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Ein Regenbogen entsteht durch eine Reihe physikalischer Phänomene, die mit der Interaktion von Licht und Wassertropfen in der Atmosphäre zusammenhängen. In diesem Beitrag werden wir die wichtigsten physikalischen Prozesse ansehen: Lichtbrechung, Reflexion, Streuung und Dispersion.
Und wir klären, wie es zu dem fantastischen Phänomen Regenbogen kommt.
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Fangen wir beim Licht und seinen Eigenschaften an.
Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die für das menschliche Auge sichtbar ist. Es besteht aus Wellen verschiedener Wellenlängen, die wir als verschiedene Farben wahrnehmen können. Die Wellenlängen reichen von etwa 400 Nanometern (violett) bis 700 Nanometern (rot).
Weißes Licht, wie das Sonnenlicht, ist eine Kombination dieser Wellenlängen.
Wie entsteht ein Regenbogen?
Ein Regenbogen entsteht, wenn Sonnenlicht auf Wassertropfen trifft, zum Beispiel auf eine Regenwand . Die Regentropfen wirken wie kleine Prismen, die das Licht in seine verschiedenen Farben aufspalten.
Dieser Prozess setzt sich aus drei Hauptphänomenen zusammen: Brechung, Reflexion und Dispersion.
Zunächst kommt es zur Brechung des Lichts
Wenn Licht von einem Medium (z. B. Luft) in ein anderes Medium (z. B. Wasser) unterschiedlicher optischer Dichte übergeht, ändert es seine Geschwindigkeit. Dieser Geschwindigkeitswechsel führt zu einer Richtungsänderung des Lichts. Dieses Phänomen wird als Brechung bezeichnet. Wenn das Sonnenlicht in den Regentropfen eintritt, wird es gebrochen.
Dieses Phänomen tritt später ein zweites Mal auf, wenn die Farbigen, gespiegelten Lichtstrahlen Regentropen an dessen Vorderseite wieder verlassen und abermals gebrochen werden.
Dispersion: nennt man die Aufspaltung des Lichts
Dispersion beschreibt das Phänomen, bei dem Licht in seine verschiedenen Farbkomponenten zerlegt wird. Bei der ersten Brechung beim Eintritt in den Regentropfen, werden die Farben des weißen Lichts aufgespalten.
Die verschiedenen Farben des Lichts brechen unterschiedlich stark, weil sie unterschiedliche Wellenlängen haben.
Rot hat die längste Wellenlänge und wird am wenigsten abgelenkt, während Violett die kürzeste Wellenlänge hat und am stärksten gebrochen wird.
Im inneren des Regentropfens befindet sich „aufgespaltenes“ Licht.
Im Inneren des Regentropfens kommt es zur Reflektion
Nachdem das Licht gebrochen wurde, wird es im Inneren des Regentropfens reflektiert.
Diese Reflexion tritt auf, wenn das Licht die Rückseite des Regentropfens erreicht.
Das Licht wird zurückgeworfen, bleibt jedoch im Tropfen.
Es handelt sich hierbei um eine totale innere Reflexion, die das Licht erneut zur Vorderseite des Tropfens lenkt
Und wie wir wissen, Licht unterschiedlicher Farben.
Die verschiedenen Farben verlassen den Tropfen unter leicht unterschiedlichen Winkeln. Das menschliche Auge nimmt diese Lichtstrahlen als ein Spektrum von Farben wahr, das wir als Regenbogen sehen.
Ein Regenbogen besteht in der Regel aus sieben Farben, die auch als Spektralfarben bezeichnet werden.
Von außen nach innen sind das: rot, orange, gelb, grün, blau, indigo und violett.
Was sind Sekundäre Regenbögen und wie kommt es dazu?
Manchmal sieht man zwei Regenbögen gleichzeitig, eine zweiten der den ersten umgibt. Dies geschieht, wenn das Licht zweimal im Inneren des Regentropfens reflektiert wird, bevor es austritt. Diese doppelte Reflexion erzeugt einen zweiten, schwächeren Regenbogen, der außerhalb des Hauptregenbogens erscheint. Die Reihenfolge der Farben ist bei einem sekundären Regenbogen durch die zweifache Spiegelung umgekehrt.
Physikalisch gesehen gibt es immer einen doppelten Regenbogen. Der Regenbogen besteht immer aus dem Hauptbogen und dem Nebenbogen. Alledings kann der Nebenbogen so schwach sein, dass wir ihn nicht wahrnehmen können.
Wie ist das mit dem Winkel und der Position des Regenbogens
Der Winkel, unter dem ein Regenbogen erscheint, ist konstant. Er beträgt etwa 42 Grad zur Linie zwischen der Sonne und dem Beobachter. Daher sieht man Regenbögen immer in der Richtung gegenüber der Sonne. Der Regenbogen ist also ein optisches Phänomen, das von der Position des Betrachters abhängt, so kann es sein, dass einige Betrachter ihn in in ihrer Position sehen, andere nicht. Das bedeutet aber auch, dass jeder einen etwas anderen Regenbogen sieht.
Steht die Somme sehr tief sieht man einen hohen Regenbogen, der Bogen erscheint flacher, wenn die Sonne höher steht. Meist wird der Regenbogen durch den Horizont in ein Kreissegment geschnitten. Aus großer Höhe kann ein Betrachter mit etwas Glück einen Regenbogen als kompletten Kreis sehen, also nicht abgeschnitten vom Horizont, der Grund liegt in den Kreisrunden Regentropfen. Und genau genommen sehen wir einen Sonnenbogen.
Für die Entstehung von Regenbögen sind optische Naturerscheinungen verantwortlich
Die Entstehung des Regenbogens ist ein Zusammenspiel mehrerer physikalischer Phänomene:
Brechung: Licht wird beim Eintritt in den Regentropfen gebrochen.
Dispersion: Das Licht wird in seine Farbkomponenten aufgespalten.
Reflexion: Das Licht wird im Inneren des Regentropfens reflektiert.
Austreten des Lichts: Das gebrochene Licht verlässt den Tropfen in verschiedenen Winkeln, was zu einem Spektrum führt.
Diese Prozesse erklären, warum wir einen Regenbogen sehen und warum er so faszinierend bunt ist. Die Vielfalt der Farben entsteht durch die spezifischen Eigenschaften des Lichts und der Interaktion mit Wassertröpfchen.
Zum Fazit:
Regenbögen sind ein beeindruckendes Naturphänomen, das durch einfache physikalische Prinzipien erklärt werden kann. Die Kombination aus Brechung, Reflexion und Dispersion des Lichts in Wassertropfen schafft die Farbvielfalt, die wir am Himmel sehen können. Es zeigt, wie komplexe und schöne Effekte aus den grundlegenden Gesetzen der Physik entstehen können.
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Faszination Regenbogen
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Manuka, Deutschland
Gerd Altmann, Freiburg/Deutschland
Steve Kaufman, CC BY-SA 3.0, wikimedia
Drjhony, Waqar Habib, Lahore/Pakistan
Quellen & Weiterführendes:
Chat-GPT 4.o
nasa.gov
Michael Vollmer: Lichtspiele in der Luft.
Michael Theusner: Photographic observation of a natural fourth-order rainbow.
ISSN 1559-128X
https://atoptics.co.uk/blog/twinned-rainbows
Iman Sadeghi u. a.: Physically-based simulation of rainbows.
Backgroundmusik: (C) Pobimo
Abspannmusik: (C) Pobimo
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