48 asteen taika: Kurkistus pingviinien ”toiseen maailmaan”
Täällä puhuu Science Trainer Kuwako Ken. Joka päivä on uusi koe.
Oletko koskaan katsonut akvaariota alhaalta ylöspäin ja huomannut, että taivas näyttää ikään kuin pyöreältä aukolta? Törmäsin tähän hämmästyttävään ilmiöön Sumida-akvaarion pingviinialtaassa. Sinertävän veden pohjassa leijuu selkeä, pyöreä “ikkuna”, jonka läpi ulkomaailma näkyy. Mistä tämä oikein johtuu? Kyseessä on itse asiassa lukion fysiikasta tuttu ilmiö: valon taittuminen ja kokonaisheijastus – luonnon oma ovela temppu.
Sumida-akvaariossa koettu erikoinen näkymä
Kävin hiljattain Sumida-akvaariossa. Paikan vetonaula on suuri sisätiloissa sijaitseva pingviiniallas. Kun kurkistaa altaaseen toisesta kerroksesta, pohjan sininen väri näkyy selvästi.
Toisesta kerroksesta pohjan sininen väri näkyy hyvin
Kun taas siirtyy ensimmäiseen kerrokseen, altaaseen voi katsoa alhaalta ylöspäin. Se näkymä, joka silloin avautuu, näkyy tässä videossa:
Kun katsoo taivasta veden läpi, näkymä jakautuu selvästi kahteen osaan: osa on sinertävää eikä ulkomaailmaa näy, ja osa taas – kuten kuvan oikeassa yläkulmassa – näyttää ulkomaailman kirkkaasti. Se näyttää aivan siltä kuin veden pinnassa olisi pyöreä ikkuna.
Sama ilmiö näkyi myös Hakone-enin akvaariossa. Katso myös tämä video:
Muuten, tuo mystinen sininen väri on yllättävän arkinen asia: se on altaan pohjaan maalattua sinistä betonia.
Mutta miksi syntyy tällainen “pyöreä ikkuna”? Sukelletaanpa ilmiön ytimeen.
Avain on valon taittuminen ja kokonaisheijastus
Ilmiön taustalla ovat kaksi tärkeää ominaisuutta: valon taittuminen veden ja ilman rajapinnassa sekä kokonaisheijastus, joka estää valoa kulkemasta tietyn kulman jälkeen.
Kun katsotaan altaaseen vinosti alhaalta, katosta tuleva valo taittuu veden pinnassa ja saavuttaa silmät. Valolla on ominaisuus, jota kutsutaan kulun käännettävyydeksi: voimme ajatella valon reittiä myös takaperin, silmästä lähtevänä.
Kun katsetta siirtää lähemmäs vaakasuuntaa, tulee vastaan piste, jossa ulkomaailma katoaa näkyvistä. Tätä rajakulmaa kutsutaan kriittiseksi kulmaksi. Kun ilman taitekerroin on noin 1 ja veden noin 1,33, kriittinen kulma on noin 48 astetta. Lukiolaiset: kokeilkaa laskea tämä arcsin-toiminnolla laskimella.
Kun katselukulma on tätä pienempi, ulkomaailma näkyy. Kun kulma kasvaa tätä suuremmaksi, valo heijastuu kokonaan veden pinnasta eikä pääse läpi. Tällöin näkyy vain pohjan sininen väri.
Tämä “näkyy–ei näy” -raja muodostuu kaikkiin suuntiin vaakatasossa, eli 360 astetta. Kolmiulotteisesti ajateltuna siitä syntyy pyöreä ikkuna. Siinä on tämän ilmiön ydin.
(Huomautus: käytännössä lasin ja ilman rajapinta vaikuttaa myös, joten kriittinen kulma on hieman suurempi kuin 48 astetta.)
Pingviinien maailma näyttää pyöreän ikkunan läpi
Katso vielä kerran kuvaa, joka on otettu ylhäältä.
Ylhäältä katsottuna pohjan sininen täyttää koko näkymän. Mutta veden alta ylöspäin katsottuna ulkomaailma näkyy vain pyöreän ikkunan sisällä. Aika hämmentävää.
Itse asiassa vedessä elävät pingviinit näkevät meidät tämän saman pyöreän ikkunan kautta. Heidän “taivaansa” ei levittäydy koko pinnalle, vaan mahtuu pieneen pyöreään alueeseen. Tätä ilmiötä kutsutaan nimellä Snellin ikkuna, ja se on tuttu myös vedenalaisille valokuvaajille.
Kun käyt Sumida-akvaariossa, kokeile ehdottomasti katsoa allasta alhaalta ylöspäin. Ja jos satut olemaan treffeillä akvaariossa, tämä on aika hyvä keskustelunavaus. Toimiiko varmasti? No, siitä en mene takuuseen.
Lisää aiheeseen liittyviä artikkeleita
Tutustu myös tähän artikkeliin:
Ja jos kokonaisheijastus kiinnostaa lisää hauskassa muodossa, kokeile tätä:
Yhteydenotot ja yhteistyö
Tuodaan tieteen ihmeet lähemmäs arkea. Sivustolta löytyy helposti toteutettavia kokeita ja selkeitä vinkkejä niiden tekemiseen. Kokeile etsiä lisää kiinnostavia aiheita!
・Tämän sivuston sisällöstä on tehty myös kirja. Lisätiedot täällä
・Lisätietoa kirjoittajasta täällä
・Yhteistyöpyynnöt (kirjoittaminen, luennot, työpajat, TV-työ jne.) täällä
・Uusimmat päivitykset löytyvät myös X:stä!
Tiedekanavalla julkaistaan kokeisiin liittyviä videoita!
５月のイチオシ実験！
キーンと冷えるドライアイス！気温が上がってくるこの時期・ドライアイスを使った昇華・凝結・等速度直線運動の実験はいかが？
液体ゼロ！ドライアイスが消えるまでの３時間を科学する（昇華・凝結・等速度直線運動）
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- 4月30日（木）「THE突破ファイル」（日本テレビ）の科学監修を担当しました。
- 5月8日（金）理科教育ニュースを担当しました。
- 6月14日（日） 千葉大学インスタレーション「探究」にて講師を務めます
- 6月26日（金） 千葉大学の公開研究会（中学理科について授業公開予定）
- 7月18日（土） 教員向け実験講習会「ナリカカサイエンスアカデミー」の講師をします。お会いしましょう。
書籍のお知らせ
- 『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
- 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）… 高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
各種SNS（更新情報をお届け！）
X(Twitter)／instagram／Facebook（日本語）
Explore
- 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
- 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
- Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
- 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
- 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
- About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
- お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。
