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22° Ring 18.03.2014
22° Ring 18.03.2014
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michael
 

  Lichtstreuung und Lichtbeugung in der Atmosphäre  


Kleinste Staubpartikel, feine Wassertröpfchen, aber auch Moleküle und Atome in der Atmosphäre haben die Eigenschaft, einfallendes Sonnenlicht zu streuen. Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Streumechanismen, in der Atmosphärenoptik sind jedoch zwei von großer Bedeutung.

Die Rayleigh Streuung, die dann zum Tragen kommt, wenn die Teilchen an denen das Licht gestreut wird, kleiner ist als die Wellenlänge des Lichtes. Zum anderen gibt es die Mie Streuung, bei der die Teilchen genauso groß, oder größer sind als die Lichtwellenlänge.

Gerade bei tiefstehender Sonne erzeugen diese Teilchen farbintensive Sonnenauf- oder Untergänge.



Wolken vor der Sonne lassen fächeratige Strahlenkränze entstehen, die sich über den gesamten Himmel erstrecken können und sich am Sonnengegenpunkt als Gegendämmerungsstrahlen in einem Punkt wieder bündeln.

Vulkanascheteilchen färben den Abendhimmel in ein intensives rosa bis violett. Diese Erscheinung kann bei günstigen Wetterbedingungen an jedem klaren Abend nach Sonnenuntergang über Wochen beobachtet werden.

Nach Sonnenuntergang zeigt sich im Gegensonnenbereich der aufsteigende Erdschatten als dunkelgraues Band.
Leuchterscheinungen durch Lichtstreuung sind im Idealfall fast täglich zu beobachten und in Form und Farbe kaum zu übertreffen.


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Sonnenauf- und Sonnenuntergang (224)





Versinkt die Sonne hinter dem Horizont, spricht man vom Sonnenuntergang. Für uns Beobachter auf der Erde hat es den Anschein, dass sich die Sonne bewegt, tatsächlich aber dreht sich die Erde um sich selbst und vermittelt uns somit den Eindruck des täglichen Sonnenlaufes.

Während des Sonnenunterganges färbt sich der Himmel meist rot-orange, er kann aber auch alle anderen Farben des Spektrums aufweisen. Verantwortlich für die rötliche Färbung des Himmels und auch der untergehenden Sonne ist der längere Weg des Sonnenlichtes durch die Erdatmosphäre. Hierbei wird das kurzwellige blaue Licht stärker gestreut als das langwellige Rote. Wandert die Sonne auch noch durch Luftschichten unterschiedlicher Temperatur und Dichte, wirkt sie verformt oder verzerrt.



Mondauf- und Untergang (11)





Genauso wie die Sonne ihre scheinbare Bahn am Himmel zieht; bedingt durch die Erdrotation; geht auch der Mond auf und unter. Der Unterschied liegt darin, das sich der Mond auch noch um die Erde dreht. Das ist der Grund warum er in zunehmenden- oder eben auch abnehmenden Phasen zu sehen ist.

Um die Zeit des Vollmondes ist er besonders beim Aufgehen ein sehr lohnenswertes Objekt am Abendhimmel. 0



Morgenrot und Abendrot (109)





Morgenrot und Abendrot entsteht auf die gleiche Weise, wie die rötliche Färbung der Sonne bei Sonnenauf- bzw. Sonnenunterganng. Luft- und Wassermolelüle in der Atmosphäre streuen das einfallende Sonnenlicht, welches durch die Horizontnähe einen längeren Weg zurücklegen muss, unterschiedlich stark.

Rotes und orangenes Licht wird weniger gestreut, dadurch sehen wir die Wolkenunterseite leuchtend rot oder orangefarben. Blaues Licht hingegen wird stärker gestreut und erreicht unser Auge nicht oder nur sehr wenig.

Tagsüber, wenn die Sonne höher am Himmel steht und das Licht nur einen kurzen Weg durch die Atmosphäre zurücklegen muss, wird das blaue Licht an den Luft- oder Staubmolekülen so stark in alle Richtungen gestreut, sodass wie den Himmel blau sehen, verantwortlich dafür ist die Rayleigh-Streuung.



Dämmerung und Gegendämmerung (35)





Als Dämmerung bezeichnet man den fließenden Übergang vom Tag zur Nacht oder auch umgekehrt. Verantwortlich für die Dämmerung ist die Atmosphäre, den nur durch sie wird das einfallende Sonnenlicht in ihr gestreut und sorgt für die uns sichtbaren Dämmerungsphasen.
Diese Farben sind sowohl in Richtung des Sonnenauf- bzw. Untergangpunktes, als auch am Sonnengegenpunkt zu beobachten.

Die Dämmerung wird in drei verschiedene Typen untergliedert und richtet sich nach der Sonnendepression, also dem Stand der Sonne unterhalb des Horizontes. Nachfolgend wird das Szenario der Abenddämmerung erklärt, es gilt natürlich in umgekehrter Reihenfolge in der Morgendämmerung.


die bürgerliche Dämmerung

von Sonnenuntergang bis zu einem Sonnentiefstand von 6°, lesen im Freien ist noch möglich.



die nautische Dämmerung

Sonnentiefstand bis 12°, der Horizont ist noch erkennbar, helle Planeten und erste Sterne werden sichtbar.



die astronomische Dämmerung

Sonnentiefstand bis 18°. Ab dieser Depression sprechen wir von tiefster Nacht.


Die Dauer der einzelnen Dämmerungsphasen richtet sich nach dem geographischen Standort auf der Erde. In Äquatornähe dauern die einzelnen Dämmerungsphasen wesentlich kürzer als z.B. hier in Deutschland.
Je nach Jahreszeit und geographischer Breite kann es auch vorkommen das bestimmte Dämmerungsphasen gar nicht eintreten, gerade um die Sommersonnenwende beispielsweise wird hier in Deutschland die astronomische Dämmerung gar nicht erreicht.


Viele anderen, hier vorgestellten Phänomene gehören im Grunde auch zum Thema Dämmerung, den sind in diesen drei verschiedenen Dämmerungszeiten zu beobachten. Dazu gehört die Gegendämmerung, der Erdschattenbogen mit seinem Hauptdämmerungsbogen sowie das Purpurlicht. Sie alle entstehen durch Lichtstreuung in der Atmosphäre, unabhängig davon ob es sich um Luftmoleküle, Russ- und /oder Aschepartikel handelt.




Krepuskularstrahlen, Wolkenschatten (134)





Krepuskularstrahlen sind im Grunde genommen nichts anderes, als das durchdringende Sonnenlicht zwischen Wolken auf feinste Wassertröpfchen oder Staubpartikel. Sind viele kleine Wolken am Himmel entstehen jede Menge feiner Sonnenstrahlen. Bei einer großen Wolkenlücke ensteht demnach ein breiterer Sonnenstrahl.

Ist die Luft dann auch noch gesättigt mit Staubpartikel wie Asche oder Russ, kann das Sonnenlicht zusätzlich stark gestreut werden, dass zu weit reichenden Sonnenstrahlen führen kann.
Bei günstigen Bedingungen können sich Sonnenstrahlen bei tiefstehender Sonne über den kompletten Himmel spannen. Obwohl alle Lichtstrahlen parallel von der Sonne aus bei uns ankommen, hat es immer den Anschein, die Strahlen würden sich alle in der Sonne treffen. Dies beruht auf einen perspektivischer Effekt, ähnlich einer Straße, die am Horizont immer enger zu werden scheint.

In ihrer Entstehungsweise sind Wolkenschatten ähnlich oder sogar gleich wie die der Krepuskularstrahlen. Nur das hier überwiegend Schattenwürfe die Hauptrolle übernehmen. Zieht eine Wolke vor die Sonne, kann sie bei dementsprechender Luftfeuchte einen Schatten auf eine darüber oder darunter liegende Dunst- oder Schleierwolkenschicht werfen. Dies ist auch abhängig vom Sonnenstand.



Gegendämmerungsstrahlen (55)





Bedingt durch den perspektivischen Effekt verlaufen diese Strahlen von der Sonne aus gehend über den Himmel bis hin zum Sonnengegenpunkt, in dem sich die zuvor auseinander driftenden Strahlen scheinbar wieder bündeln..
Bei diesem Effekt spricht man von Gegendämmerungsstrahlen, die relativ häufig beobachtet werden können. Besonders an Tagen mit wechselnder Bewölkung ist die Chance zur Beobachtung dieser Erscheinung recht hoch.



Oppositionseffekt (44)





Der Oppositionseffekt ist vom Aussehen zwar ähnlich dem Heiligenschein, in der Entstehung aber vollkommen unterschiedlich.
Auch hier ist eine Aufhellung um den eigenen Schatten auszumachen, doch diesmal sind keine Wassertropfen für das Aussehen zuständig, sondern die Tatsache dass alle Gegenstände die beleuchtet werden, im Sonnengegenpunkt ihren eigenen Schatten verdecken.

Wenn man z.B. auf einen Stein schaut, der in einer Linie SONNE-BEOBACHTER-STEIN auf dem Boden liegt, kann man nicht den Schatten des Steines sehen. Erst bei den Steinen daneben wird der Schatten wieder sichtbar. Dadurch ergibt sich diese Aufhellung.



Purpurlicht (45)





Das Purpulicht 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 zu sehen sein. Es entsteht durch Lichtstreuung an den Aschepartikeln innerhalb der Atmosphäre.



Bishop´scher Ring (26)





Sereno Edward Bishop (1827 - 1909), beobachtete am 5.Sep.1883 eine großflächige, weißlich-rosa gefärbte Korona mit einem Durchmesser zwischen 50 - 60° vor blauem Himmel.
Grund dafür war der Ausbruch des Vulkanes Krakatau am 27.Aug.1883 der mit einer gewaltigen Explosion große Mengen von Asche und Staub in die Atmosphäre schleuderte.

Die meisten heutigen Beobchtungen zeigen, dass der Bishop´sche Ring von der Sonne aus gesehen bläulich weiß erscheint und nach außen hin einen rotbrauen Rand aufweißt, der einen Radius bis zu 28° hat. Dies lässt nach den gängigen Beugungsgleichungen und Theorien darauf schließen, dass die Partikel an denen das Licht gebeugt wird, winzig klein sein müssen, etwa zwischen 0,002 -0003mm im Durchmesser.

Neben Aschepartikeln können auch winzige Sandkörner, der sogenannte "Saharastaub", für Bishop´sche Ringe sorgen. Meist sind sie im Durchmesser aber nicht größer als 40°.


Lichtbeugung an Blütenpollen (27)





Wenn im Frühjahr die Pflanzen blühen, gibt es bei günstigen Verhältnissen eine weitere Lichterscheinung zu beobachten; die Blüttenpollenkoronen.
Für die Entstehung sind hier einzelne Pollen verantwortlich, die das Sonnenlicht beugen und so Farbkränze entstehen lassen. Durch unterschiedliche Formen der Blütenpollen, ist auch das Aussehen der farbigen Ringe um Sonne oder Mond unterschiedlich.

Kreisrunde Rapspollen erzeugen runde Koronen. Die Birkenpollen sind elliptisch, demnach ist auch die Korona elliptisch. Es gibt auch noch Pollen mit Unregelmäßigkeiten, wie Ausbuchtungen oder Einschlüsse. Diese Koronen weisen dann eine Verdickung an den Seiten sowie nach oben und unten an der Korona auf.



Kondensstreifenschatten (21)





An Tagen mit lang anhaltenden Kondensstreifen und starken Höhenwinden, lassen sich eindrucksvollen Schattenwürfe beobachten. Wenn ein Kondensstreifen sich langsam der Sonne nähert, wird der Schatten sichtbar.
Besonders eindrucksvoll sieht es aus, wenn unterhalb der Flugroute sich eine Dunstschicht oder dünne Wolkendecke befindet, dann wird der Schatten auf diese projiziert.

Bei blauen Himmel hingegen lässt sich für einen kurzen Moment, nämlich genau dann wenn der Kondensstreifen sie Sonne verdeckt, der Schattenwurf als dunkle Linie bis zum Sonnengegenpunkt beobachten.



Erdschattenbogen und Hauptdämmerungsbogen (Widerschein) (43)





Ist die Sonne gerade untergegangen, erscheint auf der gegenüberliegenden Seite ein dunkles Band knapp über dem Horizont.
Dieses dunkle Band ist der Erdschattenbogen der nach Sonnenuntergang sichtbar wird und ein paar Minuten danach stetig höher steigt.
Da die Erde von der Sonne beleuchtet wird, wirft sie einen Schatten in der Raum und somit auch zuvor in die dünne Atmosphäre.

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 uns blau erscheinen zu lassen.
Grund dafür ist der lange Weg durch die Atmosphäre der das Sonnenlicht zurücklegt, ca. 35x länger als zur Mittagszeit.

Der Erdschattenbogen wird somit erst durch die vorhandene Ozonschicht sichtbar.





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