Das Farbspektrum des Lichts bleibt häufig verborgen, doch wenn der Winkel passt, die Wetterbedingungen stimmen und der Beobachter auch noch den richtigen Platz eingenommen hat, dann kommen die Farben in voller Pracht zum Vorschein.
Sie führen häufig zu "oh" und "ah" Effekten und verzücken den Beobachter jedes Mal aufs Neue. Die Phänomene der Lichtbrechung bzw. -streuung lassen die Natur in ihrer reinen und schönen Form erscheinen. So auch in den vergangenen Tagen oder Wochen. An den trockenen und sonnigen Tagen im April konnte man, auch aufgrund der zu "Corona-Zeiten" reduzierten Aerosole in der Luft, ein tolles Himmelblau betrachten. Abends und morgen gab es dazu tolle rote und orange Farben zu bestaunen. In den vergangenen, eher unbeständigen Tagen kamen schließlich die Farbspektren des Lichts durch Regenbögen oder Lichtspiegelungen in den Fokus des Beobachters.
Verantwortlich für diese Phänomene ist die erdumspannende Atmosphäre aus Gasteilchen (vor allem Stickstoff und Sauerstoff) sowie Wassertröpfchen in der Troposphäre. An diesen Gasteilchen (man sagt auch "Gasmoleküle") oder auch Wassertröpfchen wird das Sonnenlicht auf dem Weg zum Betrachter in alle Richtungen gestreut und gebrochen, also von seiner ursprünglichen Bahn abgelenkt oder in seine Spektralfarben aufgeteilt. So kann es auch auf Umwegen und in einer tollen Farbenpracht in unser Auge gelangen.
In den betrachteten Fällen liegt die Ursache also im sichtbaren Lichtspektrum, das die verschiedenen Farben entsprechend der unterschiedlichen Wellenlängen aufteilt. Als Wellenlänge bezeichnet man dabei den kleinsten Abstand zweier Punkte einer Welle, die in gleicher Phase sind. Also z. B. der Abstand zweier Wellenberge. Während Wasserwellen eine Wellenlänge von bis zu 150 Metern erreichen können, verfügen die Lichtstrahlen über Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern (0,0000004 bis 0,0000008 Meter).
Der blaue Himmel tagsüber (sofern keine Wolken am Himmel stören) ist auf die Lichtstreuung zurückzuführen. Das Licht, das von der Sonne aus wellenförmig auf die Erde fällt, ist entgegen unserer Wahrnehmung nicht weiß, sondern besteht aus vielen verschiedenen Farben, die zum Beispiel bei Entstehung eines Regenbogens sichtbar werden. Die Farbunterschiede werden durch die verschiedenen Wellenlängen der Spektralfarben hervorgerufen. Blaues Licht hat eine viel kürzere Wellenlänge von etwa 450 Nanometer als rotes Licht von etwa 650 Nanometer. Der englische Physiker Lord Rayleigh (alias John William Strutt) erkannte als erster, dass die Streuung an den Gasteilchen wellenlängenabhängig ist: blaues Licht wird 16-mal stärker gestreut als rotes.
Tagsüber, wenn die Sonne recht hoch am Himmel steht, haben die Sonnenstrahlen einen vergleichsweise kurzen Weg zur Erdoberfläche. Dabei wird überwiegend blaues Licht in andere Richtungen gestreut. Die Summe allen Streulichtes lässt den Himmel dann blau erscheinen.
Dass der Himmel am Tag nicht immer in seinem schönsten Blau erstrahlt, sondern oft trüb oder grau ist, liegt daran, dass sich in der Atmosphäre neben den sehr kleinen Luft- und Wasserdampfmolekülen auch größere Teilchen wie Staubpartikel und Wolkentröpfchen befinden. Die Streuung an diesen Teilchen (Mie-Streuung) ist, je nach Partikel- oder Tröpfchengröße, kaum oder gar nicht wellenlängenabhängig, d.h. ankommendes weißes Licht wird in alle Richtungen als weißes Licht gestreut. Deswegen sind Wolken meistens weiß.
Romantisch rotgefärbte Sonnenuntergänge oder eine tolle orange-rote Morgenstimmung, haben wir aber wieder der Rayleigh-Streuung zu verdanken. Wenn die Sonne am Horizont untergeht, muss jeder einzelne Sonnenstrahl einen deutlich längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen als tagsüber. Von dem von der Sonne ausgestrahlten Licht wird das kurzwellige Licht, also vor allem der Blau- und Grünanteil, bereits nach kurzer Strecke so stark weggestreut, dass beim Betrachter am Boden nur noch die Orange- und Rottöne ankommen. Grundvoraussetzung ist jedoch, dass der Himmel beim Morgenrot im Osten und beim Abendrot im Westen größtenteils wolkenfrei ist.
Die im Volksmund gern zitierte Aussage ''Abendrot Schönwetterbot, Morgenrot Schlechtwetter droht'' erlangt aber nur bei den für die mittleren Breiten typischen Westwetterlagen mit rasch wechselndem Wetter ihre Gültigkeit.
Für die Entstehung eines Regenbogens ist die sogenannte Lichtbrechung von Bedeutung. In diesem Fall tritt das Licht in einen Wassertropfen ein und auch wieder aus. Beim Ein- und Austritt werden die Farben des sichtbaren Lichts dann analog zur Streuung unterschiedlich stark abgelenkt. Die Brechung des Lichts in einem Regentropfen entspricht in seinen Grundzügen (qualitativ) der Farbzerlegung des Sonnenlichts durch ein Prisma (Dispersion). Jedoch sind die Farben beim Regenbogen nicht so scharf voneinander getrennt, wie es beim Prisma der Fall wäre. Ursache für die teilweise Mischung der Farben ist die Reflexion des Lichtstrahls an unterschiedlichen Stellen der kugelförmigen Tropfenfläche und ihre erneute Ablenkung beim Austritt. Die besten Voraussetzungen für einen Regenbogen sind demnach leichter Regen vor dem Beobachter sowie die relativ niedrig stehende Sonne in seinem Rücken.
Dipl.-Met. Lars Kirchhübel
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 03.05.2020
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