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Regenbogen – Entstehung

Ein Regenbogen entsteht, wenn das Sonnenlicht von Wassertröpfchen reflektiert, gestreut und gebrochen wird.

Rainbow

Sonne + Regen = Regenbogen

Regenbogen mit überzähligen Bögen am unteren Rand. Diese werden erzeugt, wenn Lichtstrahlen derselben Wellenlänge zusammenfallen und sich gegenseitig abschwächen oder verstärken.

©iStockphoto.com/constantinopris

Regenbogen – Voraussetzungen

Ein Regenbogen erscheint immer in der Himmelsrichtung, die der Sonne entgegengesetzt ist. Haben Sie die Sonne also im Rücken, spannt sich der Regenbogen vor Ihnen über den Himmel.

Er kann nur unter folgenden Bedingungen entstehen:

  1. Die Sonne wird nicht von Wolken, Bergen oder sonstigen Hindernissen verdeckt.
  2. Sie steht recht tief am Himmel. Befinden Sie sich auf gleicher Höhe wie der Horizont, darf der Höhenwinkel der Sonne 42° nicht überschreiten. Sonnenstand-Tabelle
  3. Die Luft ist in der, aus Ihrer Perspektive, entgegengesetzten Himmelsrichtung mit Wassertröpfchen gefüllt – etwa wegen eines Regenschauers oder im Einzugsbereich eines Wasserfalls.

Regenbogen – Entstehung

Drei verschiedene Prozesse sind bei der Entstehung eines Regenbogens beteiligt: Lichtspiegelung, Lichtstreuung und Lichtbrechung.

Spiegelung (Reflexion)

Scheint die Sonne auf einen Wassertropfen, wirkt die Rückwand des Tröpfchens wie ein kleiner Spiegel, der die Lichtstrahlen reflektiert. Ist der Himmel voll von diesen Kleinstspiegelchen, wirken diese zusammen genommen wie ein großer spiegelnder Vorhang, der das Sonnenlicht zu Ihnen zurückwirft.

Streuung (Dispersion)

Nun ist das Licht der Sonne weiß – warum ist der Regenbogen dann nicht auch weiß? Verantwortlich ist die Lichtstreuung, bei der das Sonnenlicht in seine Farbbestandteile aufgespalten wird.

Das Licht der Sonne erscheint uns zwar weiß, es besteht jedoch aus allen sichtbaren Farben. Trifft nun ein Lichtstrahl auf ein Wassertröpfchen, werden die darin enthaltenen Farben aufgefächert. Dies geschieht sowohl beim Eintritt in den Tropfen als auch beim Wiederaustritt, nachdem das Licht an der Rückwand des Tröpfchens reflektiert wurde.

Brechung (Refraktion)

Jede Farbe wird dabei in einem geringfügig unterschiedlichen Winkel wieder zu Ihnen zurückgeworfen. Rotes Licht verlässt den Tropfen zum Beispiel in einem im Vergleich zum eintreffenden Lichtstrahl etwas größeren Winkel als orangefarbenes Licht. Obwohl jedes Tröpfchen die gesamte Farbpalette abstrahlt, erreicht Sie wegen dieser Aufspaltung aus höher gelegenen Tropfen nur deren roter Lichtanteil. Etwas tiefer gelegene Tropfen stehen in einem flacheren Winkel zu Ihnen, deswegen sehen Sie in diesem Bereich des Himmels nur den orangefarbenen Anteil des von diesen Tropfen reflektierten Lichts.

So entstehen die obersten beiden Streifen des Regenbogens, die den Himmel in rotes und orangefarbenes Licht zu tauchen scheinen. Es folgen der gelbe, grüne, blaue und violette Streifen, die nach demselben Prinzip enstehen: Jeder dieser Farbanteile verlässt den Tropfen in einem jeweils etwas kleineren Winkel.

Warum ist ein Regenbogen bogenförmig?

Genau genommen ist ein Regenbogen die obere Hälfte eines Lichtkreises, in dessen Mitte sich der Sonnengegenpunkt befindet – also der Ort, der aus Ihrer Perspektive in entgegengesetzter Richtung zur Sonne liegt. Die untere Hälfte des Kreises wird im Normalfall jedoch nicht sichtbar, da der Regen zuvor auf die Erdoberfläche trifft. Der volle Regenbogenkreis ist nur dann zu sehen, wenn Sie sich weit oberhalb der Erdoberfläche befinden – zum Beispiel an Bord eines Flugzeuges.

Der Lichtkreis entsteht, weil das reflektierte Sonnenlicht den Regentropfen in einem bestimmten Winkelspektrum verlässt. Dieses wird unter anderem vom Brechungsindex des Wassers bestimmt und liegt zwischen 0° und 42°. Am meisten Licht erreicht den Beobachter dabei aus einem Winkel von 40° (violettes Licht) bis 42° (rotes Licht). Hier wird ein besonders großer Teil des eintreffenden Sonnenlichts gebündelt – und hier entsteht der Lichtkreis. Im Bezug zum Sonnengegenpunkt erscheint ein Regenbogen deswegen immer in einem Winkel von 40-42°.

Wie entsteht ein doppelter Regenbogen?

Illustration
Doppelregenbogen in Finnland.
Doppelregenbögen entstehen, wenn das Sonnenlicht im Regentropfen zweimal reflektiert wird.
©iStockphoto.com/petejau

Manchmal erscheint oberhalb des Hauptregenbogens ein zweiter Regenbogen. Dieser entsteht, wenn Sonnenlicht, das an der Rückwand der Regentropfen zweimal reflektiert wurde, in Ihre Augen fällt.

Der zweite Regenbogen ist weitaus blasser als der Hauptregenbogen, da bei diesem doppelten Spiegelungsprozess gewissermaßen mehr Licht verloren geht, bevor der Lichtstrahl den Tropfen wieder verlässt. Durch die zusätzliche Spiegelung erscheinen die Farben im Zweitregenbogen zudem in umgekehrter Reihenfolge: Der violette Streifen ist ganz oben zu sehen, der rote am unteren Rand (siehe Bild).

Der zweite Regenbogen erscheint stets in einem Winkel von 50-53° vom Sonnengegenpunkt entfernt, also etwa 10° oberhalb des Hauptregenbogens.

Warum ist der Bereich unter dem Regenbogen heller?

Wie oben beschrieben, wird das Sonnenlicht in einem Winkelbereich von 0° bis 42° wieder an den Beobachter zurückgeworfen. Dabei entscheidet der Winkel, in dem das einfallende Sonnenlicht auf die Oberfläche des Wassertropfens fällt, über das Ausmaß der Lichtstreuung und die Richtung, in welcher der reflektierte Anteil des Lichtes den Tropfen wieder verlässt.

Trifft ein Lichtstrahl im rechten Winkel auf die Tropfenoberfläche, wird er weder gebrochen noch gestreut. Ein Teil des Lichts wird dann einfach von der Rückwand des Tropfens reflektiert und zum Beobachter als weißes Licht zurückgeschickt. Ganz ähnlich verhält es sich mit Lichtstrahlen, die in den meisten anderen Bereichen der Oberfläche in den Tropfen eindringen. Diese verlassen den Tropfen dann wieder im Winkelbereich von weniger als 40° und werden als weißes Licht wahrgenommen. Deswegen erscheint der Bereich unterhalb des Regenbogens leicht erhellt (siehe Bild).

Alexanders dunkles Band

Illustration
Alexanders dunkles Band.
Alexanders dunkles Band: Aus dem Bereich zwischen den beiden Regenbögen erreicht den Beobachter kein von Wassertropfen reflektiertes Sonnenlicht, der Himmel wirkt dort viel dunkler.
©iStockphoto.com/Pitmire

Durch die Beschaffenheit des Wassertropfens kann das Sonnenlicht nur im Winkelbereich von 0° bis 42° umgelenkt werden. Zum Beispiel kann ein horizontal auf einen Tropfen treffender Sonnenstrahl nicht um 90° abgelenkt und senkrecht zur Erde gesendet werden.

Es gibt also einen maximalen Winkel, in dem das Licht den Wassertropfen verlassen kann. Bei rotem Licht liegt dieser bei 42, bei violettem Licht bei 40°. Dies bedeutet, dass uns aus Tropfen, die mehr als 42° vom Sonnengegenpunkt entfernt sind, kein einfach reflektiertes Sonnenlicht errreichen kann. Der Himmel wirkt deswegen oberhalb des Hauptregenbogens ein gutes Stück dunkler als darunter (siehe Bilder).

Erst in einem Winkelbereich ab 50° trifft wieder das doppelt reflektierte Licht des zweiten Regenbogens in unsere Augen – darüber wirkt der Himmel deswegen wieder geringfügig heller. Der dunkle Streifen zwischen den beiden Bögen wird Alexanders dunkles Band genannt.

Was ist am Ende des Regenbogens?

Laut einer irischen Legende befindet sich am Ende des Regenbogens ein Topf mit Gold. Ob dies tatsächlich der Fall ist, können Sie selbst prüfen. Höchstwahrscheinlich waren Sie sogar schon einmal am Ende eines Regenbogens, ohne es zu merken!

Es stimmt schon: Ein Regenbogen ist gewissermaßen eine optische Täuschung. Zwar kann er unter guten Bedingungen fast plastisch wirken. Da er jedoch aus vielen kleinen Lichtspiegelungen geformt wird, die nur aus einer bestimmten Perspektive sichtbar sind, kann man sich einem Regenbogen niemals nähern. Bewegt man sich in die Richtung des Regenbogens, weicht er scheinbar mit gleicher Geschwindigkeit zurück. Befindet sich eine andere Person am Ort, an dem der Regenbogen aus Ihrer Perspektive auf die Erde trifft, sieht diese Person einen anderen, genauso unerreichbaren Regenbogen.

Hier liegt jedoch die Chance, der Goldtopf-Legende auf den Zahn zu fühlen. Stellen Sie sich vor, Sie sind diese andere Person. Dann befinden Sie sich am Ende des Regenbogens – nur, dass dieser ausschließlich aus einer anderen Perspektive sichtbar ist.

Und? Haben Sie dort einen Goldtopf gefunden?

Themen: Atmosphäre, Lichterscheinungen, Sonne

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