Da die optische Achse auf oder in den Erdboden verläuft, ist nur das obere Teilstück des Kreises zu sehen.

Transkript

1 Kreisbogen und Bedingungen Der ist ein Teil eines Kreisbogens mit einem Radius von 42 um den Sonnengegenpunkt. An der Außenseite ist er rot. Darauf folgt Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett mit fließenden Übergängen. Ein ist nur sichtbar, wenn bei Regen die Sonne scheint. Zusätzlich muss auch die Sonnenhöhe weniger als 42 betragen. Falls die Sonne höher steht, befindet sich der Sonnengegenpunkt mehr als 42 unterhalb des Horizontes, so dass der nicht über den Horizont ragt. Bei uns steigt die Sonne im Sommer bis an die 60 hoch. Daher wird man im Sommer um die Mittagszeit nie einen sehen können. Die besten Beobachtungsbedingungen herrschen daher in den Abend- und Morgenstunden, in denen der besonders hoch über dem Horizont steht. In den Wintermonaten steigt die Sonne dagegen nie höher als 42, so dass den ganzen Tag über ein entstehen kann. Generell kann man sagen, dass der umso höher ist, je tiefer die Sonne steht. Steht die Sonne höher als 42, ist der Hauptregenbogen nicht mehr sichtbar. Da Regentropfen alle ungefähr die gleiche Form haben tritt das Sonnenlicht, das im Tropfen mehrfach gebrochen und reflektiert wird, in einem charakteristischen Winkel fast in entgegengesetzter Richtung wieder aus. Damit der Beobachter den sehen kann, muss er die Sonne im Rücken haben und es müssen sich Tropfen in den Bereichen aufhalten, in denen austretendes Licht wieder zum Beobachter zurückgeworfen wird. (Regenschleier) Diese Bereiche sind durch einen konstanten Blickwinkel bezüglich der optischen Achse des Auges gekennzeichnet. Alle Punkte die diese Winkelbedingung erfüllen, bilden eine Kegeloberfläche, an deren Spitze der Beobachter steht. Betrachtet man die Kegelfläche direkt von der Spitze aus, sieht man einen Kreis dessen scheinbarer Durchmesser nur vom Öffnungswinkel des Kegels abhängt. Da die optische Achse auf oder in den Erdboden verläuft, ist nur das obere Teilstück des Kreises zu sehen. Weil die Spektralfarbe vom Brechungswinkel abhängig ist, bekommen die verschiedenen Farben auch unterschiedliche Kreisdurchmesser.

2 Entstehen des s Ein Beobachter mit dem Rücken zur Sonne blickt auf die Regentropfen, von denen jeder einzelne verstärkt in einen Kegelmantel emittiert (aussendet).hinter dem Beobachter muss Wolken- und Regenfreiheit sein herrschen. Eine Lichtverstärkung werden diejenigen Tropfen verursachen, die sich an dem Punkt befinden, an dem die Linien Sonne-Regentropfen / Regentropfen-Beobachter einen Winkel von 42 bilden. In diesem Fall blickt der Beobachter genau in die Richtung der lichtverstärkenden Kegelmäntel. Bei einem ausgedehnten Regenschauer wird es in jeder Beobachtungsrichtung passende Tropfen geben, deren lichtverstärkender Kegelmantel genau auf den Beobachter weist. Folglich sieht ein Beobachter einen Kreisausschnitt, dessen Öffnungswinkel gerade 42 beträgt. Die Höhe des Bogens über dem Horizont hängt vom Sonnenstand ab: Je tiefer die Sonne steht, desto höher steht der Bogen. Auf der Erde kann man wegen des Horizonts im Allgemeinen höchstens einen Halbkreis sehen, jedoch ist bei geeigneten Bedingungen ein Vollkreis sichtbar. (Regenkreise müssten sich eigentlich auch an Springbrunnen beobachten lassen, beim Abstieg von einem Berg oder m Flugzeug.) Zwei nebeneinanderstehende Beobachter, die einen sehen, beobachten im Allgemeinen Licht von verschiedenen Tropfen, da es eine größere Winkeldifferenz zwischen den Beobachtern gibt. Sobald ein Tropfen die Breite des lichtverstärkenden Bereichs überschreitet, kann ein zweiter Beobachter vom gleichen Tropfen keine Lichtverstärkung sehen, wohl aber von benachbarten Tropfen. Insofern sieht jeder Beobachter seinen eigenen individuellen Bogen. Auch der kommt durch ständig wechselnde Regentropfen zustande. Sobald die einen den Beobachtungskegel verlassen, übernehmen neue, in diesen Bereich hineinfliegende Tropfen ihre Rolle. Das richtige "wetter" stellt sich ein, wenn eine Kaltfront aufzieht. Dann kommt es immer wieder zu kurzen Schauern mit anschließender Aufheiterung (Aprilwetter). Auch bei Gewitterschauern im Sommer klart der Himmel sehr schnell wieder auf, so dass mit einem zu rechnen ist. Besonders gute Voraussetzungen sind am späten Nachmittag gegeben. Dann steht die Sonne so tief, dass sie nicht von den letzten Regenwolken über dem Beobachter verdeckt wird. Zudem regnet es abends häufiger als in den Morgenstunden. Daher werden auch die weitaus meisten Regenbögen in den Stunden vor Sonnenuntergang beobachtet. Sind die Voraussetzungen für das Entstehen eines s erst einmal erfüllt, muss man noch wissen, wo der zu sehen ist. Dabei gilt, dass der Scheitelpunkt des s immer genau gegenüber der Sonne zu sehen ist. Wenn man glaubt, dass ein am Himmel stehen könnte, schaut man einfach in Richtung seines Schattens. In dieser Richtung ist dann der Scheitel des s zu finden. Je tiefer die Sonne steht, umso höher ist der Scheitelpunkt. Rechts und links davon sind die Füße des s zu sehen. Die Spannbreite des s ist wiederum nur vom Sonnenstand abhängig. Je tiefer die Sonne, umso breiter der. Kurz vor Sonnenuntergang misst der Durchmesser des s 84.

3 Zusätzlich zum Hauptregenbogen mit 42 Radius ist manchmal noch ein Nebenregenbogen mit einem Radius von 51 um den Sonnengegenpunkt zu sehen. Dieser hat die umgekehrte Farbreihenfolge wie der Hauptregenbogen. Manchmal erkennt man auch, dass der Bereich innerhalb des Hauptregenbogens heller ist als der Bereich zwischen Haupt- und Nebenregenbogen. Den dunklen Bereich nennt man auch "Alexanders dunkles Band" zu Ehren von Alexander von Aphrodisias (ca. 200 n.chr.), einem Philosophen und Kommentator des Aristoteles. Ein kann auch durch den Mond erzeugt werden. Dabei ist die Helligkeit allerdings sehr gering.

4 Die Farben des s Der entsteht durch Brechung des Sonnenlichts in den Regentropfen. Das Sonnenlicht tritt in den Tropfen ein und wird dabei gebrochen. An der Innenwand des Tropfens wird ein Teil des Lichts totalreflektiert (Farbumkehr) und tritt dann unter nochmaliger Brechung aus dem Tropfen aus. Die Farbverteilung des s beruht darauf, dass der Brechungsindex des Wassers (Wasser ist ein dichteres Medium als Luft) von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist. Das weiße Sonnenlicht besteht ja aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen.(380nm- 800nm) Kleine Wellenlängen ( blau)werden stärker gebrochen als große Wellenlängen(rot). Durch die Lichtbrechung in den Regentropfen wird das weiße Licht dann in seine einzelnen Farbkomponenten (Spektralfarben) zerlegt. An der Innenseite des Hauptregenbogens schließen sich manchmal noch weitere Bögen an. Diese Interferenzbögen haben eine bläulich bis violette Farbe und entstehen durch die Überlagerung von Wellen. Beim Nebenregenbogen wird das Licht noch ein 2. Mal an der Innenseite des Tropfens reflektiert, bevor es den Tropfen verlässt. Durch die 2. Reflexion erscheinen die Farben des Nebenregenbogens nun auch in umgekehrter Reihenfolge (Rot innen blau außen). Da ein großer Teil des Lichts hier aus dem Tropfen austritt, ist der Nebenregenbogen wesentlich lichtschwächer. Wer aufmerksam auf Regenbögen achtet, wird feststellen, dass sie viel häufiger sind als allgemein angenommen wird. Oft sind sie allerdings nur schwach und nicht vollständig zu sehen.

5 Dispersion nennt man die Aufspaltung des sichtbaren Lichts in die Spektralfarben (farben) Die folgenden Bilder zeigen die farben 1, berechnet für verschiedene Größen der Regentropfen: man kann aus dem Aussehen des s ganz gut auf die Tropfengröße schließen. Die Skala unter den Bildern gibt den Winkel, vom Gegenpunkt der Sonne aus gemessen, an. Tropfendurchmesser, von oben nach unten: 2 mm, 1 mm, 0.7 mm, 0.5 mm Wenn die Tropfengrößen nicht sehr einheitlich sind, so verschwinden die Interferenzerscheinungen (überzählige Bögen) auf der Innenseite des Haupt- und Außenseite des Nebenregenbogens, und die Farben werden insgesamt verwaschener: 1