Heiter bis Stürmisch

HBS004 Der Regenbogen

03 May 2020

Optische Erscheinungen sind eines der schönsten Wetterphänomene, die beobachtet werden können. Zu den bekanntesten gehört wohl der Regenbogen. Er ist nicht nur Symbol vieler Mythen, sondern auch physikalisch sehr interessant. Wer die Ursachen und Bedingungen für einen Regenbogen kennt, hat die Möglichkeit gezielt nach einem Ausschau zu halten. Und muss nicht drauf warten den Regenbogen zufällig zu beobachten.

Einige kennen die Erklärung vielleicht noch aus der Schule. Das Licht wird an den Wassertropfen gebrochen und in seine Farben aufgeteilt. Die sehen wir dann in Form des Regenbogens.

Aber wann genau sehen wir denn einen Regenbogen? Klar, es muss die Sonne scheinen und auch gleichzeitig regnen. Sichtbar wird der Regenbogen dann gegenüber der Sonne, am Sonnengegenpunkt. Allerdings auch nicht immer. Denn die Sonne darf nicht zu hoch am Himmel stehen, sonst verschwindet der Regenbogen sozusagen im Boden bzw. hinter dem Horizont. Nur wenn die Sonne tiefer als 42 Grad steht, haben wir die Chance einen Regenbogen zu beobachten. Im Sommer steht die Sonne bei uns besonders hoch. Zur Mittagszeit ist es daher nicht möglich einen Regenbogen zu beobachten. Dann müssen wir geduldig bis zu den Abend- bzw. Morgenstunden warten. Im Winter hingegen haben wir den ganzen Tag über die Möglichkeit nach einem Regenbogen Ausschau zu halten. Am besten ist der Regenbogen am Morgen und am Abend zu beobachten, denn dann steht die Sonne besonders tief. Und je tiefer die Sonne, desto höher ist der Regenbogen am Himmel sichtbar.

Dabei ist noch was spannendes zu beobachten. Der Regenbogen hat nicht immer die gleiche Größe. Steht die Sonne tiefer, wird der Regenbogen größer. Der Regenbogen ist nämlich nicht einfach nur ein Bogen, der einen Anfang und ein Ende hat. Er ist Teil eines Kreisbogens. Allerdings ist der untere Teil des Kreises oftmals nicht zu sehen, da er sozusagen im Boden ist. Je höher der Regenbogen steht, desto mehr können wir vom Kreis sehen und desto runder und breiter erscheint er. Es gibt noch eine andere Möglichkeit die Größe eines Regenbogens zu ändern. Und das können wir selbst tun. Wenn wir uns hoch genug befinden, zum Beispiel in einem Hochhaus, auf einer Brücke oder auch im Flugzeug, können wir den Regenbogen in seiner vollen Pracht und als kompletten großen Kreis beobachten.

Der englische Physiker Isaac Newton lieferte 1704 als erster die richtige Erklärung für das typische Farbspektrum. Vor Newton glaubte man noch, dass Regentropfen oder Prismen das Licht (aktiv) verändern und auf irgendeine (noch unbekannte) Weise in Farben umwandelt. Heute wissen wir, dass das Licht nur in seine Bestandteile zerlegt wird und nicht aktiv verändert wird. Vor dem Eintritt in Prismen besitzt das Licht auch schon die Farbanteile. Das ursprünglich weiße Licht wird also auf seinem Weg durch das Prisma in seine Spektralfarben zerlegt. Die Farben reichen dabei von innen nach außen von violett und blau, über grün und gelb bis rot.

Trifft ein Lichtstrahl auf ein dichteres Medium wie ein Regentropfen wird es gebrochen. Je nach Wellenlänge der einzelnen Spektralfarben wird der Lichtstrahl unterschiedlich stark (abgebremst und) gebrochen. Der violette und blaue Anteil wird dabei stärker gebrochen als der gelbe oder rote Anteil des Lichts. An der inneren Rückseite des Regentropfens wird das Licht nun wie bei einem Spiegel reflektiert. Und beim Verlassen des Tropfens wird das Licht nochmals gebrochen. Das sind die 3 entscheidenden Eigenschaften. Brechung, Reflexion, Brechung.

Der Lichtstrahl kann nun von oben, unten oder seitlich auf den Regentropfen treffen und auch wieder in alle Richtungen austreten. Aber eben nur ein bestimmter Winkel erzeugt für uns die schöne Farbenpracht. Nur wenn uns die Lichtstrahlen in einem Winkel von etwa 42 Grad erreichen, können wir einen Regenbogen sehen. Man kann sich das wie einen Kegel vorstellen. Die Spitze des Kegels befindet sich in unserem Auge und die Öffnung zeigt in Richtung Himmel. Der Öffnungswinkel beträgt 42 Grad. Wir können genau das Licht der Tropfen sehen, die sich entlang der Kegeloberfläche befinden also auf dem Rand und das Licht so in unser Auge lenken. Ist der Tropfen zu weit außer- oder innerhalb des Kegels können wir keine Aufspaltung der Farben sehen und somit auch keinen Regenbogen. Das ist auch der Grund warum ein Regenbogen rund ist.

Nun reicht ein einzelner Regentropfen nicht für einen kompletten Regenbogen, sondern ganz ganz viele. Nur die vielen Reflexionen der verschiedenen Regentropfen ergeben das Gesamtbild des Regenbogens. Das bedeutet auch, dass jeder Mensch seinen ganz eigenen Regenbogen sieht, da jeder einen etwas anderen Beobachtungspunkt bzw. Blickwinkel zu den Tropfen und damit zu dem reflektierten Licht hat. Zudem ist ein Regenbogen ja nichts festes und beständiges. Ständig fallen neue Tropfen nach und reflektieren das Licht, der Regenbogen wird also ständig neu erzeugt. Auch wenn es für uns nicht so aussieht. Denn jeder Tropfen ist auf seinem Weg nach unten nur ganz kurz in dem Bereich, der für uns das bunte Licht erzeugt.

Manchmal sieht man aber nicht nur einen Regenbogen, sondern noch einen zweiten, größeren. Er ist oberhalb des Hauptregenbogens zu sehen und hat eine umgekehrte Farbreihenfolge, also innen rot und außen blau-violett. Dieser Nebenregenbogen entsteht, wenn der Lichtstrahl ein zweites mal an der Innenseite des Regentropfens reflektiert wird bevor er den Tropfen verlässt. Der Nebenregenbogen wirkt dabei schwächer als der Hauptregenbogen. Zum einen ist der Lichtanteil nach der zweiten Reflexion im Tropfen beim Austreten geringer. Und außerdem ist der Nebenregenbogen durch die größere Auffächerung der Farben etwas breiter und damit schwächer. Unter besonders guten Lichtverhältnissen sind auch drei oder mehr Nebenregenbögen möglich. Die leuchten meist aber sehr schwach und sind deshalb nur selten zu sehen.

Wenn man sich den Himmel zwischen dem Hauptregenbogen und dem Nebenregenbogen genauer anguckt, fällt auf, dass dieser Bereich etwas dunkler erscheint als seine Umgebung. Dieses dunkle Band wird zu Ehren seines Entdeckers Alexander von Aphrodisias, einem Schüler Aristoteles vor knapp 2000 Jahren, "Alexanders dunkle Band" genannt. Der Helligkeitsunterschied kommt durch die Umlenkung des Lichts auf die beiden Bögen zustande. In den Regenbögen wird das Licht konzentriert und für den Bereich zwischen den Regenbögen bleibt weniger Licht übrig und der Bereich erscheint daher etwas dunkler.

Nicht nur der Regenbogen kann von Zeit zu Zeit am Himmel beobachtet werden. Andere optische Erscheinungen wie Nebensonnen, Zirkumzenitalbögen oder auch Glorien lassen das Licht in seinen verschiedenen Farben erscheinen. Dabei gibt es einen großen Unterschied zur Brechung des Lichtes bei einem Regenbogen. Statt Regentropfen erzeugen Eiskristalle diese schönen Effekte. Das ist aber eine Geschichte für ein anderes Mal.

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