Farben- und Lichtspiel am Tageshimmel - Regenbogen

Um einen Regenbogen zu sehen, muss die Sonne hinter dem Beobachter stehen. Die Regentropfen brechen das Sonnenlicht, zerlegen es in seine Grundfarben und reflektieren diese in sieben Farben.

Ein Regenbogen entsteht, wenn die Sonne auf einen Regenvorhang scheint. Das Sonnenlicht wird an den Tröpfchen gebrochen, in die verschiedenen Spektralfarben aufgeteilt, reflektiert und wieder gebrochen. Dabei gelangt das meiste Licht in einem Winkel von 42 Grad in unser Auge.

Wenn das Licht in einen Wassertropfen eindringt, wird es abgelenkt. Das heißt, es wird beim Überque­ren der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser leicht abgelenkt. Nachfolgend wird es, an der Rückseite des Wassertropfens reflektiert, und schließlich beim Austreten aus dem Tropfen erneut gebrochen.

Allerdings werden die Farben des ursprünglich weißen Lichtstrahls in leicht unterschiedlichen Winkeln gebrochen. Blau beispielsweise wird mit 40,6 Grad gebrochen, Rot mit 42 Grad. Der blaue Lichtanteil wird beim Eintritt in den Tropfen stärker gebrochen als das rote Lichtanteil.

Demnach wird der Lichtstrahl in einem bestimmten Winkel gegenüber seiner Einfallsrichtung abgelenkt. Die Brechung des Lichts ist von der Wellenlänge abhängig. Nach der Reflexion an der hinteren inneren Oberfläche des Tropfens wird es beim Austritt erneut stärker gebrochen als der rote Lichtanteil.

Nach dem Verlassen des Lichtstrahls aus dem Regentropfen sind für uns jedoch nur die Spektralfarben, die zwischen diesen Winkeln liegen, sichtbar. Farben außerhalb dieses Bereichs kann das menschliche Auge nicht wahrnehmen. Also sehen wir nur ein farbiges schmales Band am äußeren Rand des runden Lichtkegels. Der innere Bereich bleibt farblos, oft kann man ihn aber an einer Aufhellung dennoch erkennen.

Vor allem bei Regenschauern ist die Bedingung Sonne und Regen erfüllt. Um dann einen Regenbogen zu sehen, sollte sich die Sonne im Rücken des Beobachters befinden. Von einer gedachten Linie Sonne-Beobachter-Sonnengegenpunkt befindet sich der Regenbogen dann 42 Grad weiter oben. Am besten beobachtet man Regenbögen in den Morgen- und Abendstunden. Dann steht die Sonne so flach über dem Horizont, dass ein steiler Bogen entstehen kann.

Die größte Ausdehnung hat ein Regenbogen, wenn die Sonne nah am Horizont steht, also früh morgens oder spät abends. Bei einem hohen Standort des Beobachters auf einem Berg oder im Flugzeug kann man manchmal sogar einen vollen Kreis sehen.

Wenn im Sommer die Sonne aufsteigt, so wird der Regenbogen immer kleiner, der Hauptteil verschwindet unter der Erde. Ab einem Sonnenstand von 42 Grad versinkt der Regenbogen sozusagen im Boden. Im Juni steht die Sonne zum Beispiel von 10 Uhr bis 16 Uhr zu hoch für einen Regenbogen.

Kreisrund erscheint ein Regenkreis. Es handelt sich dabei um einen vollständig geschlossenen Regenbogen. Er kann nur beobachtet werden, wenn sich der Betrachter wie hier vor Hawaii in einer erhöhten Position befindet. Dann ändert sich der Winkel der Sonneneinstrahlung im Verhältnis zum Betrachter, sodass dieser einen größeren Teil des Regenbogens sehen kann.

Aus einem Flugzeug oder von einem exponierten Berggipfel aus sieht man den vollen Regenkreis. Vom Erdboden aus ist dies nicht möglich. Hier bleibt immer ein Teil des Regenbogens unter dem Horizont verborgen

Bei der Brechung des Sonnenlichts im Regentropfen werden die sogenannten Spektralfarben sichtbar. Das sind Farben, aus denen das eigentlich weiße Licht der Sonne besteht. Jede der Farben weist eine andere Wellenlänge auf und wird unterschiedlich stark gebrochen. Je kürzer die Wellenlänge, um so höher die Frequenz, und um so höher die Energie, die ein Lichtquant in sich trägt. Daher hat blaues Licht mehr Photonenenergie als rotes.

Insgesamt gibt es sieben Regenbogenfarben, diese sind von außen nach innen:

Allerdings wurde diese Anzahl der Farben von Isaac Newton festgelegt, als er die Theorie der Farbwahrnehmung vor über 300 Jahren wesentlich geprägt hat. Newton ordnete zwischen Blau und Violett noch Indigo ein, einen tiefen Blauton, der aber noch nicht dem Violett zugeordnet werden kann. Warum Newton diese Differenzierung des Blau-Bereichs so am Herzen lag, spekulieren Historiker und Physiker immer noch. Sieben hatte seit der Antike in der westlichen Welt eine magische Bedeutung und galt als Zahl des Glücks.

Pythagoras liebte es, Phänomenen Zahlen zuzuordnen. So schreibt man ihm die Entdeckung der Tatsache zu, dass Musiknoten (von denen es sieben gibt) in mathematische Gleichungen übertragen werden können und er hatte eine Theorie, wie die Himmelskörper, von denen seinerzeit sieben bekannt waren, sich nach mathematischen Mustern bewegen.

Newton assoziierte nicht nur Farbe mit Musik, sondern er nahm an, dass das Farbspektrum zyklisch war wie Oktaven. Als er seine Arbeit mit den Farben begann, unterteilte er das Spektrum ursprünglich nur in fünf Farben (Rot, Gelb, Grün, Blau und Violett). Diesen ursprünglichen Farbspektrum ergänzte er noch Orange und Indigo.

Andererseits war das Material Indigo damals von großer Bedeutung, vielleicht waren Newtons Augen deshalb so geschult, diese einzelne Farbe differenzieren zu können.

Doch manche Historiker vermuten, dass Newton besonders sensibel im hochfrequenten Bereich wahrnehmen konnte. Andere Menschen würden dies bereits dem unsichtbaren UV-Spektrum zuordnen.

In diesen Extrembereichen an den Grenzen des sichtbaren Lichtes können manche Menschen teilweise noch 20 Nanometer und weiter über den normalen sichtbaren Bereich hinaus sehen. Die Augen dieser Personen haben dann jedoch keine zusätzlichen Rezeptortypen, sodass sie diese besonders kurzwelligen Lichtstrahlen einfach weiterhin als Violett und besonders langwelliges Licht als Tiefrot wahrnehmen.

Manchmal sieht man neben dem Hauptregenbogen noch einen weiteren sogenannten Nebenregenbogen. Dieser befindet sich oberhalb des Hauptregenbogens in einem Winkel von 51 Grad.

Der zweite Regenbogen entsteht durch eine weitere Reflexion innerhalb des Regentropfens. Der Weg des Lichtes ist dadurch weiter und ein Teil des Lichtes geht verloren. Daher erscheint der zweite Regenbogen, wenn überhaupt, nur schwächer. Gleichzeitig sind die Farben des Nebenregenbogens umgekehrt zu denen des Hauptregenbogens.

Zwischen dem Haupt- und Nebenregenbogen erscheint der Himmel dunkler. Tatsächlich tritt zwischen dem Winkel von 41 Grad, der den Hauptregen­bogen kennzeichnet, und dem Winkel von 51 Grad, der den Nebenregenbogen kennzeichnet, kein Lichtstrahl aus dem Tropfen. In diesem Bereich fehlt daher Licht. Man nennt dieses Band "Alexanders dunkles Band", zu Ehren von Alexander von Aphrodisias, der es als Erster beschrieb.

Sogar tertiäre (dritte) und quartäre (vierte) Regenbögen sind theoretisch möglich. Allerdings sind diese aufgrund noch lichtschwächerer Verhältnisse kaum wahrnehmbar.

Eine Nebelwand vor dem Beobachter mit einer ungetrübten Sonne im Rücken ist die beste Voraussetzung für die Beobachtung eines Nebelbogens. So wird ein farbloser Regenbogen bezeichnet. Dieser entsteht, wenn die Tröpfchen kleiner als etwa 50 Mikrometer sind, wie es bei Nebel oft der Fall ist.

Ähnlich wie bei einem Regenbogen entsteht auch der Nebelbogen durch Brechung und Reflexion von Lichtstrahlen. Bei den kleinen Nebeltropfen verschmieren die einzelnen Regenbogenfarben aber sozusagen und überlagern sich zu weißem Licht. Daneben spielen Beugungseffekte eine Rolle. Sieht man von oben den Nebelbogen an Wolken, so wird dieser auch als Wolkenbogen bezeichnet.

Andere optische Leuchterscheinungen ähneln dem Regenbogen und werden leicht verwechselt. So ist am Himmel neben der Sonne manchmal ein Zirkumzenitalbogen zu sehen. Sie ist eine von vielen Halo-Arten.

Eine Glorie sieht auf den ersten Blick so aus wie ein kreisförmiger Regenbogen. Die typischen Regenbogenfarben sieht man ebenfalls bei sogenannten Irisierenden Wolken.

Weitere Aufnahmen

Fotos: Farbenfrohe Regenbögen

Auch bei regnerischem Wetter kann es sich lohnen, die Kamera zu packen und aus dem Haus zu gehen. Die Chance, einen Regenbogen vor die Linse zu bekommen, ist besonders bei Schauerwetter groß, wenn sich Regen, Sonne und Wolken abwechseln.

„Das Farbenspiel am Himmel in Form eines Regenbogens zeigt sich meist dann, wenn ein Schauer abgezogen ist und die Sonne wieder herauskommt“, erklärt Dennis Oswald, Meteorologe und WetterFotograf bei WetterOnline.

Regenbögen lassen sich am besten morgens, vormittags, nachmittags und abends fotografieren, wenn die Sonne tief am Horizont steht. „Die besten Fotos entstehen meist kurz nach Sonnenaufgang oder kurz vor Sonnenuntergang“, erläutert Dennis Oswald. „Dabei achte ich darauf, dass die Sonne in meinem Rücken steht und die Sicht auf den Himmel frei ist.“

Für das Fotografieren von Regenbögen sollte man folgende Ausrüstung mit sich führen:

Ein Regenschutz für die Kamera erweitert den Spielraum für die Motivsuche deiner Wahl. Ist ein passendes zusätzliches Motiv für den Vordergrund des Fotos wie ein freistehender Baum oder eine Landschaft einmal gefunden, lohnt es sich unter Umständen, einen Schauer abzuwarten und auf das Erscheinen eines Regenbogens zu warten.

Mit einem Weitwinkel- und einem Teleobjektiv hast du maximalen Spielraum, um deiner Kreativität freien Lauf zu lassen. Dennis Oswald rät: „Manchmal empfiehlt es sich, mit einem Teleobjektiv nur einen kleinen Ausschnitt eines Regenbogens zu fotografieren. In Verbindung mit weiteren Bildelementen wirkt der Regenbogen dann deutlich größer.“