Gebrochenes und gestreutes Licht Wetterphänomene
Romantische Sonnenuntergänge und geheimnisvolle Brockengespenster lassen das Bergsteigerherz höherschlagen. Wer ein paar Grundprinzipien der atmosphärischen Optik kennt, kann viele Erscheinungen erklären.
Sonnenlicht besteht aus elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Längen. Gewisse Teile dieses Spektrums sind für uns Menschen nicht sichtbar - die sehr kurzwellige UV-Strahlung zum Beispiel, die den ungeliebten Sonnenbrand verursacht, oder die langwelligere Infrarotstrahlung, deren Wärme am Abend vom Fels abstrahlt, nachdem die Sonne untergegangen ist. Dazwischen liegt der sichtbare Bereich mit Wellenlängen von 380 bis 750 Nanometern (ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter) mit den Farben Violett, Blau, Cyan, Grün, Gelb, Orange und Rot.Geht ein Lichtstrahl von einem Medium ins andere über - zum Beispiel von Luft in Wasser -, dann wird er leicht abgelenkt oder gebrochen. Kürzere Wellenlängen werden dabei stärker abgelenkt als längere, was zu einem Auffächern des Lichtstrahls in seine
Geht ein Lichtstrahl von einem Medium ins andere über - zum Beispiel von Luft in Wasser -, dann wird er leicht abgelenkt oder gebrochen. Kürzere Wellenlängen werden dabei stärker abgelenkt als längere, was zu einem Auffächern des Lichtstrahls in seine einzelnen Farbkomponenten führt. Aus diesem Grund sehen wir bei vielen atmosphärischen Phänomenen die Regenbogenfarben.
Steht die Sonne tief, kommen nur die roten Lichtteile bei uns an
Beim klassischen Regenbogen wird der Lichtstrahl beim Eintreten in den Regentropfen gebrochen, dann an der Rückseite des Wassertropfens einmal reflektiert und beim Austreten noch einmal gebrochen. Wenn wir uns zwischen der Sonne und dem Niederschlag befinden, wird der in seine Spektralfarben aufgefächerte Lichtstrahl in einem Winkel von 42 Grad zu uns reflektiert - und wir sehen einen Regenbogen. Am deutlichsten sichtbar ist ein Regenbogen, wenn hinter ihm noch dunkle Wolken hängen und die Sonne tief am Himmel steht.
Licht kann nicht nur gebrochen, sondern auch gestreut werden. Trifft ein Lichtstrahl auf ein Partikel, das grösser ist als seine Wellenlänge, dann werden alle Wellenlängen des Lichts gleich stark gestreut. Mit dieser sogenannten Mie-Streuung lässt sich erklären, weshalb Wolken weiss sind: Die relativ grossen Wassertropfen streuen alle Farben gleich stark, wir sehen also weiterhin weisses Licht. Je grösser die Regentropfen werden, desto mehr des weissen Lichts wird nach oben weggestreut. Eine Wolke, deren grosse Regentropfen uns bald aufs Haupt fallen, erscheint grau. Allerdings nur von unten, denn von oben sind Wolken immer weiss!
Von Gespenstern, Geheimnissen und Glorien
Im Gegensatz zur Mie-Streuung erfolgt die sogenannte Rayleigh-Streuung an Partikeln, deren Durchmesser viel kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts, beispielsweise an Luftmolekülen. In diesem Fall werden die kürzeren Wellenlängen (blau) stärker gestreut als die längeren (rot). Darum ist der Sonnenuntergang rot: Je länger der Pfad des Lichts durch die Atmosphäre ist, desto stärker werden die Blauteile weggestreut; steht die Sonne tief am Himmel, dann kommen fast nur noch die roten Teile des Lichts beim Betrachter an.
Besonders glücklich fühlt sich, wer auf einer Bergtour dem Brockengespenst begegnet. Beim Brockengespenst handelt es sich um eine Projektion des eigenen Schattens auf dem Nebel, wobei der Kopf meistens noch von den farbigen Ringen einer Glorie umringt ist.
Die Entstehung von Glorien ist komplex und nicht abschliessend geklärt: Das Licht muss in die Nebeltropfen eintreten, die 10- bis 1000-mal kleiner sind als Regentropfen, und um 180 Grad zurück zur Betrachterin geworfen werden, was mit Brechung und Reflexion allein nicht möglich ist. Stattdessen braucht es Beugung, Oberflächenwellen und möglicherweise eine Prise Quantentheorie … Und so hütet das Brockengespenst seine Geheimnisse gut und bleibt einfach nur schön.
