Regenbogen / Brechung von Wellen

Regenbogen sind seit Menschengedenken ein eindrucksvolles Naturschauspiel. Die ersten Beobachtungen  werden bereits in der Bibel erwähnt (Genesis 9, 13). Hier beobachteten die Geretteten auf der Arche Noah den ersten Regenbogen am Ende der Sintflut.

Beobachten kann man den uns bekannten optischen Regenbogen - daher der Name - bei Regen und gleichzeitigem Sonnenschein. Der Regenbogen bildet einen kreisförmigen Ring mit etwa 42° Beobachtungswinkel um den Gegenpol der Sonne. Es erscheinen alle Spektralfarben in einem schmalen Band von außen nach innen mit den Farben rot bis violett. Unter günstigen Bedingungen kann man einen zweiten (Neben-) Regenbogen mit 51° Öffnungswinkel entdecken, der sehr viel blasser ist und die Farben in umgekehrter Reihenfolge zeigt. Zwischen diesen beiden Bögen erscheint eine dunklere Region, die "Alexanders dunkles Band" genannt wird.

 

Regenbogen auf Oahu (Hawaii) bei feinem Regen und intensiver Nachmittagssonne. Gut zu erkennen
ist auch der Nebenregenbogen sowie das dunkle Band zwischen den Bögen.


Physikalisch betrachtet handelt es sich beim Regenbogen um Brechung und Bündelung von Licht in einen engen Winkelbereich: eine Kaustik, d.h. eine Erhöhung der Lichtintensität in diesem engen Winkelbereich. Das Licht der Sonne trifft viele kleine Regentropfen und wird dabei zunächst am Tropfenrand nach innen gebrochen, dann an der hinteren Wand des Tropfens reflektiert und beim Austritt aus dem Tropfen nochmals gebrochen. Der totale Ablenkungswinkel des Lichtes beträgt etwa 138°, oder der Beobachtungswinkel des Regenbogens entsprechend 42° zum Zentrum des Bogens. Das zu beobachtende Farbenspiel ist eine Dreingabe der Natur: Durch verschiedene Brechungswinkel für verschiedene Wellenlängen (Dispersion) werden unterschiedliche totale Reflexionswinkel erreicht und damit, wie bei einem Prisma, eine Aufspaltung des weißen Sonnenlichtes in Farben.

 

 

Der primäre (Haupt-) Regenbogen entsteht durch Brechung und einfache Reflexion im Inneren eines Regentropfens.

Der Nebenregenbogen entsteht durch eine zweite Totalreflexion, was die Farbreihenfolge umkehrt und die Farben blasser erscheinen lässt.

Der sekundäre (Neben-) Regenbogen wird durch eine zweite Totalreflexion im Inneren des Tropfens erzeugt. Dadurch wirkt er sehr viel blasser und die Reihenfolge der Farben kehrt sich um. Das dunkle Band zwischen den beiden Regenbögen ist auf eine Umverteilung der gestreuten Lichtintensität in den Regenbogen zurückzuführen, denn in der Physik wird nicht gezaubert: Wenn es in einer oder zwei Zonen heller wird, kann dies nur auf Kosten von anderen geschehen, in denen es dunkler wird.

Wir können also festhalten, dass es sich bei der Erscheinung des Regenbogens eindeutig um ein optisches Phänomen handelt, das nur durch die Wellennatur des Lichtes erklärt werden kann.

Brechung (Java Applet)