Halo

Die Nebensonnen

Drei Sonnen sah ich am Himmel steh’n,
Hab‘ lang und fest sie angeseh’n;
Und sie auch standen da so stier,
Als wollten sie nicht weg von mir.

 Ach, meine Sonnen seid ihr nicht!
Schaut ander’n doch ins Angesicht!
Ja, neulich hatt‘ ich auch wohl drei;
Nun sind hinab die besten zwei.

Ging nur die dritt‘ erst hinterdrein!
Im Dunkeln wird mir wohler sein.*

* Wilhelm Müller (1794 -1827)

Das Gedicht von Wilhelm Müller wird der einen oder dem anderen durch den Liederzyklus Winterreise bekannt sein, der von Franz Schubert (1797 – 1828) vertont wurde. Daran wurde ich vor ein paar Tagen erinnert, als ich die tiefstehende Sonne mit zwei Nebensonnen erleben durfte.
Im Englischen heißen Nebensonnen auch „sundogs“, womit wohl zum Ausdruck kommen soll, dass die Sonne ihre beiden Hunde ausführt. Wie dem auch sei, ich sitze im Garten betrachte das Himmelsschauspiel, lausche „gedanklich“ Schuberts Vertonung und bin nur dadurch etwas beunruhigt, dass ich um diese Jahreszeit bei bereits tiefstehender Sonne und einer Temperatur von 20°C im Garten sitze.

Wer sich u. A. für die physikalischen Hintergründe und andere Aspekte des Phänomens interessiert, sei auf frühere Blogbeiträge verwiesen (z.B. hier und hier und hier).

Morgendämmerung mit Lichtsäule

Nachdem der sintflutartige Regen abgeklungen ist, erhebt sich am folgenden Morgen eine prominente Lichtsäule. Sie befindet sich oberhalb der noch unter dem Horizont befindlichen Sonne, indem das Sonnenlicht an der Unterseite zahlreicher Eisplättchen ins Auge des Betrachters bzw. ins Objektiv der Kamera reflektiert wird. Die Eisplättchen sinken bei relativer Windstille langsam um eine horizontale Achse schwankend zu Boden (siehe Grafik). Eine konkrete Anschauung vom Verhalten eines einzelnen Eisplättchens kann man sich beispielsweise dadurch verschaffen, dass man eine Spielkarte waagerecht ausgerichtet zu Boden fallen lässt. Weiterlesen →

Lichtgestalten: die Untersonne

Wenn die Sonne auf einer glatten Wasseroberfläche gespiegelt wird, sieht es so aus, als würde eine Spiegelsonne aus den Tiefen des Sees heraus leuchten. Dabei ist sie im virtuellen Raum unter der Wasseroberfläche genauso weit unter wie die reale Sonne über der Wasseroberfläche. Dass man das meist nicht so zu sehen vermeint, liegt daran, dass unser Verstand scheinbar korrigierend eingreift.
Eine ähnliche Situation liegt vor, wenn wir aus großer Höhe, zum Beispiel von einem Berg oder einem Flugzeug aus die Sonne auf flachen, in der Luft driftenden Eisplättchen gespiegelt sehen, die wir selbst gar nicht wahrnehmen. Nimmt man den Horizont als Orientierungslinie hinzu, so kann man feststellen, dass diese sogenannte Untersonne, genauso weit darunter wie die reale Sonne darüber liegt (siehe unteres Foto). Dabei sind natürlich keine absoluten Entfernungen gemeint, sondern die Winkelhöhe.
Diese Untersonne zählt zu den Haloerscheinungen, die durch Brechung und Spiegelung an  Eisplättchen hervorgerufen werden. Die Lichtsäule über einer Laterne gehört ebenso dazu wie die Nebensonne. Während bei der Lichtsäule die Sonnenstrahlen an der Unterseite reflektiert werden, erfolgt die Reflexion bei der Untersonne an der Oberseite der sinkenden Eisplättchen (siehe Skizze). Und weil die Eisplättchen während ihres lansamen Sinkens leicht um die Gleichgewichtslage schwanken, variiert der Reflexionswinkel ein wenig. Das macht sich visuell in einer in die Länge gezogenen Form bemerkbar.
Die Schwankungen der Plättchen haben einen ganz ähnlichen Effekt wie die statistisch verteilten Wellen auf dem Meer beim Zustandekommen des Schwerts der Sonne: Das reflektierte Sonnenlicht erreicht die Augen des Beobachters aus einem gewissen Winkelbereich.

Lichtsäule oberhalb und unterhalb der Sonne

Es war kein Aprilscherz, der sich am 1. April vor meinem Auge abspielte, obwohl ich noch in der Stimmung war, alles und jedes was an dem Tag an nur halbwegs Ungewöhlichem präsentiert wurde, skeptisch zu beäugen. Nein, ich sah es mit eigenen Augen. Kurz bevor die Sonne an der um diese Zeit gewohnten Stelle dem Untergang zueilte – in zwei Minuten ungefähr die Strecke ihres eigenen Durchmessers sinkend – illuminierte sie den Himmel oberhalb und unterhalb ihrer selbst in Form je einer hellen Säulen. Weiterlesen →

Nebensonne – Lichtbrechung an Eiskristallen

Dieses Naturphänomen mag auf den ersten Blick an einen Teil eines Regenbogens erinnern. Davon dass dies nicht der Fall ist, überzeugt man sich schon durch die Position des Farbstreifens, der in einem Winkel von 22° links oder rechts – manchmal auch beidseitig – neben der Sonne zu sehen ist. Man spricht daher auch von einer Nebensonne. Die Lichterscheinung kann unter Umständen so stark wirken, dass man in der Tat an die Sonne erinnert wird, insbesondere dann, wenn die „richtige“ Sonne verborgen ist.
Wissenschaftlich nennt man die Nebensonne Parhelion, was auf altgriechisch dasselbe besagt. Im englischen Sprachgebrauch ist auch sehr fantasievoll von „sun dogs“ (Sonnenhunde) die Rede, so als würde die Sonne mit ihren Hunden an der Leine spazieren gehen.
Anders als beim Regenbogen sind nicht Wassertropfen für die Entstehung der Spektralfarben verantwortlich, sondern dünne Wolken von Eiskristallen. Diese Eiskristalle wirken wie winzige hexagonale Prismen, die das Licht ihrer Geometrie und Substanz entsprechend brechen und damit aus der ursprünglichen Richtung ablenken (nebenstehende Grafik): Sichtbares Licht hat ein Minimum der Ablenkung zwischen 21,7° (rot, 656 nm) und 22,5° (violett, 400 nm). Unter kleineren Winkeln kann keine Brechung mehr auftreten. Die meisten Lichtstrahlen, die zum Betrachter gelangen, werden in Winkeln nahe beim Minimum der Ablenkung gebrochen, wodurch ein heller inneren Rand zu sehen ist.
Dass die Nebensonnen auf gleicher Höhe wie die Sonne erscheinen, ist darauf zurückzuführen, dass die flachen Eisplättchen gewissermaßen horizontal liegend sinken und daher ihre Orientierung bis auf kleine Schwankungen beibehalten.
Wenn die Eiskristalle nicht so flach und beliebig orientiert sind, tritt ein ganzer Kreisbogen um die Sonne auf, der so genannte 22° Halo. Die Nebensonnen sind im Grunde nur ein Spezialfall eines komplexen Halosystems.

Rätselfoto des Monats September 2016

Frage: Woher kommt der senkrechte Lichtstrahl?

Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2016

Stimmt da was nicht?
Frage: Wie lässt sich diese Situation physikalisch erklären?
Antwort: Da betrachtet jemand erstaunt das optische Rätsel, das sich vor ihm auftut. Es ist so, als ob zwei ganz unterschiedliche Gebäude miteinander verschmelzen würden. In gewisser Weise tun sie es auch, jedenfalls optisch. Und das aus folgendem Grund. Vor dem Betrachter steht ein rundum verglastes Gebäude, die Fahrradstation vor dem Münsteraner Hauptbahnhof. Teilweise blickt man durch sie hindurch, teilweise blickt man von unten gegen die Decke des Gebäudes. Die Decke ist links oben deutlich zu erkennen, wo sie von einem Pfeiler unterstützt wird.
Glasscheiben haben die Eigenschaft, das Licht gleichzeitig durchzulassen und zu einem geringen Teil zu reflektieren. Daher kommt das Licht von dem hinter der Fahrradstation gelegenen Gebäude nahezu unvermindert hindurch: Man sieht dieses Gebäude in großer Deutlichkeit. Das von dem (nicht zu sehenden) Bahnhofsgebäude ausgehende und an den Scheiben reflektierte Licht, fällt dagegen kaum ins Gewicht. Anders ist es dort, wo man schräg von unten auf die im Dunkeln liegende Decke der Fahrradstation blickt. Von dort kommt nur sehr wenig Licht, sodass an diesen Stellen, das reflektierte Licht des Bahnhofs ausreicht, deutlich zu sehen ist. Denn es wird kaum durch Gegenlicht überlagert. An den Stellen, an denen der Bahnhof auch noch von der tiefstehenden Sonne beleuchtet wird, ist die Intensität des reflektierten Lichts fast so groß wie das direkte Licht vom gegenüberliegenden Gebäude. Hier kommt es zu einer Überlagerung beider Lichteffekte und zu einer Störung der optischen Information.
Das scheinbar in der Radstation stehende Auto ist ebenfalls eine Reflexion, nämlich eines Autos, das in etwa auf der Höhe des Beobachters parkt und in der Scheibe der Radstation gespiegelt wird.
Das komplexe optische Szenario zeigt, wie stark spiegelnde Reflexionen des Lichts an Glasscheiben in Erscheinung treten und die Transparenz des Glases beeinträchtigen können, wenn entsprechende Lichtverhältnisse herrschen.

Rätselfoto des Monats April 2015

Welche physikalisch interessanten Phänomene sind zu sehen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Stall-in-Flammen

Wundern über den Nebenmond

Arno Schmidt ist für seine eigenwillige Sprache bekannt. In dieser Sprache gelingt es ihm immer wieder das Beobachtete nicht nur präzise und nachvollziehbar darzustellen, sondern auch noch Nebenaspekte anklingen zu lassen, die normalerweise durch das grobe Netz der gewöhnlichen Sprache fallen. In seiner kleinen Geschichte:“Nebenmond und rosa Augen“ spricht er das gleichnamige Naturphänomen an, über das man sich wundern kann oder auch nicht: Weiterlesen →

Die einsame Lichtsäule

Das Schloss im westfälischen Münster im Schnee. Winzige Eiskristalle schweben zu Boden. Man sieht sie nicht direkt. Aber die Lichtsäule über der linken Laterne verrät nicht nur, dass Eiskristalle fallen, sondern auch, dass sie geordnet fallen. Vorwiegend flache Eisplättchen sinken flach ausgerichtet langsam zu Boden. An ihrer Unterseite wird von Licht der Laterne zur Kamera reflektiert. Wenn die Kristalle alle streng dieselbe Ausrichtung hätten, dürfte nach dem Reflexionsgesetz das reflektierte Licht nur aus genau einer Richtung kommen und wegen der Winzigkeit der Plättchen überhaupt nicht auffallen. Offenbar schwanken die Eisplättchen leicht um eine horizontale Achse hin und her, so dass das an der Unterseite der Plättchen reflektierte Licht der jeweiligen Neigung entsprechend auch aus leicht abweichenden Richtungen zur Kamera gelangt. Insgesamt bkommt man auf diese Weise eine ganze Lichtsäule zu sehen.  Ein analoger Effekt ist das bekannte Schwert der Sonne, jene Lichtbahn auf leicht welligem Wasser, bei der das reflektierte Licht wegen der Welligkeit ebenfalls aus vielen Richtungen ins Auge gelangt.
Da die übrigen Laternen diesen Effekt nur kaum sichtbar (auf dem Foto gar nicht sichtbar) zeigten, waren in diesem Bereich keine geeigneten Plättchen vorhanden.