Himmlische Phänomene in den Fokus gerückt. Michael Großmann

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1 Himmlische Phänomene in den Fokus gerückt Michael Großmann

2 ...es werde Licht! Aber was ist eigentlich Licht? Licht ist ein kleiner Teil des elektromagnetischen Wellenspektrums, welches das menschliche Auge wahrnimmt. 380nm 780nm Dieses Spektrum umfasst einen Wellenlängenbereich von 380nm bis 780nm Nanometer = 1 Mikrometer = 0,001 Millimeter!

3 Ein Ausschnitt des elektromagnetischen Wellenspektrums zur besseren Vorstellung wie klein der Bereich des sichtbaren Lichtes tatsächlich ist! Die Hauptquelle für das Licht ist unsere Sonne, sie ist natürlich auch für das Mondlicht verantwortlich. Weitere Lichtquellen sind das Licht anderer Sterne oder Planeten, sowie künstliche Quellen wie etwa Glühlampen, Leuchtstoffröhren und Laserstrahlen. Letztere senden allerdings nur monochromatisches Licht aus, das bedeutet Licht mit einem engen Frequenzspektrum; anders gesagt: Licht mit nur einer Wellenlänge

4 Was kann dem Licht auf seinem Weg alles passieren? - Es kann gebrochen werden. - Es kann reflektiert werden. - Es kann gebrochen und reflektiert werden. - Es kann gebeugt werden. - Es kann gestreut werden

5 Wir haben demnach 4 unterschiedliche Formen die das Licht in seiner Ausbreitung verändert. -Lichtbrechung (Refraktion) -Lichtspiegelung (Reflexion) -Lichtbeugung (Diffraktion) -Lichtstreuung Was ist aber für die 4 unterschiedlichen Ausbreitungsformen verantwortlich? (Widerstand) -Wassertropfen und/oder Tröpfchen (Regen, Nebel, Dunst, Tau...) -Eiskristalle (Cirrus-Wolken, Eisnebel) -Raureif -Staubpartikel oder Ascheteilchen -Luft- bzw. Gasmoleküle (Sauerstoff, Ozon, etc...) -Blütenpollen -unterschiedlich dichte Luftschichten

6 Wie wir sehen, gibt es eine Vielzahl von Parametern, die entscheidend dazu beitragen, um welche atmosphärische Erscheinung es sich handelt. - Art und Position der Lichtquelle zum Beobachter - Art des Widerstandes der vom Licht getroffen wird...und die daraus resultierende... - Art der weiteren Ausbreitungsform des Lichtes Die Anzahl aller möglichen atmosphärischen Erscheinungen beträgt beim Durchspielen der oben genannten Parametern... ca. 200! Zu jeder Ausbreitungsform wird nun in Kurzform erklärt wie sie entsteht, um dann nachfolgend die dazugehörige atmosphärische Erscheinung zu zeigen.

7 Lichtbrechung (Refraktion) Tritt ein Lichtstrahl aus einem optisch dünnerem in ein optisch dichteres Medium ein, erfährt er eine Ausbreitungs- und Geschwindigkeitsänderung und wird zum Einfallslot hin gebrochen. Grund dafür ist der Brechungsindex n für das jeweilige Medium. Ein Beispiel das jeder kennt, ist der Stab der ins Wasser eingetaucht wird und ab der Oberfläche des Wassers geknickt erscheint. Genau anders herum verhält es sich, wenn der Lichtstrahl aus dem optisch dichterem Medium in ein optisch dünneres Medium eindringt. Hier wird er vom Lot weg gebrochen.

8 Lichtbrechung & Lichtspiegelung (Refraktion & Reflexion) # 1 Wenn sich die Grenzflächen zweier Medien überlagern und somit ein kontinuierlicher Übergang stattfindet, werden die Lichtstrahlen nicht geknickt sondern gebogen. Das beste Beispiel hierfür ist unsere Atmosphäre und die daran unterschiedlich dichten Luftschichten. Sie sorgen unter anderem auch für Luftspiegelungen wie sie die meistern von uns schon in Form von Pfützen an heißen Tagen auf den Straßen gesehen haben. Da die heiße Luft über dem Asphalt optisch dünner ist als die darüber liegende kühlere Luft, wird ein Lichtstrahl aus der kühler (optisch dichteren) kommenden Luftschicht laut Brechungsgesetzt bis hin zur Totalreflexion gebrochen und erzeugt die vermeintlichen Spiegelbilder.

9 Lichtbrechung & Lichtspiegelung (Refraktion & Reflexion) # 2 Bei der Reflexion werden Lichtwellen an einer Grenzfläche reflektiert und zurückgeworfen......bei durchsichtigen Medien (Tropfen, Eiskristallen) wird nur ein Teil reflektiert, der andere Teil durchdringt das Medium unter Veränderung der Ausbreitungsrichtung (Lichtbrechung)....abhängig davon ist aber der Einfallswinkel des Lichtes. Wenn Licht aus dem optisch dichteren Medium (Eiskristall) an der Grenzfläche zum optisch dünnerem Medium (Luft) einen bestimmten Einfallswinkel zum Lot hin überschreitet (bei Wasser ca. 48 ), entsteht eine Totalreflexion, das bedeutet der Lichtstrahl kann nicht an dieser Grenzfläche austreten und wird total reflektiert. (z.b. Nebensonnen bei hohem Sonnenstand, oder das verschwinden von ZZB, ZHB bei bestimmten Sonnenständen)

10 Nachfolgende atmosphärische Erscheinungen entstehen durch Lichtbrechung und Lichtspiegelung - Halos - Regenbogen - Nebelbogen - Taubogen - roter/grüner Strahl - verformte(r) Sonne/Mond - Luftspiegelungen (Fata Morgana)

11 Halos Halos entstehen durch Brechung und/oder Spiegelung an Eiskristallen. Diese bilden sich meist an hohen Schleierwolken (Cirrus, Cirrostratus) oder in Eisnebel. Einfallende Lichtstrahlen werden wie in einem Prisma gebrochen und erreichen unter idealen Voraussetzungen das Auge des Beobachters. Es gibt unterschiedliche Kristallformen, die je nach ihrer Lage in der Atmosphäre verschiedene Haloarten entstehen lassen. Ebenso ist der Sonnenstand von großer Bedeutung was Form, Farbe und Position am Himmel angeht.

12 Halos die wichtigsten Haloarten 22 Ring Der 22 Halo ist ein leuchtender Ring mit einem Radius von 22 um die Sonne (Mond) und eine der häufigsten Haloerscheinungen. Er entsteht an zufällig orientierten Eiskristallen. Das bedeutet, die Eiskristalle die durch die Atmosphäre fallen, nehmen keine bestimmte Position in ihrer Schwebestellung ein. Der 22 Ring ändert seine Form bei unterschiedlichen Sonnenhöhen nicht. zum einfachen bestimmen, ob es sich um einen 22 Ring handelt, spreizt man bei ausgestrecktem Arm die Hand. Die Entfernung zwischen Daumen und kleinem Finger entsprechen ca. 22. Beim 22 Ring tritt an einer Seitenfläche des Eiskristalles ein und an der übernächsten Seitenfläche wieder aus.

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20 Halos die wichtigsten Haloarten Nebensonnen (Parhelion) Als Nebensonne bezeichnet man die Lichtflecken links und rechts von der Sonne. Sie befinden sich auf gleicher Höhe wie diese. Bei tief stehender Sonne liegen die Nebensonnen auf dem 22 Ring, sofern dieser vorhanden ist. Bei steigendem Sonnenstand bewegen sich die Nebensonnen weiter vom 22 Ring weg. Bei 40 Sonnenhöhe haben die Nebensonnen einen Abstand von ca.28, bei einer Sonnenhöhe von 60 sogar ca.45. Nebensonnen entstehen in horizontal ausgerichteten Plättchen-Kristallen und können sehr farbintensiv und blendend hell werden. Bei günstigen Bedingungen und tiefen Sonnenstand können Nebensonnen einen Schweif haben, der parallel zum Horizont von der Sonne weg zeigt. Das Licht tritt an den schwebenden Plättchen-Kristallen, deren Basis horizontal ausgerichtet ist, in eine Seitenfläche ein und an der übernächsten wieder aus.

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23 Halos die wichtigsten Haloarten Zirkumzenitalbogen (ZZB) Der Zirkumzenitalbogen ist einer der farbenprächtigsten Haloarten und kann bei idealen Bedingungen genauso farbintensiv wie ein Regenbogen sein. Sein Scheitelpunkt ist ca. 48 über der Sonne und spannt einen Bogen um den Zenit. Sichtbar ist er bis zu einer Sonnenhöhe von 32, dann verschwindet er im Zenit. Die beste Ausprägung hat der Zirkumzenitalbogen (ZZB) zwischen Der ZZB entsteht an schwebenden Plättchenkristallen, genau wie bei den Nebensonnen. Allerdings ist hier der Lichtweg ein anderer. Es tritt an der oberen Basisfläche ein und an einer senkrecht stehenden Seitenfläche wieder aus. Wenn also Nebensonnen sichtbar sind, sollte man den Blick nach oben richten, denn meist treten diese beiden Haloarten gemeinsam auf.

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28 Halos die wichtigsten Haloarten Lichtsäulen Bei der Lichtsäule unterscheidet man zwischen der oberen Lichtsäule und der unteren Lichtsäule. Im folgenden wird die obere beschrieben, die häufiger beobachtet wird. Sie ist kurz vor und nach Sonnenuntergang (oder auch kurz vor oder nach Sonnenaufgang) als Lichtstrahl, ähnlich eines nach oben gerichteten Scheinwerfer, über der Sonne zu sehen und hat je nach Sonnenstand unterschiedliche Farben. Steht die Sonne noch am Himmel hat sie eine gelb-weiße Färbung. Nach Sonnenuntergang wird sie orange bis rot und kann noch bis zu einer Stunde danach gesehen werden. Lichtsäulen unterscheiden sich von den zuvor beschriebenen Haloarten dadurch, dass sie nicht durch Lichtbrechung innerhalb des Eiskristalles entstehen, sondern durch Spiegelung an diesen.

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34 Halos - weitere Haloarten - unterer Berührungsbogen - oberer Berührungsbogen - Parrybogen - Supralateralbogen - Infralateralbogen - Moilanenbogen - 46 Ring - umschriebener Halo - Lowitzbogen - Unternebensonnen - 9, 18, 23, 24, 35 Ringe - Horizontalkreis - Wegners Gegensonnenbogen - Trickers Gegensonnenbogen - Hastings Gegensonnenbogen - Untersonnenbogen - Untergegensonnenbogen Nebensonnen - Tapes Bögen - Untersonne - Gegensonne - Sonnenbogen - elliptische Ringe Sind mindestens 5 Haloarten gleichzeitig zu beobachten, so spricht man von einem Halophänomen.

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49 Regenbogen Der Regenbogen (primär) ist die mit Abstand bekannteste Form atmosphärischer Erscheinungen. Das hängt natürlich auch mit seiner Größe zusammen, die er am Himmel einnimmt und mit seiner Farbenpracht, die er erreichen kann. Ein wichtiger Aspekt ist aber, dass er im Gegensonnenpunkt entsteht und somit eine Blendwirkung durch die Sonne nicht eintritt. Regenbögen können nur dann entstehen, wenn einfallendes Sonnenlicht beim Eintritt in einen Tropfen gebrochen, an der Innenwand der Rückseite reflektiert und beim Austritt aus dem Tropfen nochmals gebrochen wird, ehe er unter vorgegebenen Winkel das Auge des Beobachters erreicht.

50 Regenbogen Vom Sonnengegenpunkt aus, spannt sich der Regenbogen in einem Radius von ca. 42 um diesen. Das bedeutet, dass der Regenbogen seinen höchsten Stand erreicht, wenn die Sonne am Horizont steht. Er ist dann auch mit ca. 84 am breitesten. Von einem Berg, einem hohen Gebäude oder vom Flugzeug aus kann man bei günstigen Bedingungen einen fast geschlossenen Regenkreis beobachten. Steht die Sonne höher als 42, kann der Regenbogen vom Boden aus nicht mehr gesehen werden, da der Scheitelpunkt dann unterhalb des Horizontes liegt. Alle Regentropfen die das reflektierte und gebrochene Sonnenlicht durch den minimalen Ablenkungswinkel von 138 in das Auge des Betrachters lenken, erzeugen dort einen sich öffnenden Kegelmantel mit einem Winkel von 42 um den Sonnengegenpunkt. Diese Tropfen erscheinen uns farbig und erzeugen durch die geometrische Form des Kegelmantels den Regenbogen.

51 Regenbogen Entsteht innerhalb des Tropfens eine zweite Reflektion, so kann man den Nebenbogen bzw. Sekundärbogen beobachten. Da hier aber durch die doppelte Reflektion innerhalb des Tropfens viel Licht in andere Richtungen gestreut wird, ist der Nebenbogen nicht so lichtstark wir der Hauptbogen. Der Radius bei diesem Bogen beträgt ca.51 um den Sonnengegenpunkt. Zwischen Haupt- und Nebenbogen ist eine deutliche Abdunkelung erkennbar, das Alexander- Dunkelband. In diesen Bereich gelangt durch den minimalen Ablenkungswinkel kein Licht. Dafür sind im inneren Bereich des Hauptbogens ab und zu überzählige Bögen sichtbar die sogenannten Interferenzbögen die durch Überlagerungen entstehen.

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63 Regenbogen (Sonderformen) Bei bestimmten Bedingungen, können Sonderformen von Regenbögen entstehen, die extrem selten vorkommen, es sei denn, man stellt sie künstlich dar. - gespiegelte Regenbögen - gespaltene Regenbögen - Regenbogen höherer Ordnung - Regenbögen in divergentem Licht

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75 Nebelbogen Der Nebelbogen ist in der Entstehung sehr ähnlich wie der des Regenbogens. Im Vergleich zum Regenbogen ist er eher weiß, kann aber auch farbige Säume aufweisen. Durch die geringe Tröpfchengröße von 0,05 0,1mm überlagern sich die reflektierten Lichtstrahlen und erzeugen wieder weißes Licht. Je kleiner allerdings die Tröpfchen werden, desto lichtschwacher wird auch der Nebelbogen. Am besten ist er zu beobachten, wenn man die Sonne im Rücken hat und auf eine vor sich befindliche Nebelwand blickt. Zudem sollte die Sonne selbst nicht vom Nebel verschleiert sein, da sonst eine zu starke Trübung einsetzt und den Nebelbogen nicht entstehen lässt. Respektive sollte hier noch der Wolkenbogen genannt werden, der ebenfalls an feinsten Wassertröpfchen entsteht. Er ist meist von hohen Bergen oder vom Flugzeug aus beobachtbar.

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81 Taubogen Der Taubogen entsteht ebenso wie der Regenbogen durch Brechung und Reflexion an Wassertropfen. Allerdings entsteht der Taubogen auf einer Fläche, also einer zweidimensionalen Ebene. Der Regenbogen hingegen, entsteht in einem dreidimensionalen Raum darüber. Der im Auge des Betrachters entstehende Regenbogenkegel wird durch diese Ebene (Wiese) geschnitten, sodass sich eine Hyperbel oder Ellipse abzeichnet. Für den Beobachter bleibt diese Hyperbel durch die geometrisch, räumliche Wahrnehmung aber kreisrund, da die geometrischen Bedingungen des sich öffnenden Kegelmantel erfüllt sind. Taubögen sind am besten nach kühlen Nächten zu beobachten, wenn sich genügend Tautropfen an Pflanzen angesammelt haben. Eine erhöhte Position ist ebenso von Vorteil.

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89 Grüner Strahl, grünes Segment und roter Strahl Der grüne Strahl tritt am oberen Sonnenrand auf und ist dann zu beobachten, wenn die Sonne untergeht. Da die Lichtbrechung am Horizont am stärksten ist, wird der letzte sichtbare Teil des Sonnenrandes in seine Spektralfarben zerlegt. Der rote Sonnenrand geht zuerst unter, sodass für kurze Zeit nur noch der grüne und blaue Rand über dem Horizont steht. Da das blaue Licht jedoch am stärksten in der Atmosphäre von Luftmolekülen abgelenkt wird, bleibt tatsächlich nur der grüne Rand sichtbar. Es bleibt ein äußerst seltenes Schauspiel, da viele Faktoren davon abhängig sind um dieses Phänomen beobachten zu können. Zum einen ist das eine freie Horizontsicht (am Meer oder in den Bergen), zum anderen muss die Luft sehr klar und sauber sein. Bei idealen Bedingungen kann sogar der blaue oder violette Strahl gesehen werden. Das grüne Segment ist ähnlich dem grünen Strahl, allerdings kann es während des Sonnenunterganges mehrfach beobachtet werden. Es entsteht durch Totalreflexion an den unterschiedlich dichten Luftschichten Das Gegenstück zum grünen Strahl ist der rote Strahl, der an der Sonnenunterseite (oder auch am Mond) gesehen werden kann.

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96 Verformte Sonne, etruskische Vase Bei Sonnenauf- bzw. Untergang kann es vorkommen, dass die Sonnenscheibe verzerrt oder plattgedrückt erscheint. Verantwortlich dafür sind ebenfalls Luftschichten unterschiedlicher Dichte. Lichtwellen, ausgehend von der Sonne, oder auch vom Mond, werden unterschiedlich stark gekrümmt und sorgen für dieses Aussehen. Die etruskische Vase ist eine besondere Form der Totalreflexion an den unterschiedlich dichten Luftschichten. Gerade am Meer lässt sich dieses Phänomen gut beobachten. Das Sonnenlicht durchwandert die kühlere und somit optisch dichtere Luftschicht und wird an der Grenzfläche zur wärmeren (optisch dünneren) total reflektiert und invertiert zum Beobachter geleitet.

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100 Lichtbeugung (Diffraktion) Treffen Lichtwellen auf ein Hindernis, werden diese abgelenkt und neue Wellen entstehen. Diese Lichtwellen erzeugen dann dahinter die eigentliche Beugungserscheinung. Eine Lochblende erzeugt ebenso wie ein Tropfen Beugungsringe im Schattenraum der Blende. Die Form der Beugung ist abhängig von der Form der Blende. Dies können kreisrunde Löcher (oder viele Tropfen) sowie Spalten sein. Sind mehrere Spalten in einem periodischen Abstand angeordnet, spricht man von einem optischen Gitter. Eine Gardine beispielsweise ist ein solch optisches Gitter und zeigt auch als solches deutliche Beugungserscheinungen.

101 Nachfolgende atmosphärische Erscheinungen entstehen durch Lichtbeugung und Interferenz - Irisierende Wolken - Aureolen und Kränze - Pollenkoronen - Bishop scher Ring - Quételetsche Ringe - Glorie und Brockengespenst

102 Irisierende Wolken Unter günstigen Vorrausetzungen lassen sich nahe der Sonne Wolken beobachten, die farbige Säume haben. Ähnlich wie bei den Kränzen wird das einfallende Sonnen/Mondlicht an den Wassertöpfchen gebeugt. Nur das hier die Tröpfchen nicht immer alle gleich groß sind und deshalb auch keine runde Beugungserscheinung verursacht wird. Gleicher Durchmesser der Tropfen bedeutet gleiche Beugungsfarbe. Irisierende Wolken können auch an Eiskristallen entstehen, da beispielsweise Cirrucumuls Wolken herrliches irisieren verursachen, aber überwiegend aus feinsten Eiskristallen bestehen. Da manche irisierende Felder eine große Ausdehnung haben (30 und mehr von der Sonne), ist Lichtbeugung in diesem speziellen Fall (fast) nicht möglich. Demnach kann es ein Interferenz Effekt sein, der das Sonnenlicht an Vorder- und Rückseite der Eiskristalle bricht und austretende Lichtwellen sich überlagern...möglicherweise!

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108 Aureolen und Kränze Kränze und Aureolen (volkstümlich Hof ) entstehen an Wassertröpfchen von dünnen Wolkenfeldern, die genügend Licht hindurch lassen, um einen Beugungseffekt entstehen zu lassen. Zudem müssen die Tröpfchen die gleiche Größe aufweisen. Die farbigen Kränze entstehen durch unterschiedliche Ablenkungswinkel der einzelnen Längenwellen des Lichtes. Blau wird hierbei weniger abgelenkt wie Rot. Flächenmäßig ist der Bereich des blauen Lichtes im Hauptmaximum (direkt an der Lichtquelle) kleiner als die des gelben und roten Lichtes, was zur Folge hat, das der Bereich um die Lichtquelle weißlich erscheint, die einen rotbraunen Ring als Abgrenzung aufweist. Diese weißliche Scheine direkt um die Lichtquelle nennt man Aureole (Hof). Erst danach erkennt man die Nebenmaxima der Ablenkung in Form von konzentrisch angeordneten, farbigen Ringsystemen (Kränze).

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120 Pollenkoronen Winzige Blütenpollen können ebenso wie Tröpfchen Beugungsringe entstehen lassen. Ein gravierender Unterschied ist jedoch das Aussehen der farbigen Kränze, die in diesem Fall Blütenpollenkorona genannt werden. Da die meisten Blütenpollen nicht kreisrund sind, sondern kleine Beulen oder Auswüchse haben, ist demnach die Beugungserscheinung auch nicht kreisrund (Beugungsmuster) Es gibt Beugungsmuster die ellipsenförmig aussehen, oder Verdickungen nach oben und unten sowie zur Seite aufweisen. Blütenpollenkoronen sind meist zwischen Februar und Mai zu beobachten.

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126 Bishopscher Ring Nach einem Vulkanausbruch oder einem Waldbrand befinden sich in der Atmosphäre winzige Partikel mit Staub, Ruß oder Asche. An diesen Teilchen kann sich einfallendes Licht beugen. Da diese Partikel sehr klein sind (< 5 µm), entsteht ein Ring mit einem Radius von bis zu 28 um die Lichtquelle; der Bishop sche Ring. Seine Innenseite ist bläulich, zum Rand hin wird er rotbraun. Damit dieser Ring entstehen kann, müssen die Teilchen alle die gleiche Größe haben.

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129 Quételetsche Ringe Quételetsche Ringe entstehen an Staub und/oder Schmutzpartikeln der an Glasscheiben haftet. Durch Lichtbeugung an diesen Partikeln und Reflektion an der Scheibe entstehen durch diesem Zusammenhang unterschiedliche Lichtwege die sich überlagern und somit diese farbige Interferenz erzeugen. Interessant ist die Symmetrie der Ringsysteme, sowie die spektrale Farbaufteilung. Das Spiegelbild einer Lichtquelle (Sonne/Lampe) liegt auf einem weißen Ring, dessen fiktives Zentrum außerhalb der reflektierenden Fläche (Scheibe/Fenster) ist. An diesen weißen Ring schließen sich nun die farbigen Ringe an, einmal vom Zentrum des weißen Ringes weg, als auch zum Zentrum hin. Die Farbfolge ist immer vom weißen Ring aus mit Blau beginnend und mit Rot endend. Überlagerungen zeigen dann stetige Farbwiederholungen von Rot und Grün. (Interferenz) Entscheidend für die Form und Erscheinung der Ringe ist auch die Position von Beobachter, Lichtquelle und reflektierender Fläche. Das Quételetsche Ringsystem ändert seine Lage entgegengesetzt der Positionsänderung, wenn beispielsweise ein Beobachter sich nach links bewegt, ändert sich das Ringsystem nach rechts.

130 Quételetsche Ringe

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134 Glorie und Brockengespenst Steht man mit dem Rücken zur Sonne (oder einer anderen hellen Lichtquelle wie z.b. die Scheinwerfer des Autos) und schaut auf eine vor sich befindliche Nebelwand, sieht man seinen eigenen Schatten, der auf diesen Nebel projiziert wird. Durch die sich bewegenden Nebelschwaden hat der Betrachter den Eindruck, der Schatten würde sich auf gespenstische Weise bewegen.. Sehr oft ist auch die Glorie zu erkennen, eine Lichterscheinung um den Schatten des Betrachters. Lichtwellen treffen auf feine Wasser/Nebeltröpfchen, werden wieder zurückgestreut und beugen dieses rückgestreute Licht an Tröpfchen, die dann die konzentrischen Farbkreise entstehen lassen.

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139 Lichtstreuung Treffen Lichtstrahlen auf ein anderes Objekt (Staub, Luftmoleküle, Atome, Pollen, feine Wasserströpfchen), werden sie in Teilstrahlen aufgespalten und vom Streuzentrum in alle Richtungen gestreut. Physikalisch gesehen gibt es sehr viele unterschiedliche Streuprozesse. Für die atmosphärische Optik sind jedoch zwei von besonderer Bedeutung: Die Rayleigh-Streuung Grob gesagt werden hier die Lichtphotonen an Teilchen gestreut, die im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes klein sind, beispielsweise Atome oder Luftmoleküle der Atmosphäre. Bei dieser Art der Streuung ist zu berücksichtigen, dass die Streuintensität mit der Frequenz der unterschiedlichen Lichtwellen zunimmt. Die Frequenz von blauen zu rotem Licht verdoppelt sich zwar nur, aber die Intensität steigt mit der vierten Potenz der Frequenz an, das bedeutet: blaues Licht wird 16mal stärker gestreut als rotes Licht. Die Mie-Streuung Hier werden die Lichtphotonen an Teilchen gestreut, die im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes groß sind, wie beispielsweise Asche-, Ruß- und Staubpartikel, Blütenpollen und Wassertröpfchen in Wolken. Die Frequenz des Lichtes hat bei dieser Streuung weniger Einfluss. Dies ist einer der Gründe warum Wolken weiß erscheinen. Das gestreute Licht an den Tröpfchen wird gleichmäßig stark gestreut und vermischt sich wieder zu weiß.

140 Nachfolgende atmosphärische Erscheinungen entstehen durch Lichtstreuung - Himmelblau - Morgen- und Abendrot - Purpurlicht - Crepuscularstrahlen und Wolkenschatten - Heiligenschein - Erdschattenbogen und Hauptdämmerungsbogen

141 Himmelblau Der Himmel erscheint uns an einem völlig wolkenlosen Tag blau. Der Grund dafür ist die Streuung des einfallenden Sonnenlichtes an Molekülen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes (Rayleigh-Streuung). Da blaues Licht 16x stärker gestreut wird, als die andern Farben des Spektrums, empfangen wir das am stärksten gestreute Licht, das aus allen möglichen Richtungen kommt. Das intensive Blau während des Dämmerung bzw. bei Sonnenauf- und Untergang unterliegt einer anderen Ursache. Hier spielt das Ozon in der Atmosphäre eine große Rolle, den Ozon hat die Eigenschaft, das langwellige Orange und Rot zu absorbieren. Die Rayleigh-Streuung kommt während der Dämmerung nicht zu tragen. Wer den Himmel genau beobachtet wird feststellen, dass die Blaufärbung am Tag in einer Winkelebene von 90 zur Sonne am intensivsten ist. Grund dafür ist, das einfallendes Streulicht in genau dieser Ebene elektrisch polarisiert wird.

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143 Morgen- und Abendrot Morgen- und Abendrot entsteht auf die gleiche Weise, wie die rötliche Färbung der Sonne bei Sonnenauf- bzw. Untergang. Luft- und Wassermoleküle in der Atmosphäre streuen das flach einfallende Sonnenlicht, welches durch die Horizontnähe einen längeren Weg zurücklegen muss, unterschiedlich stark. Rotes und orangenes Licht wird weniger gestreut, dadurch sehen wir den Himmel in Horizontnähe, oder auch nur die Wolkenunterseite, leuchtend rot oder orangefarben. Blaues Licht hingegen wird stärker gestreut und erreicht durch den langen Weg durch die Atmosphäre unser Auge fast nicht, oder nur sehr wenig.

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148 Purpurlicht Das Purpurlicht entsteht kurz nach Sonnenuntergang und ist dann zu beobachten, wenn viele Staub-, Asche- oder Rußpartikel in der oberen Atmosphäre vorhanden sind. Häufig ist das Purpurlicht nach einem größeren Vulkanausbruch oder einem Waldbrand zu sehen. Es kann bei günstigen Windbedingungen mehrere Wochen beobachtet werden. Das besondere dabei ist die intensive Himmelsfärbung bei einem zunächst klaren und wolkenlosen Himmel. Kurz nach Sonnenuntergang sieht man dann deutliche Strukturen wie Bänder oder Streifen am Himmel die überwiegend rötlich, rosa oder violett erscheinen. Bis zu einer Stunde (manchmal auch länger) nach Sonnenuntergang kann das Purpurlicht beobachtet werden. Es entsteht durch eine Mischstreuung von Luftmolekülen (Rayleigh-Streuung) und Asche-, Ruß- oder Staubpartikeln (Mie-Streuung).

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152 Crepuscularstrahlen und Wolkenschatten Crepuscularstrahlen, oder auch Lichtbüschel genannt, entstehen meist dadurch, dass Wolken die Sonnenstrahlen blockieren und erst an den Wolkenrändern sichtbar werden. Staub- und/oder andere Partikel, wie feine Wassertröpfchen, streuen dann das Licht zum Beobachter. Die Strahlen treten dann deutlicher vom Wolkenschatten hervor, sodass ein Lichtstrahl auch von der Seite gesehen werden kann; der Tyndall-Effekt. Steht die Sonne tief, können diese Strahlen bis zum Sonnengegenpunkt verlaufen. Die scheinbar radial zur Sonne verlaufende Strahlen, bzw. zum Sonnengegenpunkt, beruhen auf der Tatsache des perspektivischen Effektes. In Wirklichkeit verlaufen diese Dämmerungs- bzw. Gegendämmerungsstrahlen parallel.

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159 Heiligenschein Der Heiligenschein ist eine Aufhellung um den eigenen Schatten des Kopfes der wandert, sofern man in Bewegung ist. Der Grund dafür sind kleine Tautropfen die sich in der Nacht auf den Blättern oder Gräsern gebildet haben. Diese Tropfen bündeln das einfallende Sonnenlicht wie eine Linse, reflektieren es auf der Pflanze und werden beim nochmaligen Durchlauf durch den Tropfen in alle Richtungen gestreut. Diese Lichterscheinung ist am besten früh morgens zu beobachten, wenn die Sonne noch recht tief steht. Der eigene Schatten sollte mindestens 15 Meter lang sein. Raue Pflanzenoberflächen eignen sich am besten zur Entstehung des Heiligenscheins, denn dadurch "sitzt" der Tropfen in einem gewissen Abstand zur Pflanze und erzeugt eine bessere Lichtbündelung.

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164 Erdschattenbogen und Hauptdämmerungsbogen Bei klarem Himmel zeigt sich kurz nach Sonnenuntergang am Osthorizont der Erdsdchattenbogen als graublaues Band. Er entsteht, da die Sonne den gekrümmten Erdrand in die gegenüber liegende Dämmerung projiziert. Über diesem Bogen zeigt sich bei guten Bedingungen ein rosafarbendes Band; der Hauptdämmerungsbogen (Widerschein). Die Färbung des Erdschattenbogens ist nicht auf die Rayleigh-Streuung zurückzuführen, sondern durch die Chappuis-Absorption des Ozons. Während die Rayleigh-Streuung am Westhimmel gelbes und rotes Licht zum Betrachter schickt, filtert Ozon oranges Licht bis zu 40% heraus. Ausreichend um den Himmel während der Dämmerung über und blau erscheinen zu lassen. Grund dafür ist der lange Weg der das Sonnenlicht während des Unterganges durch die Atmosphäre zurücklegt, der ca. 35x länger ist als zur Mittagszeit. Der Erdschattenbogen wird somit erst durch die vorhandene Ozonschicht sichtbar.

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169 Wie Ihr seht, gibt es viele interessante Dinge in Bezug auf die atmosphärische Optik zu entdecken. Und noch immer gibt es genügend Fragen zu einigen Phänomenen. Für mich sind diese Fragen ein großer Ansporn, die passenden Antworten durch praktische Versuchsaufbauten zu finden. Zu sehen wie etwas in der Natur funktioniert ist mit solchen Versuchen meist besser zu verstehen, als durch mathematisch-physikalische Formeln, was nicht heißen soll, dass diese unwichtig sind; im Gegenteil: Sie sind als Gegenrechnung eines Versuches von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus ist dies wieder einmal ein Beweis dafür, wie viel Spaß Physik in Verbindung mit Naturphänomenen machen kann... Vielen DANK für Eure Aufmerksamkeit!!! Michael Großmann