Lichtbrechung und -streuung - natürlich schöne Phänomene

Sie führen häufig zu "oh" und "ah" Effekten und verzücken den Beobachter jedes Mal aufs Neue. Die Phänomene der Lichtbrechung bzw. -streuung lassen die Natur in ihrer reinen und schönen Form erscheinen.

Als Zutaten werden lediglich Wassertröpfchen bzw. -moleküle und Sonnenstrahlen benötigt. Als Ergebnis dürfen wir unter anderem den Regenbogen, sowie das Morgen- bzw. Abendrot bestaunen.

Doch wie kommt es zu diesen Phänomenen?

Als physikalische Grundlagen beim Morgen- und Abendrot dienen die
Prozesse der Lichtstreuung. Der Regenbogen basiert dagegen auf dem
Prinzip der Lichtbrechung. In beiden Fällen liegt die Ursache im
sichtbaren Lichtspektrum, das die verschiedenen Farben entsprechend
der unterschiedlichen Wellenlängen aufgeteilt. Als Wellenlänge
bezeichnet man dabei den kleinsten Abstand zweier Punkte einer Welle,
die in gleicher Phase sind. Also z. B. der Abstand zweier
Wellenberge. Während Wasserwellen eine Wellenlänge von bis zu 150
Metern erreichen können, verfügen die Lichtstrahlen über Wellenlängen
zwischen 400 und 800 Nanometer (0,0000004 bis 0,0000008 Meter).

Treffen nun die Lichtstrahlen z. B. auf ein Wassermolekül, so wird
das Licht an diesem gestreut. Das bedeutet, dass die
unterschiedlichen Farben des Lichts unterschiedlich stark vom
Wassermolekül abgelenkt werden, ohne dabei die
Fortpflanzungsgeschwindigkeit zu verändern. Sowohl am Abend als auch
am Morgen müssen das Licht bzw. die Sonnenstrahlen einen langen Weg
durch die Atmosphäre zurücklegen. Dabei wird in langsam abnehmendem
Maße der kurzwellige Anteil (blau) der Sonnenstrahlung durch Streuung
an den Wassermolekülen der Atmosphäre herausgefiltert (Schwächung
oder Extinktion des Sonnenlichtes), sodass nur der rote, länger
wellige Anteil übrig bleibt. Umso mehr Moleküle oder Partikel in der
Luft sind, umso stärker ist die Streuung. Grundvoraussetzung ist
jedoch, dass der Himmel beim Morgenrot im Osten und beim Abendrot im
Westen größtenteils wolkenfrei ist.

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Für die Entstehung von einem Regenbogen ist die sogenannte
Lichtbrechung von Bedeutung. In diesem Fall tritt das Licht in einen
Wassertropfen ein und auch wieder aus. Beim Ein- und Austritt werden
die Farben des sichtbaren Lichts dann analog zur Streuung
unterschiedlich stark abgelenkt. Die Brechung des Lichts in einem
Regentropfen entspricht in seinen Grundzügen (qualitativ) der
Farbzerlegung des Sonnenlichts durch ein Prisma (siehe dazu auch die
Graphik). Jedoch sind die Farben beim
Regenbogen nicht so scharf voneinander getrennt, wie es beim Prisma
der Fall wäre. Ursache für die teilweise Mischung der Farben ist die
Reflexion des Lichtstrahls an unterschiedlichen Stellen der
kugelförmigen Tropfenfläche und ihre erneute Ablenkung beim Austritt.
Die besten Voraussetzungen für einen Regenbogen sind demnach leichter
Regen vor dem Beobachter sowie die relativ niedrig stehende Sonne in
seinem Rücken.

Während Morgen- bzw. Abendrot im Volksmund eine Aussage auf das
kommende Wetter zulassen (''Abendrot Schönwetterbot, Morgenrot
Schlechtwetter droht''), beschreibt der Regenbogen eine kurzfristige
Wettererscheinung. Das typische Aprilwetter mit Wechsel von
Regenschauern und sonnigen Abschnitten stellt dabei besten
Voraussetzungen für die Bildung eines Regenbogens dar. Doch wie die
letzten Wochen zeigen, können auch schon im Winter diese Bedingungen
sehr gut erfüllt werden. Die schon länger andauernde wechselhafte
Westwetterlage bescherte uns schon häufiger beide Naturschauspiele.

Für weitere Informationen können sie auch gerne die Erklärungen im
Wetterlexikon auf der Homepage des Deutschen Wetterdienstes unter
"Regenbogen" bzw. "Morgenrot" nachlesen. *

Dipl.-Met. Lars Kirchhübel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 23.02.2014

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