 30°, see tähendab, et peaksime nägema difrageerunud valgust Päikesele lähemal kui 30°. Päike on väga hele ja sellepärast on Päikesele nii lähedal difrageerunud valgust raske märgata, küll aga võime näha võluvat värvidemängu, kui õhukesed pilveräbalad mööduvad Kuu eest. Kuu ümber on mõne kraadi läbimõõduga värviline oreool - tarad, mille intensiivsus muutub olenevalt parajasti Kuu ees oleva pilveräbala paksusest. Muutub ka värviliste ringide raadius. Väiksemad piisad tekitavad suurema läbimõõduga oreooli. Kui piiskade suurus pilve ulatuses muutub, siis võib oreool olla mõnes suunas natuke välja venitatud. Tarades on nagu põhivikerkaareski sinised ringid tsentrile lähemal ja punased kaugemal. Ümmargusel piisal tekkiva difraktsiooni esimese maksimumi nurkkaugus on võrdeline lainepikkuse ja ekraani (piisa) diameetri suhtega.  Ühesuurustel veepiiskadel kaldub pikema lainepikkusega punane valgus oma esialgsest suunast rohkem kõrvale kui lühema lainepikkusega sinine valgus.

pisi|Glooria. Foto: Joel Kuusk

Üsna tarade sarnast värvilist oreooli võime näha lennukilt ümber lennuki varju allpool olevatel pilvedel. Analoogia taradega on siiski ainult visuaalses muljes, lennuki varju ümber oleva oreooli - glooria nurkläbimõõt on suurem ja küllalt sagedased on mitmekordsed ringid.  Glooria tekkemehhanism on lähedasem vikerkaare korduvate kaarte tekkele. Ühekordselt vihmapiisas peegeldunud valgus ei saa esialgsest suunast kalduda kõrvale rohkem kui lainepikkuse ja vee murdumisnäitajaga määratud piirnurk, aga vikerkaare sisse jääv ala on täidetud vihmapiiskade sees üks kord peegeldunud valgusega. Pilve moodustavad udupiisad on oluliselt väiksemad kui vihmapiisad, nii muutub oluliseks difraktsioon neil piiskadel. Peegeldunud ja difrageerunud valguse interferentsi tulemuseks ongi Kuu või Päikese ümber olevat tara meenutav oreool ka veepiiskadest koosnevale udule (pilvele) langevate varjude ümber tagasisuunas hajuvas valguses.

 Halo 

pisi|22° halo. Foto: Andres Kuusk
Enamus eelkirjeldatud optilistest nähtustest tekib veepiiskadel. Atmosfääri kõrgemates kihtides ja talvel ka maapinna lähedal on õhus väga sageli jääkristalle, mis murravad ja peegeldavad valgust kui väikesed klaasprismad.

Osa kiiri peegeldub kristalli välispinnalt, osa kiiri tungib aga kristalli sisse. Kui
päikesevalgus siseneb jääkristalli läbi ühe tahu ja väljub kristallist läbi teise tahu, mis ei ole esimese tahuga paralleelne, siis väljuvad erinevate lainepikkustega kiired eri
suundades.

Missugune on kiirte käik kristallis, oleneb kristalli kujust ja kristalli asendist päikesekiirte suhtes. Jääkristallid on kõige sagedamini kuuetahulised prismakesed. Enamasti on nad õhu turbulentsi tõttu segi paisatud, nii et kristallide välispinnalt peegeldunud valgus hajub enam-vähem võrdselt kõigis suundades. Sel viisil segi paisatud prismadesse läbi külgtahu sisenenud valgusest kaldub kõige rohkem kiiri oma esialgsest suunast umbes 22° kõrvale, kusjuures sinine valgus kaldub veidi rohkem kõrvale kui punane. Nii tekibki Päikese ümber 22° kaugusel ring, mille välisserv on sinine ja seesmine Päikesele lähem serv
punane. Siit saame teha ka vastupidise järelduse – kui Päikese ümber on 22° halo, siis on õhus segipaisatud kuuetahulisi kristalle.

Jääprismade 90° servadel murdunud kiired tekitavad segipaisatud kristallide korral Päikesest 46° kaugusel oleva ringi. Et aga valguse niisuguse murdumise sagedus on väiksem, on ka 46° halo haruldasem ja enamasti väiksema heledusega kui 22° halo.

pisi|vasakul|Sambad tänavalaternate kohal Tartus 31. jaanuaril 2003. Foto: Joel Kuusk
Mõnikord on jääprismad nii lühikesed, et meenutavad pigem liistakuid. Liikumatus õhus langedes võtavad niisugused kerged õhukesed plaadikesed kõik enam-vähem horisontaalse asendi.
Horisontaalsetelt plaadikestelt ja vertikaalsete prismade otstelt peegeldunud päikesekiired tekitavad vertikaalse valge samba Päikese kohal. Külmadel talveöödel võime me märgata sambaid ka tänavalaternate ja autotulede kohal. Sel viisil autotulede valgel tekkiv halo sõidab autoga kaasa ja on künklikul maastikul näha ammu enne kui künka tagant lähenev auto ise paistma hakkab.

Päikese kohal olev vertikaalne sammas ulatub vahetevahel seniidini ja kaugemalegi, moodustades vertikaaltasandis poolringi, mis läbib päikest ja seniiti. Päikese vastas olev poolringi osa on küll enamasti kahvatum ja raskemini märgatav kui otse Päikese kohal olev sammas.

Kui õhus hõljuvatel horisontaalsetel liistakutel on vertikaalsed külgtahud, tekib lisaks Päikese kohal olevale vertikaalsele sambale veel suur horisontaalne ring, mis samuti läbib päikest. Nii vertikaalne sammas kui Päikese kõrgusel asuv horisontaalne ring on valged, sest need tekivad peamiselt valguse peegeldumisest ja siis ei lahutu valge valgus spektriks. Kõige
heledamad on päikest läbiva horisontaalse ringi ja 22° ringi ristumiskohad. Päikesest veidi kaugemal kui 22° halo ja horisontaalringi ristumiskoht tekitavad kuuetahuliste prismade
püramiidjates tippudes murdunud kiired ebapäikesed. Vahetevahel võib horisontaalringil ebapäikesi näha ka 46° halo läheduses, Päikese vastaspunktis ja 120° kraadi kaugusel Päikesest.

Kui tingimused jääkristallide tekkeks püsivad kauem, liituvad lihtsad prismad ja plaadikesed keerulisema kujuga liitkristallideks. Ka võivad jääkristallid õhus pikkamisi langedes hakata võnkuma, pöörlema või pretsesseerima. Niisugustel juhtudel tekivad taevas mitmesugused kaared, mis on tavalisematele halodele puutujateks.

pisi|Halode skeem
Tangentsiaalsed halod on haruldasemad ja ka raskemini seletatavad. Üsna põhjaliku skeemi kõikvõimalikest halodest leiate juuresolevalt jooniselt. Tavalisematel halodel on olemas
maakeelsed nimetused, mõnda halo nimetatakse sellele seletuse andnud uurija nime järgi. Mitmeid haruldasemaid haloliike tuntakse ainult kreekakeelsete nimetustega.

Kui jääkristalle on taevas ainult mõnes kohas, siis need kristallikogumid paistavad meile kiudpilvedena. Mõnikord võib aga taevas olla kaetud tervenisti nii hõreda jääkristallide kihiga, et me muidu neid ei märkagi kui ainult tänu nende tekitatud säravale värvunud servadega ringile ümber Päikese. Kui väikesed õhukesed kiudpilved ei kata mitte kogu taevast siis näeme korraga ainult väikest osa halost.

Eriti efektne on niisugune osaline halo kui väike jääkristallide pilv on ringide ja/või kaarte ristumiskohal – siis on näha taevas hele rist. Kuni taevas ei olnud tänapäeval nii tavalisi reaktiivlennukite jälgi, mis on samuti sirged jooned ja mis võivad olla ka ristikujuliselt, seni peeti helenduvaid riste taevas üleloomulikeks märkideks, mis ennustavad tulevasi sündmusi. Nüüd teame, et halo informeerib meid jääkristallide olemasolust õhus, nende kujust ja paiknemisest. Õhukesed kiudpilved tekivad kõige sagedamini suurte pilvemassiivide läheduses. Nii annavad halod märku lähenevatest pilvemassiividest ja võimalikust sajust.

Halod on atraktiivsed ja suhteliselt kergesti vaadeldavad ilma ühegi abivahendita.
Fotoaparaadiga halost pilti teha on märksa raskem. Halo on taevas suure ulatusega, nii et tavalise fotoaparaadiga jääb temast korraga pildile vaid väike osa. Ka on halo sageli nii vähe kontrastne, et pilti veidi alla või üle valgustades võib ta pildil hoopis märkamata jääda.

 Helkivad ööpilved 

pisi|Helkivad ööpilved 16. juulil 2006. Foto: Andres Kuusk
Suveöödel võib põhjataevas näha helenduvaid pilvi.

Neid hakati märkama pärast Krakatau vulkaani purset 1883. aastal. Helkivad ööpilved on umbes 80 km kõrgusel, nii valgustab horisondi taha kadunud Päike neid veel kaua pärast seda kui madalamad pilved on jäänud Maa varju. Vaatlusvõrgu andmetest on selgunud, et helkivad ööpilved esinevad vaid suvekuudel 50. kraadist suurematel laiustel. Päeval ei saa neid vähese heleduse tõttu heleda taeva foonil märgata. Helkivaid ööpilvi moodustavate jääkristallide tarvis satub veeaur mesosfääri troopikavööndi troposfäärist äikesepilvede kerkiva õhuvooluga. Osa veeaurust tekib nii kõrgel ka metaani fotokeemilise lagunemise tulemusel. Metaani hulga kasvule atmosfääris on kaasa aidanud inimtegevus, nii on kasvanud võimalused näha helkivaid ööpilvi.

 Virmalised 

pisi|Eestis nähtud virmalised 6. aprillil 2000. Foto: Joel Kuusk
Kõigis senikirjeldatud nähtustes on valgus pärit mingilt väliselt kiirgajalt, olgu see siis Päike, Kuult peegeldunud päikesevalgus või mingid inimese loodud valgustid.  Põhjamaades, sealhulgas Eestis, pimedatel talveöödel nauditavat värvidemängu pakkuvad virmalised on atmosfääri ülakihtide hõredas õhus tekkiv valgus.

Päikeselt paisatakse maailmaruumi üsna juhuslikes suundades ja kiiresti muutuva intensiivsusega laetud osakeste voog, peamiselt prootonid ja elektronid. Maa lähedalt mööduvad laetud osakesed suunatakse Maa magnetvälja poolt pooluste piirkonda, kus nad atmosfääri ülakihtides hõreda õhu molekulidega põrkudes viimaseid ergastavad. Ergastatud olekust tasakaaluolekusse tagasi pöördudes kiirgavad need molekulid ja aatomid valguskvante, mida näemegi virmalistena. Valguse tekkemehhanism on samasugune kui päevavalguslampides ja reklaamide neoontuledes, kus elektrivool hõrendatud gaasis põhjustab gaasi helendumist. Virmaliste värvus oleneb helendust esile kutsuvate laetud osakeste energiast. See määrab ära, milliseid lämmastiku ja hapniku aatomite ja molekulide ergastatud olekuid need osakesed suudavad esile kutsuda. Virmaliste spektris võib leida üle 100 spektrijoone, sagedamini esinevad ioniseeritud lämmastiku molekulide sinised ja ioniseeritud atomaarse hapniku ergastamisel kiirgunud rohelised ning punased spektrijooned. Eestis esineb virmalisi 4-5 korda aastas, sagedamad on virmalised geograafilistel laiustel 65–70°.

 Vaata ka 
 Atmosfäärifüüsika

 Viited 

Kirjandus
Andres Kuusk. Optikanähtused taevas. – Universum valguses ja vihmas, koostanud-toimetanud Uno Veismann ja Rein Veskimäe, OÜ REVES Grupp, Tallinn 2005, lk 69–81. (Vikipeedia artikli algredaktsiooni on raamatuartikli autor ise Vikipeediasse postitanud.)
 Tricker, R.A.R. Introduction to Meteorological Optics. Elsevier, New York, Mills & Boon, London 1970.
 Ülo Mullamaa. Peegeldused veel. - Heino Tooming (koostaja). Inimene ja ilm, Valgus, Tallinn 1970, 138-144.
 Marell Minnaert. Valgus ja värv looduses. Tallinn: Valgus, 1976.
 Andres Kuusk. Päike kandikul. - Eesti Loodus, 1993, 9, 313.
 Andres Kuusk. Vikerkaar kastepiisas ja taevas. - Eesti Loodus, 1995, 8, 220-221.
 Andres Kuusk. Halode perekond. - Horisont, 1998, 1, 35-37. 
 Milvi Jürissaar. Kiudkihtpilved ja halo, Eesti Loodus, 1999, nr 8. 

Kategooria:Optika
Kategooria:Atmosfäärioptika