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Erdschatten und VenusgĂĽrtel 04.06.2010
Erdschatten und VenusgĂĽrtel 04.06.2010
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michael
 

  Regenbogen  








Der Regenbogen ist eines der spannendsten Themen in der Atmosphärenoptik. Nicht nur weil es zu farbenprächtigsten Ereignissen zählt, sondern auch weil der Regenbogen den Menschen schon immer in seinen Bann gezogen hat.

Physikalisch gesehen ist es nicht ganz leicht die Vorgänge zu erklären wie der Regenbogen tatsächlich entsteht. Bei Fragen wie "warum ist der Regenbogen rund" oder "gibt es ein Ende des Regenbogens" wird der eine oder andere schnell an seine Grenzen gelangen, die richtigen Worte zu finden um dieses Phänomen zu beschreiben.

Erschwerend kommt noch hinzu, daß es nicht nur DEN Regenbogen gibt, sondern eine Vielzahl von Unterarten. Dazu gehören gespiegelte Regenbögen, gespaltene Regenbögen, rote Regenbögen, Regenbögen bei Mondlicht, Regenbögen die in künstlichem Licht erzeigt werden und Regenbögen höherer Ordnung. Sie alle werden hier beschreiben und gezeigt.


(Hits: 4989)
Unterkategorien
primärer und sekundärer Regenbogen (95)





Der primäre Regenbogen ist wohl die mit Abstand bekannteste Form atmosphärischer Leuchterscheinungen und zeigt sich als leuchtendes Farbband in Bogenform am Himmel.

Er entsteht dann, wenn der Betrachter auf eine vor ihm befindliche Regenwand schaut und die Sonne dabei im RĂĽcken hat.

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.

Sonnenlicht tritt in den fallenden Wassertropfen ein, wird in seine Spektralfarben zerlegt, an der Rückseite des Tropfens reflektiert und tritt an der Vorderseite wieder aus. Dies geschieht in einem ungefähren Winkel von 40° für blaues Licht, bzw. 42° für rotes Licht, relativ zu den einfallenden Sonnenstrahlen.

Abhängig von der Eigenschaft des Regentropfens, einfallendes weißes Sonnenlicht in die Spektralfarben zu zerlegen (Dispersion); die jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen; sehen wir den Regenbogen auch farbig. Rot an der Aussenseite, blau-violett an der Innenseite.

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 Kegelmantels mit einem Winkel von 42° um den Sonnengegenpunkt.
Diese Tropfen erscheinen uns farbig und erzeugen durch die geometrische Form des Kegelmantels den Regenbogen.

Die Entstehung des Regenbogens ist eine sehr komplexe Sache, im Grunde entsteht an jedem einzelnen Tropfen ein eigener Lichtkegel, da das einfallende Sonnenlicht auf der sonnenzugewandten Halbkugel des Tropfens einfällt und somit eine Vielzahl von möglichen Reflektionen im Bereich des minimalen Ablenkungswinkel entstehen läßt.

Zusammen mit dem Beobachterkegel entsteht dann an den Berührungspunkten der Mantelflächen der Regenbogen für den Betrachter.

Das bedeutet demnach, dass jeder Betrachter nur seinen eigenen Regenbogen sehen kann. Ein Regenbogen ist keine "stationäre" Erscheinung, er wandert mit uns, wenn wir uns bewegen.

Ensteht 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.



Roter Regenbogen (17)





Ein roter Regenbogen ensteht dann, wenn die Sonne knapp über dem Horizont steht oder gerade untergegangen bzw. aufgegangen ist. Durch den niedrigen Sonnenstand muss dass Sonnenlicht einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Das führt dazu, dass nur noch das langwellige rote Licht auf die Regentropfen fällt und den Regenbogen dadurch rot erscheinen läßt. Hier ein Beispiel.

Das kurzwellige blaue Licht wird stärker gestreut und ist im Regenbogen nicht mehr sichtbar.
Je höher die Sonne über den Horizont steht und der Einfallswinkel des Sonnenlichts durch die Atmosphäre steiler wird, umso farbiger wird der Regenbogen.



Gespaltener Regenbogen (1)





Erst in den letzten Jahren konnte man sich ein genaueres Bild über die Entstehung des gespaltenen Regenbogens machen. Die Hauptursache liegt an der Geometrie der fallenden Regentropfen und deren Größe. Während kleinere Tropfen sich in ihrer Kugelform kaum verändern, werden größere Tropfen durch den Luftwiderstand abgeflacht. Durch diese Abplattung ändert sich der Brechungsindex. Das einfallende Sonnenlicht auf Regentropfen unterschiedlicher Größe und Form erzeugt somit die Aufspaltung des Regenbogens. Das ist zumindest die bis heute plausibelste Theorie.
Ein weiterer Faktor der für die Aufspaltung verantwortlich sein kann ist der Wind. Bei durchziehenden Gewittern mit teils stürmischen Böen können fallende Wassertropfen ebenfalls in ihrer Kugelform beeinträchtigt werden.



Regenbogen höherer Ordnung (12)





Erklärung

Wer kennt ihn nicht, den farbenfrohen Bogen nach oder während eines Regenschauers, der einen großen Teil gegenüber der Sonne einnehmen kann und faszinierend anzuschauen ist. Manchmal erkennt man sogar noch einen zweiten, schwächeren Bogen außerhalb des Ersten, allerdings in umgekehrter Farbfolge. Dies beiden nennt man den primären und sekundären Regenbogen.

Wobei primär bedeutet, dass das einfallende Licht einmal im Tropfen reflektiert wird, in seine Spektralfarben zerlegt und den Tropfen wieder verlässt. Beim Sekundärbogen passiert diese interne Reflexion zweimal. Diese doppelte Reflexion ist auch der Grund dafür, dass die Farbfolge, im Vergleich zum Primärbogen, invertiert ist.

Nun stellt sich die Frage, ob diese interne Reflexion auch ein weiteres Mal im Tropfen stattfinden kann; und genau das kann sie! Hier sind wir dann an den Punkt angelangt, bei dem wir von "Höherer Ordnung" sprechen.

Höhere Ordnung bedeutet nicht, das der Regenbogen positionsbezogen am Himmel eine höherer Stellung einnimmt. Es besagt vielmehr die Anzahl der internen Reflexionen die über zwei uns bekannten hinaus geht. Wir unterscheiden wie folgt:
•0. Ordnung: Lichttransmission durch den Tropfen / "Zero order glow"
•1. Ordnung: primärer Regenbogen
•2. Ordnung: sekundärer Regenbogen
•3. Ordnung: tertiärer Regenbogen
•4. Ordnung: quartärer Regenbogen
•5. Ordnung: quintärer Regenbogen
•6. Ordnung: sextärer Regenbogen
•usw...

Position am Himmel

Der primäre und sekundäre Regenbogen stehen der Sonne gegenüber wobei der Austrittswinkel beim Hauptregenbogen, bezogen auf den Eintrittswinkel, bei ca. 138° liegt. Beim sekundären Nebenregenbogen liegt dieser bei ca. 128°. Der tertiäre und quartäre Regenbogen haben einen Austrittswinkel von ca. 40° bzw. 45°. Das bedeutet sie liegen dicht beieinander und entstehen bezogen auf den Lichteintrittsswinkel zur Sonne hin.
Quintärer und sextärer Bogen sind wieder bezogen auf den Lichteintrittswinkel um den Gegensonnenbereich zu finden, wobei der quintärer Bogen mit einem Austrittswinkel von ca. 130° sich mit dem Sekundärbogen überlagert. Der sextärer Bogen ist mit einem Austrittswinkel von ca. 145° noch innerhalb der hellen Kausitkscheibe des primären Hauptregenbogens.




Quelle: Jearl Walker (The amateur scientist)



Beobachtung

Es können also theoretisch eine Vielzahl von Regenbögen entstehen, die alle an verschiedenen Positionen am Himmel aufzufinden wären. Hier sind jetzt allerdings einige Faktoren in Betracht zu ziehen die eine Beobachtung erschweren, wenn nicht sogar unmöglich machen.
•Mit jeder internen Reflexion verlässt auch Licht den Tropfen, sodass die Intensität des Regenbogens mit steigender Ordnung abnimmt.
•Regenbögen die zur Sonne hin entstehen (3. und 4. Ordnung) sind durch die enorme Blendwirkung der Sonne und den damit entstehenden großen Kontrastumfang mit bloßem Auge kaum bis gar nicht zu beobachten.
•Ebenfalls wird das austretende Farbspektrum mit steigender Ordnungszahl nicht nur farbschwächer, auch die Breite des Regenbogens nimmt stetig zu. Damit wird auch der Farbkontrast zwischen Hintergrund und Regebogen selbst immer undeutlicher.

Um eine erfolgreiche Beobachtung bzw. einen fotografischen Nachweis zu erbringen bedarf es einiger Tipps und Hilfen.
•Wetter- und Regenradarkarten zur aktuellen Wettersituation vergleichen
•Die Aufnahmen sollte in einem unkomprimierten Format (RAW) erfolgen
•Nach Möglichkeit Polarisationsfilter verwenden
•Sonne abdecken um Linsenreflexe zu vermeiden
•Nach Möglichkeit Serienaufnahmen machen
•Die Kameralinse vor Regen schützen

Nach der erfolgreichen Beobachtung müssen die Aufnahmen ausgewertet werden. Mittels Bildbearbeitung, meistens wird hier die Unschärfemaske genutzt, kann die Sichtung erst eindeutig bestätigt werden


Am 15.05.2011 war es dann endlich soweit. Weltweit ĂĽberhaupt konnte ich einen Regenbogen der 3. Ordnung erstmalig fotografisch dokumentieren.




Die Bedingungen waren an diesem Abend ideal. Die Sonne stand noch ca. 8° über dem Horizont als es an meinem Beobachtungspunkt heftig anfing zu regen. Die Sonne scheinte die ganze Zeit ungehindert durch.
Ein kurzer Blick auf den primären und sekundären Bogen erlaubte ich mir noch, denn die beiden waren schon grandios und schön anzusehen.

Aber mein Augenmerk galt dem bis dato noch nicht nachgewiesenem tertiären Bogen. In der ungefähren Position in der ihn vermutete, machte ich einige Bilder.
Das ich ihn visuell deutlich gesehen habe, kann ich nicht sagen. Es war vielmehr ein "schimmern", ein zu erahnender Bogen.

Bei der Begutachtung der Bilder und durch dementsprechende Bearbeitung am PC konnte ich ihn dann am Monitor definitiv als solchen einordnen.

Das Hauptproblem beim fotografischen Nachweis liegt an den hohen Belichtungs- und Kontrastunterschieden, da der Bogen mit 40° Radius nicht allzuweit von der hellen Sonne liegt.

Dehalb habe ich die Rohdatei des Bildes mit unterschiedlichen Filtern und Kontrastanhebungen bearbeitet, um ihn deutlicher zu machen. Diese kurze Gif-Animation soll das besser veranschaulichen.

In der Reihenfolge werden die Bilder gezeigt:
- Rohdatei
- unscharf maskiert
- Farbkontrast erhöht
- invertiert

Das Hauptbild zeigt die farbverstärkte und unscharf maskierte Version des Bogens.

Zur genaueren Bestimmung untersuchte Dr. Alexander HauĂźmann; ein Spezialist im Bereich Photophysik; meine Aufnahme und fĂĽhrte eine Reihe von Winkelvermessungen und Kalibrierungen durch.
Diese pdf-Datei zeigt seine genauen AusfĂĽhrungen. Vielen Dank nochmal an dieser Stelle an Dr. Alexander HauĂźmann und Prof. Dr. Elmar Schmidt fĂĽr Ihre UnterstĂĽtzung.

In Versuchen mit Laserlicht habe ich diesen Bogen bereits im Winter 2010 erfolgreich simulieren und fotografisch darstellen können.

Einen ausführlichen Bericht über höherwertige Regenbögen gibt es hier.



Medienberichte

Mittlerweile wurde meine Beobachtung in Applied Optics veröffentlicht und mit freundlicher Genehmigung von OSA als elektronische Auflage zur Verfügung gestellt. Die Veröffentlichung ist auf folgender OSA-Seite zu finden:
http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-50-28-F134

This paper was published in Applied Optics and is made available as an electronic reprint with the permission of OSA. The paper can be found at the following URL on the OSA website:
http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-50-28-F134

Systematic or multiple reproduction or distribution to multiple locations via electronic or other means is prohibited and is subject to penalties under law.

Für private Zwecke ist meine Veröffentlichung als pdf Datei hier zu Verfügung gestellt:
Michael Großmann et al. "Photographic evidence for the third-order rainbow" Applied Optics Vol. 50, Iss. 28, pp. F134–F141 (2011)

Weitere interessante Berichte aus der Sonderausgabe von Applied Optics zur Sichtbarkeit der Regenbögen 3. und 4. Ordnung findet man hier, allen voran die beachtenswerte Erstsichtung des Regenbogens 4. Ordnung von Michael Theusner, einen herzlichen Glückwunsch nochmal an dieser Stelle:
"Photographic observation of a natural fourth-order rainbow" Michael Theusner

"Light and Color in the Open Air: introduction to the feature issue" Joseph A. Shaw, Raymond L. Lee, Jr., and Philip Laven

"Visibility of natural tertiary rainbows" Raymond L. Lee, Jr. and Philip Laven

Abschliessend noch einige Pressemitteilungen zu diesem bahnbrechenden Thema:

OSA

New Scientiest

BBC

Europress

Dailymail



Gefunden: 4 Bild(er) auf 1 Seite(n). Angezeigt: Bild 1 bis 4.

Regenkreis | 09.07.2018
Regenkreis | 09.07.2018 (michael)
Regenbogen


Regenbogensegment | 10.06.2018
Regenbogensegment | 10.06.2018 (michael)
Regenbogen


Regenbogen | 01.06.2018
Regenbogen | 01.06.2018 (michael)
Regenbogen


Regenbogen | 15.05.2018
Regenbogen | 15.05.2018 (michael)
Regenbogen


   



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