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Regenbogen

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Ein Glas Wasser im Licht der Sonne

Ein vergessenes Glas Wasser. Die Sonne ist weiter vorgerückt, der Schatten einer Wand rückt auf das Glas vor und macht einige Lichtphänomene sichtbar, die im prallen Sonnenlicht untergehen.
Das Glas und das heißt vor allem das in Glasform gebrachte Wasser wirft trotz seiner Transparenz einen Schatten, weil das auftreffende Licht gebrochen und zu einem Brennfleck gebündelt wird und just den Bereich teilweise wieder aufhellt, dem das Licht gerade entzogen wurde. Lediglich im oberen Bereich, der vom Sonnenlicht ausgeschnitten wurde, bleibt es dunkel. Dorthin verirrt sich kein Licht.
Der heranrückende Schatten einer Wand macht das am Glasrand reflektierte Licht in Form halbkreisförmiger Aufhellungen sichtbar. Ohne Schatten hätte man von diesem Phänomen nichts gesehen. Auch der kurze Lichtstreifen, der vom Glas ein Stück weit in den Schatten läuft, sollte nicht übersehen werden. Aus nächster Nähe betrachtet erkennt man, dass er in Spektralfarben zerlegtes Licht projiziert (siehe Ausschnittsvergrößerung). Es ist das Licht, das im Glas teilweise an der Rückwand reflektiert und bei anschließenden erneuten Auftreffen auf die Glaswand teilweise aus dem Glas heraus gebrochen und dabei in Farben zerlegt wird. Dies entspricht dem Vorgang, der bei einem fallenden Regentropfen zur Entstehung des Regenbogens beitragen würde.

Eine Trinkflasche mit Regenbogenambitionen

Eine transparente Plastiktrinkflasche steht auf der Fensterbank im Sonnenlicht. Dieses fällt etwas nach links verschoben von vorn oben ein. Abgesehen von einer intensiven Lichtstreuung im oberen Bereich der Flasche, die so intensiv ist, dass die Details überstrahlt werden, fallen einige spektralfarbene Streifen auf.

Zum einen fällt ein regenbogenfarbiger Teilkreis auf ein Blatt weißes Papier, das ich der besseren Sichtbarkeit vor mir auf den Schreibtisch gelegt habe. Er entsteht dadurch, dass das Licht beim schrägen Auftreffen auf die Wasseroberfläche in der Flasche gebrochen wird. Die gerundete Wasserschicht wirkt gewissermaßen wie ein Prisma, durch das das weiße Licht zum Einfallslot hin gebrochen wird und zwar zunächst beim Auftreffen auf das Wasser und anschließend beim Verlassen des Wassers. Weil es dabei auf eine kreisrunde Front trifft wird es nicht nur nach unten, sondern auch zur Seite abgelenkt. Dadurch ergibt sich in der Projektion auf dem Tisch, ein runder Lichtstreifen, der länger ist als der Querschnitt der Flasche.

Da der Brechungsindex nicht nur vom brechenden Material, dem Wasser, abhängt, sondern auch von der Wellenlänge des Lichts, wird das Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen: kurwelliges Licht (vor allem Blau) wird stärker (zum Einfallslot hin) gebrochen als langwelliges (vor allem Rot). Daher liegt der rote Streifen außen und der blaue innen. Ganz sauber gelingt die Aufspaltung in Farben nicht, weil die Kunststoffwand der Flasche nicht ganz homogen ist.

Zum anderen beobachtet man zwei spektralfarbene Streifen auf dem unteren Teil des Fensterrahmens. Sie kommen dadurch zustande, dass das unterhalb der Wasseroberfläche einfallende Sonnenlicht zunächst gebrochen und dadurch nicht nur zum Einfallslot hin abgelenkt, sondern auch spektral zerlegt wird. Anschließend trifft das sich auf diese Weise verjüngende Lichtbündel auf die Innenwand der Flasche (auf die man blickt), wird dort teilweise reflektiert und schließlich beim Wiederaustritt aus der rückwärtigen Wand der Flasche abermals gebrochen. Dabei tritt wie bei der Entstehung eines Regenbogens in einem Wassertropfen eine deutliche Verstärkung des Lichts auf, so dass zu jeder Seite bei einem bestimmten Winkel ein farbiger Streifen zu sehen ist. Jenseits dieses Winkels kommt kein Licht mehr an. Die im übrigen Bereich gebrochenen farbigen Lichtstrahlen mischen sich wieder zu weißem Licht. Wir haben wir es also hier mit einem regenbogenartigen Phänomen zu tun, das wegen der Zylindergeometrie der Flasche jedoch nur auf eine Ebene beschränkt ist.

Schließlich sieht man innerhalb der Flasche noch so etwas wie ein helles Rechteck. Es kommt dadurch zustande, dass ein Teil des durch die Flasche hindurchstrahlenden Lichts  beim Durchgang durch die Kunststoffwand teilweise an Inhomogenitäten des Materials gestreut und gebrochen wird. Es gelangt auf diesem Wege ins Auge des Betrachters gerät und wird sichtbar.

Ein Wechselspiel zwischen Tropfen und Blasen

Dieser Zufallstreffer einen Fotos hält die äußerst kurze Situation fest, in der ein Wassertropfen in eine Regentonne fällt und der Beobachter gerade so steht, dass das Licht im Regenbogenwinkel in seine Augen gelangt. Einige Farbtupfer werden im Foto festgehalten. Weiterlesen

Verdopplung des Regenbogens durch die reflektierte Sonne

Wenn man ein solches Szenario erlebt, wie es Stefan Thierfeldt auf den Fotos festgehalten hat, glaubt man für einen Moment die Welt nicht mehr zu verstehen. Das normale Regenbogenpaar bestehend aus einem Regenbogen 1. Ordnung und dem lichtschwächeren Bogen 2. Ordnung wird überwölbt von einem weiteren lichtschwächeren Regenbogenpaar.
Ein Regenbogen rundet sich normalerweise kreisförmig um den Sonnengegenpunkt (auch Antisolarpunkt genannt). Dabei handelt es sich um einen abstrakten Punkt auf der Himmelskugel, der Sonne direkt gegenüber. Man kann den Punkt leicht finden, wenn man seinen Schatten betrachtet. Er liegt etwa dort im Schattenkopf, wo sich unsere Augen befinden. Damit ist auch klar, dass dieser Punkt vom Beobachter abhängt. Wenn er sich fortbewegt, gehen der Antisolarpunkt und der Regenbogen mit ihm mit. Jeder Beobachter hat also seinen eigenen Regenbogen. Weiterlesen

Lano wird 7

Lieber Lano, du feierst heute deinen 7. Geburtstag im Zeichen des Regenbogens, der ja nach Isaac Newton (1642 – 1726), einem berühmten Physiker,  7 Farben hat. Dazu gratuliere ich dir ganz herzlich.
Mit der Zahl 7 hast du etwas ganz Besonderes erreicht. Denn der Bibel zufolge wurde die Welt in 7 Tagen geschaffen. Aber auch wenn einiges dafür spricht, dass es anders gewesen sein könnte, so kann man nicht daran zweifeln, dass es 7 Wochentage gibt und du in diesem deinen 7. Lebensjahr jedes deiner bisherigen Jahre einem dieser Wochentage zuordnen kannst.
Beim Vorlesen von Märchen wird dir vielleicht schon aufgefallen sein, dass auch dort die 7 eine wichtige Rolle spielt. So hat Schneewittchen 7 Zwerge bei sich und das tapfere Schneiderlein trifft 7 auf einen Streich. Weiterlesen

Am Ende des Regenbogens zweiter Ordnung

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 50/4 (2019), S. 200

Bei aufmerksamer Betrachtung eines Springbrunnens lassen sich in den Tropfen Fragmente eines Regenbogens erkennen, auch wenn die Sonne schon relativ hoch steht.

Am Ende des Regenbogens soll bekanntlich ein Schatz zu finden sein. Ist er auch, aber anders als man denkt. Wenn man an einem sonnigen Tag mit der noch tiefstehenden Sonne im Rücken einen Springbrunnen betrachtet, bekommt man im Gischt der Fontäne zumindest Fragmente eines Regenbogens zu sehen. Mit aufsteigender Sonne sinkt der Bogen und „ersäuft“ meist im Wasser an der Wurzel der Fontäne. Weiterlesen

An der Wurzel des Regenbogens

Springbrunnen_FarbenWo der Regenbogen auf die Erde trifft, soll bekanntlich ein Schatz zu finden sein. Ist er auch, aber anders als man denkt.
Als ich an einem sonnigen Tag am Springbrunnen saß, war mir als ob in den herunterfallenden, von der Sonne durchstrahlten Tropfen – kurz bevor sie auf die Wasseroberfläche des Teichs fielen – Farben aufleuchteten. Es war ein Eindruck, keine Gewissheit. Ich machte einige Fotos und konnte mich dann am Bildschirm davon überzeugen, dass der Eindruck nicht getrogen hatte. Ich sah zahlreiche bunte Lichtpfeile. Es waren die Spuren leuchtender Tropfen, die infolge der endlichen Belichtungszeit der Kamera etwas in die Länge gezogen wurden. Zunächst dachte ich, dass es sich um Fragmente des (normalen) Regenbogens handelte, die ich hier aufblitzen sah. Dann wurde mir aber klar, dass die Sonne bereits zu hoch stand, um noch im passenden Winkelbereich zu sein.
Woher kommen also diese Farben? Schaut man sich die Anordnung der Farben genauer an, so zeigt sich, dass sich nach oben hin eher die Blautöne zeigen, nach unten die Gelb- und Rottöne. Bei einem Regenbogen hätte es umgekehrt sein müssen. Bei diesem Gedanken wurde mir klar, dass dies nur für den normalen Regenbogen, den Regenbogen 1. Ordnung, gilt. Unter größerem Winkel ist noch der Regenbogen 2. Ordnung zu erwarten, der meist vergessen wird, weil er aufgrund einer zusätzlichen Reflexion in den Wassertropfen wesentlich lichtschwächer ausfällt und daher oft nicht zu sehen ist. Und außerdem ist bei diesem Bogen wegen der weiteren Reflexion die Farbreihenfolge umgekehrt: Blau außen, Rot innen. Mit anderen Worten, ich sah tatsächlich Fragmente des Regenbogens, allerdings des Bogens 2. Ordnung.
Zwar sind nicht die leuchtenden Tropfen direkt zu sehen, sondern nur ihre Lichtspuren, die sie während der endlichen Belichtungszeit auf dem Camerachip hinterlassen. Das macht die Sache nicht unbedingt unrealistischer. Denn auch unsere Augen sehen bewegte Vorgänge teilweise verschmiert. So nehmen wir Regentropfen meist als Fäden wahr, was wohl zu der Redensart geführt hat: „Es regnet Bindfäden“. Die in die Länge gezogenen leuchtenden Tropfen haben sogar einen Vorteil. Sie entfalten das punktuelle Farbphänomen zu einer größeren Sichtbarkeit. Ohne dies wär es auf dem Foto wohl kaum zu sehen gewesen.
Teilweise kann man sogar das ganze Farbspektrum sehen, das dem durchlaufenen Winkelbereich des Tropfens entspricht (siehe unten rechts).
Die pfeilartige Zuspitzung der Lichtspuren ist übrigens auf den Kameraverschluss zurückzuführen, der beim Schließen den Lichtstreifen gewissermaßen abschnürt.

Die ebenfalls zu sehenden Blasen befinden sich auf der Teichoberfläche. Sie werden durch größere Tropfen hervorgerufen, die beim Sturz ins Wasser einen Hohlraum hervorrufen, in dem durch das über ihm wieder zusammenlaufende Wasser, eine Luftportion eingeschlossen wird, die dann als Halbblase zur Oberfläche steigt. Normalerweise platzt eine Blase mit einer reinen Wasserhaut sofort wieder. Da das Teichwasser aber teilweise durch tensidartig wirkende Stoffe biologischen Ursprungs entspannt wird, ist ihnen eine gewisse Lebenszeit beschieden. Man kann auf der Halbblase zumindest schemenhaft die komplexe Spiegelung der ganzen Umgebung sehen.

Wo steht der Regenbogen

Für manche Schriftsteller werden Naturphänomene oft zur Beschreibung einer bestimmten Situation erwähnt ohne dabei auf Details des Phänomens einzugehen. Nicht so in der Geschichte „Die Toten vom Watt“ von Klaus Modick. Hier liegen alle Fakten auf der Hand: Weiterlesen

Verwirrende Regenbögen in völlig trockener Umgebung

regenbogen_kugel_img_7807_rAm Fenster vor meinem Schreibtisch habe ich als Dekorationsstück eine große transparente Glaskugel stehen. Wenn die Sonne durch das Fenster scheint, projiziert sie einen Lichtbogen in Spektralfarben auf den unteren Rahmen des Fensters. Es handelt sich um die Projektion des Querschnitts eines von der Kugel ausgehenden Lichtkegels, der – wenn die Kugel ein Regentropfen wäre – Regenbogen genannt würde; auch wenn dazu in der Natur zahlreiche Tropfen gemeinsam beitragen. Weiterlesen

Farbe ins Grau

Wie um Farbe ins dunkle Grau zu bringen und dem bedrohlich anrückenden Gewitter gleich einen Hoffnungsschimmer mitzugeben, erscheint hier ein Fragment eines Regenbogens, das man sich mühelos zu einem Halbbogen komplettiert denken kann. Irgendwo zwischen dem noch relativ hellen Hintergrund und dem Fotografen sinken Regentropfen zu Boden; zu klein, um selbst sichtbar zu werden, aber mit Hilfe der Sonne imstande, in lebhaften Farben ein deutliches Zeichen ihrer Existenz zu geben. Weiterlesen

Die Jagd auf den Regenbogen

regenbogen_25062007070Physiker behaupten immer, dass es das Ende des Regenbogens gar nicht gibt. Damit erledigt sich auch der Traum vom Topf mit Gold, das dort zu finden sein soll. Auf dem hier abgebildeten Foto sieht man aber, dass der Regenbogen genau dort endet, wo das voranfahrende Auto die Gischt der Straße aufwirbelt. Weiterlesen

Ein Spinnennetz fängt einen Regenbogen ein

Regenbogen_im_SpinnennetzDraußen lag die Welt im frischen Morgenlichte,
die Tauperlen, die in den Spinngeweben hingen,
blitzten in den ersten Sonnenstrahlen.

Theodor Storm (1817 – 1888)

Manchmal gehen Spinnengeweben keine Insekten ins Netz, sondern Regenbögen. Sie kompensieren die Flüchtigkeit ihrer Existenz mit eindrucksvollen Farben. Aus dem unansehnlich grauen Gespinst wird ein ästhetisch ansprechendes Naturphänomen. Ein normaler Regenbogen leuchtet in einer „Wand“ feiner fallender Wassertröpfchen auf. Es sind in jedem Moment andere Tröpfchen, die die jeweiligen farbigen Lichtstrahlen in unsere Augen senden. Weiterlesen

Der weiße Streifen im Regenbogen

Roter RegenbogenSchlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 45/6 (2014) 308

Regenbögen weisen bei Sonnenuntergang manchmal einen weißen Streifen auf. Additive Farbmischung ist hier im Spiel.

Der Mangel an Farben und die dadurch  für den Einen oder Anderen eingeschränkte Ästhetik des abendlichen Regenbogens wird für die eher an dem physikalischen Hingergrund interessierten LeserInnen vielleicht durch die weitgehenden Schlüsse, die aus dem weißen Streifen gezogen werden können, ausgeglichen.

Ein Regenbogen mit Glaskügelchen

KugelregenbogenThomas Wilhelm, Marcus Horz, H. Joachim Schlichting. In: Praxis der Naturwissenschaften-Physik in der Schule 63/6 (2014) 5 – 10

Ein Regenbogen wird bekanntlich durch kleine fallende Regentropfen hervorgerufen. Mit Tropfen lässt sich nur schwer experimentieren. Ersetzt man die Wassertropfen durch sehr kleine Glaskügelchen, wie sie zum Sandstrahlen oder zur Retroreflexion von Zebrastreifen im Straßenbau benutzt werden, so hat man die Möglichkeit, Regenbögen in völliger Trockenheit  hervorzurufen und die Besonderheiten ihrer Entstehung zu studieren. Im nebenstehenden Foto wurde bei Straßenarbeiten etwas großzügig mit dem Kugelgranulat umgegangen, so dass die Sonne schöne Bögen auf den Asphalt zeichnete und zwar für jeden Beobachter einen eigenen.

 

Unterhalb des Regenbogens ist es meist hell

Regenbogen-mit-heller-ScheiMan spricht immer über den Bogen, wenn man vom Regenbogen spricht, also über den Rand einer hellen Kreisscheibe, von der auf der Erde je nach Sonnenstand aber immer nur ein Ausschnitt zu sehen ist. In dem vorliegenden Foto ist dieser Ausschnitt näherungsweise so wie er der Theorie nach sein sollte: weiß. Warum weiß? Die Antwort hängt mit der Tatsache zusammen, dass für die Sichtbarkeit des Regenbogens die Kaustik entscheidend ist, die Brennlinie, die dadurch entsteht, dass der Ablenkungswinkel der reflektierten Lichtstrahlen mit dem Einfallswinkel nur bis zu einem Maximalwinkel wächst und danach wieder abnimmt. Im Bereich dieses Richtungswechsels ist folglich die Lichtintensität besonders groß. Weiterlesen

Nebelbogen in der Krummhörn

NebelbogenVon Nebelbögen habe ich schon öfter gehört. Vom Flugzeug aus ist mir sogar schon einmal ein solcher Bogen andeutungsweise zu Gesicht gekommen. Vor kurzem hatte ich das Glück, am frühen Morgen bei leichtem Nebel in der Krummhörn (Ostfriesland) während zweier aufeinanderfolgender Tage Nebelbögen zu sehen. Obwohl der Nebel sich mit steigender Sonne schnell auflöste und tagsüber keine Spur von Nebel zu bemerken war, müssen wohl die lokalen meteorologischen Bedingungen so ähnlich gewesen sein, dass auch am folgenden Tag ein Nebelbogen zu sehen war. Er war ziemlich unscheinbar und ich hätte ihn vermutlich gar nicht wahrgenommen, wenn ich nicht aufgrund der Beobachtungen am Vortag intensiv danach gesucht hätte. Weiterlesen

Holistisches Verhalten von Lichtstrahlen

Regenbogen-KaustikLicht wird von den Menschen normalerweise als kontinuierliche raumerfüllende Erscheinung erfahren. Jedenfalls hat das Licht die Eigenschaft der Strahlenförmigkeit nicht gleichsam ablesbar an sich. Das Konzept des Lichtstrahls lässt sich nur theoretisch bilden, wenn man eine Vorstellung von Geradlinigkeit und Licht hat. Eine solche Vorstellung kann zum Beispiel durch Situationen herbeigeführt werden, in denen das Licht sich „strahlenförmig“ verhält. Dies tritt in günstigen Fällen natürlicherweise auf, wenn das Licht durch die Öffnungen im Blätterdach von Bäumen auf ähnliche Weise hindurch „schießt“, wie Wasser durch feine Löcher in einem Gefäß. Weiterlesen

Ein Regenbogen ohne Regentropfen

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 37/5 (2006), 242- 244

Einen schönen Regenbogen bekommt man nur selten zu sehen. Mit einer wassergefüllten Plexiglaswanne und einem Overheadprojektor kann man zu jeder Zeit auf einer Wand einen farbigen Bogen erstrahlen lassen. Auch wenn dieser streng genommen kein Regenbogen ist, fasziniert er durch seine spektrale Farbenpracht und die Einfachheit seiner Herstellung.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Farbenspiel im Spinnennetz

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 35/1, 28-29 (2004).

Schaut man in einem flachen Winkel gegen die Sonne auf ein Spinnennetz, so kann man die Spinnweben in leuchtenden, metallisch glänzenden und je nach Blickrichtung changierenden Farben aufflammen sehen. Die Natur zeigt an diesem Phänomen einmal mehr, dass sie in der farblichen Ausgestaltung der Welt nicht auf Pigmente allein angewiesen ist.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

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