• Sateenkaari ja sivusateenkaari
• Interferenssikaaret
• Sateenkaaren puolat
• Aleksanterin tumma vyöhyke
• Nollannen kertaluokan hehku
• Korkeamman kertaluokan sateenkaaret
• Heijastussateenkaari
• Anomaalinen sateenkaari

Tavallinen sateenkaari syntyy, kun valo taittuu ja heijastuu vesipisaroista (sadepisaroista). Sateenkaaren syntymisen kannalta pisaran koko on merkittävä: sateenkaari on sitä värikkäämpi ja paremmin kehittynyt, mitä suurempia pisarat ovat. Jos pisarat ovat kovin pieniä, on sateenkaari väreiltään varsin hailakka. Jos pisarat ovat niin pieniä, että ne ovat kokoluokaltaan sumu- tai pilvipisaroita, ei enää muodostu sateenkaarta, vaan tuloksena on kalpean väritön sumukaari.

Pisaraan sisään tulevan valon ja siitä ulos lähtevän valon kulma heijastuskohdasta määritettynä on noin 42°. Pääsateenkaaren syntymiseen riittää yksi valon heijastuminen vesipisaran sisällä. Sivusateenkaari muodostuu samalla tavalla, mutta pisaraan saapuvan ja siitä lähtevän valonsäteen kulma on 51°. Sivusateenkaari on tulosta valon kaksinkertaisesta heijastumisesta pisaran sisällä. Jokaisessa heijastuksessa valon voimakkuus heikkenee huomattavasti. Tästä syystä johtuen sivusateenkaari on paljon pääsateenkaarta himmeämpi.

Pisaraan sisään menevä valo heijastuu pisarassa aina niin, että valo lähtee kulkemaan pisarasta ulos takaisin siihen suuntaan, josta se alunperin tuli, ainoastaan valonsäteen suunnan kulma muuttuu. Siispä havaitsijan näkökulmasta sateenkaaren valo näyttää tulevan auringon vastapuolelta. Tästä syystä johtuen sateenkaari (ja sivusateenkaari) näkyvät aina auringon vastapuolella. Sateenkaari ei siis ole mikään kiinteä kappale, vaan se on ainoastaan tietystä suunnasta tulevaa valoa.

Sateenkaari on aina havaitsijakohtainen, eli jos kaksi havaitsijaa havaitsee samanaikaisesti sateenkaarta ja vaikka he olisivat maantieteellisesti suhteellisen lähellä toisiaan, voidaan sanoa, että he eivät näe yhtä ja samaa sateenkaarta, vaan molemmat näkevät oman sateenkaarensa!

Itseasiassa sateenkaari ei ole vain kaari, vaan se on oikeasti täysi ympyrä. Tämän ympyrän säde on aina sama kuin pisaraan saapuvan ja siitä lähtevän valonsäteen välinen kulma, eli pääkaarella 42° ja sivukaarella 51°. Näemme sateenkaaren kaarena johtuen siitä syystä, että ollessamme maanpinnalla, jää osa sateenkaaresta aina horisontin taakse.

Täytenä ympyränä sateenkaaren voi nähdä ainoastaan lentokoneesta. Kun Aurinko on matalalla, näkyy sateenkaari korkeana kaarena, ja tällöin koko sateenkaariympyrästä on näkyvissä suurin osa, mitä siitä on mahdollista nähdä maanpinnalta tarkasteltuna. Mitä korkeammalle aurinko nousee, sitä alemmas sateenkaari painuu. Kun auringon korkeus on 42°, ei sateenkaarta enää näy, koska se on kokonaan horisontin alapuolella.

Pää- ja sivusateenkaaren yhteydessä voi nähdä erilaisia sateenkaarten liitännäisilmiöitä. Näitä ovat a) interferenssikaaret, b) sateenkaaren puolat, c) Aleksanterin tumma vyöhyke, d) nollannen kertaluokan hehku, e) korkeamman kertaluokan sateenkaaret, f) heijastussateenkaari, g) anomaalinen sateenkaari.

Interferenssikaaret ovat himmeitä, "ylimääräisiä" kaaria, joita voi näkyä välittömästi pääkaaren sisäpuolella. Interferenssikaaria voi näkyä kun pääsateenkaari on erityisen hyvin kehittynyt ja kirkas. Jos sekä pää- että sivusateenkaari ovat molemmat erityisen kirkkaita, voi hyvin himmeitä interferenssikaaria näkyä myös sivusateenkaaren yhteydessä. Pääkaaren interferenssikaaret näkyvät kaaren sisäpuolella, näkyvät sivukaaren interferenssikaaret sen sijaan aina sen ulkopuolella!

Sateenkaaren puolilla tarkoitetaan sateenkaarta säteittäisesti leikkaavia tummia säteitä. Nämä säteet ovat itseasiasa vastapilvisäteitä, ja ne näyttävät nousevan auringon vastapisteen suunnasta, eli sen pisteen suunnasta, jonka ympärille sateenkaari muodostuu. Perspektiivi-ilmiön vuoksi ne näyttävät nousevan säteittäisesti tietystä pisteestä.

Aleksanterin tumma vyöhyke tarkoittaa pää- ja sivukaaren välissä olevaa tummaa vyöhykettä. Aleksanteri Afrodiasilainen kuvaili tämän ilmiön noin vuonna 200 jKr. Vesipisaroista yhden kerran heijastuneet valonsäteet saavat aikaan pääsateenkaaren ja saa aikaan sen, että pääkaaren sisäpuolinen taivaanosa on muuhun taivaaseen nähden kirkkaampi. Vastaavasti pisaroissa kahdesti heijastuneet valonsäteet saavat aikaan sivusateenkaaren, sekä aiheuttavat sivukaaren ulkopuolisen taivaanosan vähäistä kirkastumista. Sen sijaan pää- ja sivusateenkaarten väliseltä alueelta ei heijastu valonsäteitä havaitsijan suuntaan, ja tästä syystä johtuen kaarten välinen alue on tumma.

Nollannen kertaluokan hehku (engl. zero order glow) tarkoittaa havaitsijan ja auringon välissä olevien pisaroiden kautta tulevaa, korkeintaan hieman taittunutta valoa. Tämä hehku tulee siis auringon suunnasta, ja se on mahdollista havaita erityisesti kirkkaiden ja hyvin kehittyneiden sateenkaarten yhteydessä. Tämän hehkun muodostumiseen ei siis liity yhtään pisaran sisäistä heijastusta. Ilmiön nimi viittaa sateenkaarten nimeämiskäytäntöön pisaransisäisten heijastusten määrän mukaan. Nollannen kertaluokan hehku (ei yhtään heijastusta), pääsateenkaari (1 heijastus), sivusateenkaari (2 heijastusta), kolmannen kertaluokan sateenkaari (3 heijastusta), jne.

Pääsateenkaari muodostuu, kun valo heijastuu pisarassa kerran, sivusateenkaari muodostuu valon heijastuessa pisarassa kahdesti. Kuitenkin myös useampikertaiset heijastukset ovat mahdollisia! Näistä useamman pisaransisäisen heijastuksen aiheuttamista sateenkaarista käytetään nimitystä korkeamman kertaluokan sateenkaaret, ja ne nimetään aina sen mukaan, kuinka että kuinka monta heijastusta kyseisen sateenkaaren syntymiseen on tarvittu (kolmannen kertaluokan sateenkaari, neljännen kertaluokan sateenkaari, jne.).

Aikaisemmin näiden useampikertaisten heijastusten aiheuttamien sateenkaarten havaitsemista pidettiin käytännössä mahdottomana. Niiden havaitseminen onkin erittäin vaikeaa, mutta nykyaikaiset digitaaliset valokuvaus- ja kuvankäsittelytekniikat ovat tuoneet niidenkin havaitsemisen ja valokuvaamisen mahdottomuuden rajan tälle puolelle.

Korkeamman kertaluokan sateenkaarista lähinnä 3. ja 4. kertaluokan kaarten havaitseminen on mahdollista, joskin hyvin haasteellista. Tähän on kaksikin syytä, ensinnäkin se, että aina jokaisessa heijastuksessa valon voimakkuus himmenee, eli mitä enemmän heijastuksia, sitä himmeämpi niistä aiheutuvat sateenkaaret ovat. Toiseksi nämä sateenkaaret pää- ja sivusateenkaaresta poiketen näkyvät auringon suunnalla auringon ympärille ryhmittyneinä! Tällöin ne jäävät ikävästi auringon suunnalta tulevan nollannen asteen hehkun- sekä itse auringon loisteen alle.

Viidennen ja kuudennen kertaluokan sateenkaaret puolestaan näkyvät taas auringon vastapuolella, samalla suunnalla kuin pää- ja sivukaari. Näiden sateenkaarten havaitseminen ja valokuvaaminen voisi ainakin Les Cowleyn mukaan teoriassa olla kuitenkin mahdollista! Tehtävän vaikeustason nostaa korkeimpaan mahdolliseen luokkaan kuitenkin se, että kaaret ovat hyvin leveitä, diffuuseja ja äärimmäisen himmeitä. Viidennen kertaluokan kaaresta kuitenkin sininen ja vihreä osa sattuvat Aleksanterin tumman vyöhykkeen alueelle, eli teoriassa tämä ilmiö voisi olla mahdollista havaita!

Korkeamman kertaluokan sateenkaarista ei pitkään tunnettu yhtään valokuvin dokumentoitua havaintoa, kunnes vuonna 2011 saksalainen ilmakehäharrastaja Michael Grossmann onnistui ensimmäisenä maailmassa valokuvaamaan 3. kertaluokan sateenkaaren! Pian tämän jälkeen tuli toinenkin havainto, kun niin ikään saksalainen havaitsija Michael Theusner oli onnistunut havaitsemaan ja valokuvin dokumentoimaan 3. ja 4. kertaluokan sateenkaaret! Nämä ovat edelleen tiettävästi maailman ainoat valokuvin dokumentoidut havainnot korkeamman kertaluokan sateenkaarista. Ensimmäisen suomalaishavainnon tekeminen näistä erittäin harvinaisista sateenkaarista on varmasti vain ajan kysymy!

Heijastussateenkaari on hyvin harvinainen ilmestys ja erityisesti sivusateenkaarten heijastuskaaret ovat erittäin harvinaisia. Heijastussateenkaari aiheutuu pää- tai sivusateenkaaren heijastuessa jostain läheisestä vesistöstä. Heijastussateenkaari ilmenee pää- tai sivukaaren tyveltä nousevana, "ylimääräisenä" kaarena.

Anomaalinen sateenkaari tarkoittaa sateenkaaressa havaittavaa poikkeamaa. Sateenkaarien poikkeamat ovat varsin harvinaisia ilmiöitä. Yleensä sateenkaaressa havaitaan kahdenlaisia poikkeamia, joita ovat sateenkaaressa havaittavat epäjatkuvuudet, joiden kohdalla kaaren säde muuttuu sekä sateenkaaren jakautuminen kahdeksi kaareksi eli kahdentuminen. Sateenkaaren epäjatkuvuudessa on kyse siitä, että epäjatkuvuuden kohdalla sateen pisarakoko jyrkästi muuttuu, tämä saa aikaan epäjatkuvuuden sateenkaareen. Sateenkaaren kahdentumisen aiheuttaa pisaroiden litistyminen. Kahdentuminen havaitaan sateenkaaren lakipisteen tienoilla, jossa sateenkaari näyttää jakautuvan ikään kuin kahdeksi kaareksi.

Sateenkaaria on havaittu ja tutkittu pitkään, mutta ei ole millään tavalla mahdotonta, etteikö vieläkin jotain uusia ja poikkeavia sateenkaari-ilmiöitä voitaisi löytää ja havaita!