Im letzten Blogartikel habe ich erzählt, daß ein Lichtstrahl gebrochen wird, wenn er von einem in ein anderes Material überwechselt. Wie stark er dabei seine Richtung ändert, ist abhängig von den Brechungsindizes der beteiligten Materialien und von der Wellenlänge, also der Farbe des Lichtstrahls.

Schaut dann ungefähr so aus, wobei die Winkel im Bild nicht maßstabsgetreu sind.

Luft hat einen Brechungsindex n von 1, Wasser dagegen 1,33. Damit ist Wasser optisch dichter als Luft. Unser Sonnenstrahl wechselt also von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Material, also von Luft ins Wasser. Dabei wird das weiße Sonnenlicht gebrochen (und zwar zum Lot hin) und damit in seine Spektralfarben zerlegt.

Damit hätten wir dann die Erklärung, wie ein Regenbogen entsteht, nämlich durch Brechung der Lichtstrahlen im Regentropfen, wenn es da nicht ein kleines Problem gäbe.

Ist euch schon mal aufgefallen, daß ihr die Sonne immer im Rücken habt, wenn ihr einen Regenbogen betrachtet? Die Sonne scheint also von hinten über euren Kopf hinweg in die Regentropfen vor euch. In den Regentropfen wird das Licht gebrochen, also in seine Farben zerlegt und verschwindet dann irgendwo hinter den Regentropfen im Nirvana. Und mit dem Licht ist dann auch der Regenbogen verschwunden. Da haben wir uns mit unserer Erklärung wohl selber ausgetrickst.

Wir können den Regenbogen aber dennoch sehen und zwar dank eines Phänomens, das Totalreflektion genannt wird.

Das Sonnenlicht tritt in die Regentropfen ein und wird an der Eintrittsstelle gebrochen und damit in die Spektralfarben zerlegt. Diese „Farblichtstrahlen“ werden hinten im Tropfen gespiegelt und in unsere Richtung zurückgeworfen. Beim Austritt aus dem Tropfen werden sie noch einmal gebrochen, bevor sie endlich unser Auge erreichen.

Hier ein Bild von mir beim Betrachten des Regenbogens. Die Lichtwege hab ich eingezeichnet.

Da ist doch schon wieder etwas faul. Auf dem Bild ist ganz klar zu sehen, daß die blauen Strahlen stärker gebrochen werden als die roten und damit auch höher am Himmel stehen sollten. Tun sie aber nicht. Ganz im Gegenteil. Wenn wir einen Regenbogen anschauen, dann sehen wir, daß Rot oben ist und nicht blau.

Keine Angst. Auch hierfür gibt es eine Erklärung.

Damit das mit der Spiegelung im Regentropfen funktioniert, muß der Winkel zwischen dem in den Tropfen eindringenden Sonnenlicht und dem zu unserem Auge zurückgeworfenen Licht einen bestimmten Wert haben. Bei rotem Licht beträgt dieser Wert 42°, bei blauem 40,2°.

Ich hab in mein Selbstportrait einen Tropfen hineingemalt. Der Winkel zwischen dem einfallenden Sonnenlicht und dem zu meinen Auge zurückgeworfenen Licht beträgt 42°. Also sehe ich aus diesem Tropfen nur das rote Licht. Beim blauen Licht beträgt dieser ominöse Sichtbarkeitswinkel nur 40,2°. Das blaue Licht wird also um 1,8° weniger umgelenkt als das rote. Und damit verfehlt der blaue Lichtstrahl aus diesem einen Tropfen haarscharf mein Auge und jagt für mich unsichtbar über meinen Kopf hinweg.

Wenn nun der blaue Lichtstrahl aus diesem Regenbogen über mich hinwegzielt, so wird es tiefer über dem Horizont einen Tropfen geben, aus dem das blaue Licht genau mein Auge erreicht. Diesen tiefer am Himmel stehenden Tropfen sehe ich also blau.

Und damit haben wir die Erklärung, warum die Regenbogenfarben so am Himmel zu sehen sind und nicht anders herum

Der doppelte Regenbogen, der auf meinen Regenbogenfoto zu sehen ist entsteht übrigens dadurch, daß sich das Licht gleich zweimal in den Regentropfen spiegelt, wodurch sich die Farbreihenfolge umkehrt.

Damit wäre das Thema Regenbogen im großen und ganzen abgehandelt.

Bleibt noch die Totalreflektion und damit verbunden der Grenzwinkel. man muß das nicht unbedingt wissen, um den Regenbogen zu verstehen. Dennoch werde dieses sehr interessante Phänomen im nächsten Beitrag dieser Serie kurz erörtern.

Bis dahin, bleibt gesund.

Projekt Regenbogen

Ein klasse Regenbogen
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Licht und Farbe
Wie entsteht ein Regenbogen?
Totalreflektion
Der Beobachtungswinkel zum Regenbogen