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Der Regenbogen

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Erfahren Sie in diesem Kapitel etwas über dieses farbenprächtige Naturschauspiel und dessen Entstehung. Dieser Beitrag wurde freundlicherweise von Christian Neuhaus zur Verfügung gestellt.

Philosophische Beschreibung

"Ein Sonnenstrahl tritt von einem optisch dünneren in ein etwa kugelförmiges und optisch dichteres Medium. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindices der beiden Medien ändert sich die Richtung des Lichtstrahles an der Grenzfläche, wobei diese Brechung zusätzlich wellenlängenabhängig erfolgt. Auf der Rückseite erfährt der nun in die Spektralfarben aufgespaltene Strahl eine Reflexion und wird nach den Gesetzen der geometrischen Optik zurückgeworfen. Beim Austritt aus dem dichteren zurück in das dünnere Medium erfolgt eine weitere Brechung des Strahls."

So nüchtern läßt sich eine der wohl farbenprächtigsten Erscheinungen physikalisch beschreiben, die die Natur hervorbringt: der Regenbogen.

Die Geschichte des Regenbogens

Wissenschaftlich erklärt wurde der Regenbogen in Ansätzen schon im 17. Jahrhundert durch den französischen Physiker Réne Descartes, der 1637 die Aufspaltung des Sonnenlichtes in Spektralfarben erklärte. Aber erst 200 Jahre später konnte der englische Physiker George Airy die komplette Theorie durch umfangreiche Berechnungen aufstellen. Dabei spielen sowohl Reflexion und Brechung als auch Interferenz und Beugung eine Rolle. Die Deutung beruht also komplett auf den Gesetzen der geometrischen Optik. Neuere Abhandlungen berücksichtigen den Teilchencharakter des Lichtes und erklären das Phänomen als Photonen-Streuung im Wassertröpfchen. Die Behauptung, daß am Ende eines Regenbogens ein Schatz liegt, läßt sich übrigens mit beiden Theorien überzeugend widerlegen. Regenbogen über Köln im Juli 1998 (Blickrichtung Ost)

Entstehung des Regenbogens

Der Regenbogen entsteht, wenn die Sonne scheint und es zur gleichen Zeit regnet. Die Sonnenstrahlen werden dabei von den Regentropfen sowohl gebrochen als auch reflektiert. Das heißt, daß sich der Beobachter zwischen Sonne und dem Niederschlagsfeld befinden muß und zwar mit der Sonne im Rücken. Der Regenbogen entsteht dabei als Kreis mit dem Radius 42 Grad um den sogenannten Sonnengegenpunkt. Da dieser für erdgebundene Beobachter meist unter dem Horizont liegt, sieht man nur einen Kreisbogen. Vom Flugzeug beispielsweise ist es durchaus möglich einen kompletten Regenkreis zu beobachten. Gleichzeitig heißt dies, daß die Sonne nicht zu hoch am Himmel stehen darf. An einem Sommertag um die Mittagszeit wird man also keinen Regenbogen beobachten können. Die besten Zeiten für die Beobachtung eines Regenbogens sind also beispielsweise spätnachmittags im Sommer, im Winter oder in den Übergangsjahreszeiten.
Schematische Darstellung der Brechung der Lichtstrahlen im Regentropfen Tritt nun das Sonnenlicht von dem optisch dünneren Medium Luft in das optisch dichtere Medium Wasser, so erfährt der Strahl eine wellenlängenabhängige Ablenkung. Kurzwellige Strahlen also beispielsweise violettes Licht werden stärker abgelenkt als langwellige (rot). Die aufgespaltenen Strahlen werden nun an der Rückseite des Tropfens reflektiert und beim Austritt aus dem Tropfen erneut abgelenkt. Die Farbreihenfolge ergibt sich von außen nach innen zu: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett.
Bei einem Nebenregenbogen werden die Strahlen im Tropfeninneren 2 Mal reflektiert, so daß sich die Farbreihenfolge umkehrt. Der Nebenregenbogen hat einen Radius von 51°. Im Grunde genommen kann es durch weitere Reflexionen unendlich viele Nebenregenbögen geben, die aber so lichtschwach sind, daß man sie nicht beobachten kann.

Häufig beobachtet man, daß es innerhalb des Regenbogens viel heller ist als außerhalb. Dort vermischen sich alle Farben des Regenbogens und ergeben wieder ein fast weißes Licht. In die Zone außerhalb des Bogens gelangt weniger Licht, so daß der Himmel hier dunkler erscheint. Weitergehend erklären kann man dies mit der Theorie der optischen Kaustiken, auf die hier jedoch nicht weiter eingegangen werden soll.


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