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 aufteilt. 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 Nanometern (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,
längerwellige 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.

Für die Entstehung eines Regenbogens 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 (Dispersion). 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 die besten
Voraussetzungen für die Entstehung eines Regenbogens dar. Doch auch
schon im Winter können diese Bedingungen sehr gut erfüllt werden.
Aufgrund des zurzeit zunehmenden Hochdruckeinflusses und des somit
vielerorts trockenkalten Wetters ist zumindest der Regenbogen als
Naturschauspiel vorerst nicht zu erwarten. Morgen- und Abendrot
können dagegen durchaus beobachtet werden.

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 16.01.2017

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