Kommt nach einem Regenschauer die Sonne zum Vorschein, bildet sich oft ein Regenbogen am Himmel. Erklären lässt sich das farbenfrohe Lichtspiel mit den Grundlagen der Optik.

Auf den ersten Blick erscheint das Licht der Sonne meist weiß. Tatsächlich setzt es sich aber aus einem breiten Spektrum an Wellenlängen zusammen. Sichtbar wird das in einem Regenbogen, in dem sich das Sonnenlicht in seine unterschiedlichen Farbanteile – von rot bis hin zu blau – auffächert. Verantwortlich für dieses Phänomen ist ein Effekt, der auch in einem Prisma auftritt: Sobald elektromagnetische Wellen von einem Medium – wie der Luft – in ein anderes Medium – wie das Glas des Prismas – übergehen, werden die Lichtstrahlen an der Grenzfläche gebrochen. „Dabei ist die Ablenkung für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich stark“, erklärt Michael Vollmer von der Technischen Hochschule in Brandenburg.

Dieser Effekt kann auch in der Atmosphäre stattfinden, wenn Sonnenstrahlen auf die winzigen Wassertropfen in einer Regenfront treffen. „Das Sonnenlicht spaltet sich beim Eintritt in den Regentropfen wie in einem Prisma in ein Farbspektrum auf“, so Vollmer. Dieses Aufspalten des Sonnenlichts ist aber nur der erste Schritt zur Entstehung eines Regenbogens.

Ein Teil der eintretenden Sonnenstrahlen durchquert den annähernd kugelförmigen Regentropfen und verlässt ihn an der Rückseite, wobei er erneut abgelenkt wird. Ein anderer Teil wird jedoch an der gebogenen Rückseite reflektiert und gelangt an der Vorderseite wieder nach außen. An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft wird das Licht ebenfalls noch einmal gebrochen. Der Winkel, unter dem ein Lichtstrahl aus dem Regentropfen austritt, hängt dabei vom Einfallswinkel ab. Doch durch die Geometrie des Tropfens werden besonders viele Lichtstrahlen gleich stark abgelenkt und lassen sich unter einem Winkel von etwa 42 Grad beobachten. „Dieses Phänomen sorgt für die Form des Regenbogens“, berichtet Vollmer. Und der bekannte Farbverlauf am Himmel ergibt sich, weil der Beobachtungswinkel für blaue Farben mit 40 Grad etwa zwei Grad kleiner ist als für rote Farben.

Für einen Regenbogen braucht es natürlich nicht nur einen, sondern unzählige Regentropfen, die das Sonnenlicht brechen und reflektieren. Zudem müssen auch wir uns in der richtigen Position befinden, um das Naturschauspiel sehen zu können, da die Regentropfen nicht in jede Richtung gleich viel Licht zurückwerfen. „Am meisten Licht erreicht unsere Augen, wenn der Winkel zwischen unserer Blickrichtung zum Regentropfen und unserer Blickrichtung zum Sonnengegenpunkt etwa 42 Grad beträgt. Alle Tropfen, die diese Bedingung erfüllen, bilden einen Kreisbogen – den Regenbogen“, so Vollmer. Genau genommen kann dieses Licht sogar einen ganzen Kreis bilden. „Doch meist schneidet die Landschaft den unteren Teil des Regenbogens ab. Mit etwas Glück kann man den ganzen Kreis aber von einem Flugzeug oder einem hohen Berg aus beobachten.“

An manchen Tagen lässt sich sogar etwas außerhalb des ersten ein zweiter Regenbogen am Himmel entdecken. „Das Licht, das diesen Nebenregenbogen bildet, wurde ein weiteres Mal innerhalb des Regentropfens reflektiert und hat erst dann den Regentropfen verlassen“, so Vollmer. Theoretisch kann das Licht auch noch öfter innerhalb des Regentropfens reflektiert werden, dabei verliert es allerdings an Intensität. Zudem verändert sich die Position der Bögen: Die Bögen dritter und vierter Ordnung liegen etwa nicht gegenüber, sondern in Richtung der Sonne. Daher sind Regenbögen mit zunehmender Ordnung selbst bei exzellenten Sichtverhältnissen mit dem bloßen Auge nicht mehr zu sehen.

Nicht nur Regentropfen reflektieren und brechen Licht: Auch gefrorenes Wasser in Form von Eiskristallen kann optische Erscheinungen – sogenannte Halos – verursachen. Wie bei den kugelförmigen Regentropfen ist auch bei Eiskristallen die geometrische Form entscheidend für die optischen Erscheinungen. Wenn Wasser kristallisiert, bildet es häufig dünne sechseckige Plättchen oder sechseckige Säulen. Je nachdem, wie groß die Kristalle sind und wie sie sich in der Atmosphäre anordnen, kann sich eine Vielzahl von Halos ausbilden.

Steht die Sonne beispielsweise tief am Horizont und sind die Eiskristalle zufällig in der Luft ausgerichtet, kann man mit etwas Glück einen Lichtring um die Sonne entdecken. Dieser sogenannte 22-Grad-Ring entsteht, da besonders viele Sonnenstrahlen – wenn sie die Eiskristalle nach zweifacher Brechung wieder verlassen – um 22 Grad abgelenkt werden. Ähnlich wie im Fall des Regenbogens befinden sich die Eiskristalle, durch die besonders viel Licht in unser Auge trifft, in einem Kreis am Himmel. Infolgedessen erscheint ein leuchtender Ring um die Sonne. Ist die Atmosphäre dagegen ruhig und liegen die Eiskristalle überwiegend in Form von sechseckigen Plättchen vor, so schweben diese meist horizontal in der Luft. Dadurch kann das Sonnenlicht nur in zwei Richtungen abgelenkt werden und es bilden sich zwei besonders helle Stellen im 22-Grad-Abstand links und rechts neben der Sonne. Diese sogenannten Nebensonnen zählen zu den häufigsten in Deutschland beobachtbaren Haloerscheinungen.

Welt der Physik CC by-nc-nd

Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/wie-entsteht-ein-regenbogen/

Michael Vollmer, Technische Hochschule Brandenburg

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