Phänomene der Atmosphäre: Der Regenbogen!

Gerade im Sommer zur Nachmittagszeit hat man gute Chancen während oder kurz nach einem Schauer einen Regenbogen zu beobachten. Dabei kennt wahrscheinlich jeder irgendwelche Geschichten über Regenbögen, da das atmosphärische Phänomen einen hohen Stellenwert in den einzelnen Kulturen der Menschen hat. Vor allem verbreitet ist der Regenbogen in Religion und Mythologie. So wird er oft als Brücke zwischen Erde und Himmel dargestellt. Eine der bekanntesten Geschichten ist wohl die vom Topf voller Gold am Ende des Regenbogens. Warum man diesen aber eigentlich nie finden wird, dazu später mehr.

Nun wissen wir, dass der Bifröst nur aus der nordischen Mythologie stammt und das was Manchen zunächst als Magie erscheinen mag am Ende wissenschaftlich erklärt werden kann. Auch so beim Regenbogen. Einer der Ersten, der dies erfolgreich konnte, war René Descartes im Jahre 1637. Vielen Beobachtern zuvor war es bereits klar, dass Regenbögen entstehen, wenn Sonnenlicht auf Regentropfen fällt, allerdings fehlte es an wissenschaftlichen Erklärungen. Descartes nahm sich nun die Annahme zu Hilfe, dass Regenbögen unabhängig von der Regentropfengröße sind und begann mit einem mit Wasser gefüllten sphärischen Glaskolben zu experimentieren.

Reflexion an Regentropfen

Schnell konnte er erklären, dass der Lichtstrahl innerhalb des Tropfens reflektiert wird und anschließend wieder aus dem Wassertropfen austritt. Daher sehen wir den Regenbogen wenn wir die Sonne direkt im Rücken haben und Richtung Regen blicken. Der Sonnenstrahl, der direkt in der Mitte in den gedachten sphärischen Regentropfen eintritt, wird an dessen Rückseite reflektiert und tritt genau wieder an der selben Stelle aus. Lichtstrahlen oberhalb dieser gedachten Mitte allerdings nicht. Sie werden anhand eines bestimmten Winkels gebrochen und treten an anderer Stelle des Tropfens wieder aus. Dieser Winkel ändert sich je weiter man sich von der Mitte entfernt. Es gibt einen maximalen Austrittswinkel, der sich trotz Variation des Eintrittswinkels nicht groß ändert, hier findet also die maximale Intensität statt.

Descartes konnte nun mit Hilfe des Brechungsgesetzes den Winkel berechnen an dem die höchste Intensität auftritt. Er berechnete einen Winkel zwischen 41 und 42°. Der Winkel also bei dem der Hauptbogen eines Regenbogens entsteht. Wenn wir also in den Himmel sehen und einen Regenbogen sehen, dann ist mit 42° der Winkel gemeint, der 42° vom Punkt des direkten Rückstreuens entfernt ist. Aber welcher Punkt ist hier eigentlich genau gemeint?

In diesem Fall ist es auch mehr ein gedachter Punkt als ein real existierender. Gemeint ist der Sonnengegenpunkt. Dies ist der Punkt, der der Sonne genau entgegengesetzt ist. So ist der Sonnengegenpunkt unterhalb des Horizonts, wenn die Sonne hoch über dem Horizont steht. Man kann sich den Sonnengegenpunkt auch als den Schatten des Kopf des Betrachters vorstellen.

Weiter konnte er beschreiben, was passiert, wenn der Lichtstrahl zweimal im Regentropfen gebrochen wird. Hier berechnete er einen Winkel von 51°. Das heißt bei einem Öffnungswinkel von 51° vom Sonnengegenpunkt sehen wir einen zweiten Regenbogen. Dieser ist nicht immer gut sichtbar, man muss schon genauer hinschauen. Hier ist die Farbreihenfolge übrigens umgekehrt zur Farbreihenfolge des Hauptbogens. Mittlerweile konnte man auch schon tertiäre und quartäre Nebenbögen theoretisch beschreiben und auch mit fotografischen Mitteln nachweisen. Allerdings sind diese mit dem bloßen Auge aufgrund von Abschwächung nicht mehr sichtbar.

Brechung von Licht

Descartes war es zwar möglich sehr grundlegend die Entstehung von Regenbögen zu beschreiben, allerdings konnte er noch nicht die Entstehung der verschiedenen Farben beschreiben. Theoretisch hat er das Verhalten eines rein weißen Regenbogens beschrieben. Das Farbenspektrum konnte ungefähr dreißig Jahre später Isaac Newton erklären, der verstand, dass Sonnenlicht eine Mischung aller Farben ist und das beim Übergang von einem Medium (z.B. Luft) in ein anderes Medium (z.B. Wasser) Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen (wobei verschiedene Wellenlängen für verschiedene Farben stehen) unterschiedlich gebrochen wird.

Nach all den Erläuterungen sollte jetzt schnell klar sein, wo wir einen Regenbogen vermuten können, wenn die Sonne scheint und es regnet. Und zwar schauen wir erst Richtung Sonnengegenpunkt (in dessen Richtung auch der Regen sein muss) und dann in 42° Entfernung von diesem Punkt.

Der Standpunkt ist entscheidend

Dieser Fakt hat allerdings auch Auswirkungen, wann wir Regenbögen besser sehen können. Mittags im Sommer ist er vom Boden aus nicht zu sehen, dafür steht die Sonne zu hoch. Der Sonnengegenpunkt wäre quasi direkt unter uns, also komplett hinter dem Horizont und der Winkel von 42° kann nie oberhalb des Horizonts erreicht werden.

Und auch sonst, wenn die Sonne noch sehr hoch steht, sieht man oft nur einen sehr kleinen Teil des Regenbogens, der sehr flach über dem Boden sichtbar ist. Erst mit sehr tiefstehender Sonne und wenn der Sonnengegenpunkt sich immer mehr dem Horizont annähert, sehen wir den Regenbogen in größerer Pracht.

Wenn man vom Sonnengegenpunkt ausgeht, wäre es eigentlich egal in welche Richtung man schaut, denn der ganze Prozess beschreibt eigentlich einen 42° Ring um den Sonnengegenpunkt. Das heißt ein Regenbogen ist eigentlich immer ein Kreis. Das ist übrigens auch der Punkt, warum man nie den Topf voller Gold am Ende des Regenbogens finden könnte. Ein Regenbogen ist ein Kreis und endet daher nie.

Den kompletten Kreis sehen wir nur in den seltensten Fällen, da sich der Rest des Kreises allermeistens unterhalb des Horizonts befindet würde. Nur wenn man als Beobachter auf einem höheren Punkt stehen würde und kein „störender“ Horizont vor einem liegen würde, hätte man die Chance einen kompletten Regenbogenring zu sehen.