Über die Entstehung des Regenbogens

Am vergangenen Donnerstag konnte man im südöstlichen
Rhein-Main-Gebiet abends wunderbar einen Regenbogen beobachten. Da
bot sich auch für mich die Gelegenheit, vom Balkon aus ein Foto zu
schießen.

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Doch wie entsteht ein Regenbogen eigentlich?

Wissenschaftlich gesehen handelt es sich bei diesem Naturschauspiel
um ein atmosphärisch-optisches Phänomen, das als bogenförmiges
farbiges Band erscheint. Voraussetzung zur Beobachtung ist zunächst,
dass das Sonnenlicht hinter dem Beobachter steht und eine Regenwand
bescheint. Weitere Voraussetzung ist, dass die Sonne dabei nicht
höher als 42° steht. Steht sie höher, ist der Regenbogen nur von
einem erhöhten Standpunkt und tiefer als der Horizont sichtbar. Warum
das so ist, dazu kommen wir später.
Das Sonnenlicht bildet einen kleinen Teil des Spektrums
elektromagnetischer Wellen. Wenn die Sonne hoch am Himmel steht,
erreichen alle Anteile des Sonnenlichts die Erdoberfläche. Die
Mischung aller Farben nehmen wir als weißliches Tageslicht wahr. Ein
Regentropfen funktioniert zunächst ähnlich wie ein Prisma. Die Farben
des Regenbogens entstehen durch Brechung des Sonnenlichts, wobei
dieses abhängig von der Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt
wird.
Unter oben erwähntem Foto finden, befindet sich auch eine
vereinfachte Abbildung des Strahlengangs in einem Regentropfen. Zur
Beachtung: Diese Abbildung legt keinen Wert auf Genauigkeit, sondern
soll nur zur einfacheren Vorstellung dienen. Auch ist die mehrfache
Reflexion innerhalb eines Tropfens nicht betrachtet worden.
Beim Eintritt in den Regentropfen werden die verschiedenen
Farbanteile des Sonnenlichts entsprechend ihrer Wellenlänge
unterschiedlich stark abgelenkt - rot am wenigsten und blau am
stärksten. Daraus resultiert, dass die somit entstandenen
Farbstrahlen an der Rückwand des Tropfens an unterschiedlichen
Stellen auftreffen. Dort werden sie reflektiert. Ihr Austritt aus dem
Tropfen erfolgt ebenso nicht an einer einzigen, exakt gleichen
Stelle. Auch die erneute Ablenkung durch die Brechung beim Austritt
ist von der Farbe des jeweiligen Strahls abhängig. Der rote Strahl,
den der Beobachter sieht und der einfallende Sonnenstrahl schließen
dabei einen Winkel von 42° ein. Wenn man sich die Grafik anschaut,
könnte man annehmen, dass Blau die oberste Farbe im Hauptregenbogen
sein müsste. Dem ist aber nicht so, weil der entsprechende Strahl das
Auge des Beobachters gar nicht erreicht. Vielmehr sieht man Blau als
unterste Farbe im Regenbogen, da es von weiter unten liegenden
Regentropfen stammt. Der entsprechende Winkel für Blau beträgt 40,2°.

Steht man auf der Erdoberfläche und steht die Sonne unmittelbar am
Horizont, so bildet der Regenbogen einen Halbkreis, dessen
Mittelpunkt im der Sonne gegenüberliegenden Horizont (dem sogenannten
Gegenhorizont) liegt. Je höher die Sonne steht, desto kleiner wird
der Regenbogen und sein Mittelpunkt liegt unter dem Gegenhorizont.
Als Bezugspunkt zur Beschreibung bedient man sich daher des
Scheitelpunkts. Das ist der höchste Punkt des Bogens. In ihm sind die
Farben in der Regel auch am deutlichsten ausgeprägt. Im Fall, dass
die Sonne höher als 42° am Himmel steht - wie beispielsweise zur
Mittagszeit - befindet sich der Scheitelpunkt unterhalb des
Horizonts. Somit kann ein auf der Erdoberfläche stehender Betrachter
den obersten Punkt des Bogens nicht mehr sehen, sondern müsste sich
erst auf einen Turm oder ähnliches begeben. Vom Flugzeug aus kann man
sogar unter Umständen einen zum Kreis geschlossenen Hauptregenbogen
sehen.

Dem aufmerksamen Leser wird vielleicht aufgefallen sein, dass im Foto
neben einem kräftigen Hauptregenbogen auch ein ganz schwacher
Nebenregenbogen zu sehen ist. Dieser entsteht dadurch, dass die
Lichtstrahlen im Inneren eines Tropfens zweimal reflektiert werden.
Eine Abschwächung entsteht unter anderem durch die größere
Auffächerung des Lichtstrahls in seine Teilstrahlen, da für die
zweifache Reflexion Ein- und Austritt des Sonnenstrahles am
Tropfenrand flacher sind. Nach ein paar optischen Berechnungen erhält
man für das zum Beobachter gelangende blaue Licht einen Winkel von
54° und für rotes Licht einen Winkel von 51°. Damit ergibt sich, dass
die rote Farbe innen sein muss. Entsprechend "schauen" sich die roten
Bereiche von Haupt- und Nebenbogen an.

Also, werfen Sie einfach nach dem nächsten abendlichen Schauer mal
einen Blick an den "Gegenhorizont" - vielleicht kommt ja die Sonne
zwischen den Wolken heraus und lässt so einen schönes Naturschauspiel
entstehen.

M.Sc. Met. Stefan Bach
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 30.06.2013

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Bild: DWD