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Purpurlicht 31.08.2009
Purpurlicht 31.08.2009
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michael
 

  Lichtbrechung und Lichtbeugung an Wassertröpfchen  


Eine Vielzahl atmosphärischer Leuchterscheinungen wird durch Lichtbeugung oder Lichtbrechung hervorgerufen. Der Regenbogen ist die bekannteste Form davon.



Lichtbrechung entsteht dann, wenn ein Lichtstrahl in ein Medium (z.b. Wassertropfen) eindringt und wie bei einem Prisma in seine einzelnen Farbbestandteile unterschiedlicher Wellenlänge zerlegt wird.

Lichtbeugung entsteht dann, wenn Lichtwellen an einem Medium wie z.b. Wassertröpfchen abgelenkt werden.Es können neue Wellen enstehen die bei Überlagerung mit anderen Wellen zu farbigen Erscheinungen führen. (Hits: 23456)
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Regenbogen (119)

Der 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 Rücken 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.

Zero order glow (13)

Das "Zero order glow" gehört zur Familie der Regenbögen, obwohl kein farbiges Band erscheint, wie wir es vom primären oder sekundären Bogen kennen.
"zero" = Null; dies bedeutet dass einfallendes Sonnenlicht innerhalb eines Tropfens NICHT reflektiert wird, den Tropfen durchwandet und dann in abgelenkter Form den Tropfen verläßt.

Als Vergleich:
primärer Bogen = einfache interne Reflexion
sekundärer Bogen = zweifache interne Reflexion

Für den Beobachter zeigt sich dann, beispielsweise kurz vor Sonnenuntergang, ein rot-oranges intensives Leuchten in Richtung Sonne, wenn dort gerade ein Regenschauer niedergeht.

Dieses Leuchten nimmt einen großen Radius um die Sonne ein (bis zu 40°), was eine Beobachtung des tertiären oder quartären Regenbogens deutlich mindert, aber nicht ausschließt !

Nebelbogen (22)

Der Nebelbogen ähnelt in der Enstehungsweise dem Regenbogen. Einzig die Größe der Wassertröpfchen ist entscheidend für die annähernd weiße Farbe des Nebelbogens. Duch die geringe Tröpfchengröße < 0,050 mm im Durchmesser, überlagern sich die gebrochenen Lichtwellen und erzeugen wieder weißes Licht..
Der Radius des Nebelbogens kann bis zu 42° betragen, bei kleiner werdenden Tröpfchen verringert er sich.
Sinkt die Tröpfchengröße unter 0,005 mm ist der Nebelbogen nicht mehr sichtbar.
Zum Beobachten sollte man mit dem Rücken zur Sonne stehen und auf die vor sich befindliche Nebelwand schauen.

Taubogen (26)

Der Taubogen entsteht ebenso wie der Regenbogen durch Brechung und Reflexion an Wassertropfen.

Allerdings entsteht der Taubogen auf einer Fläche, also einer zweidimensionalen Ebene.
Der Regenbogen hingegen entsteht in einem dreidimensionalen Raum.

Beim Taubogen wird der entstehende Regenbogenkegel durch die Ebene (Wiese) geschnitten, sodass eine Hyperbel oder Ellipse auf der Fläche entsteht.

Für den Betrachter bleibt diese Hyperbel allerdings ein kreisrunder Bogen, da alle Tropfen auf dieser Ellipse die Bedingung eines sich öffnenden Kegelmantels erfüllen.

Glorie und Brockengespenst (10)

Steht man mit dem Rücken zur Sonne (oder einer anderen starken Lichtquelle wie z.B. die Scheinwerfer eines Autos) und schaut auf eine vor sich befindliche Nebelwand, sieht man seinen eigenen Schatten , der auf diese Nebelwand projiziert wird.

Durch die sich bewegenden Nebelschwaden hat der Betrachter den Eindruck der Schatten würde sich auf gespenstische Weise bewegen. Da es auf dem Brocken im Harz überdurchnittlich viele Nebeltage gibt, ist dieses Phänomen dort sehr häufig zu beobachten und trägt auch daher seinen Namen.

Sehr oft ist auch die Glorie zu erkennen, eine Lichterscheinung um den Schatten des Betrachters. Lichtwellen treffen auf feine Wassertröpfchen und werden wieder zurückgeworfen. Beim Austritt aus den Tröpfchen werden sie gebeugt und erzeugen konzentrisch farbige Kreise.

Heiligenschein (26)

Der Heiligenschein ist eine Aufhellung um den eigenen Schatten des Kopfes der mitwandert, sofern man in Bewegung ist.

Der Grund dafür sind kleine Tautropfen die sich in der Nacht auf den Blättern oder Gräsern gebildet haben.
Diese Tropfen bündeln das einfallende Sonnenlicht wie eine Linse, reflektieren es auf der Pflanze und werden beim nochmaligen Durchlauf durch den Tropfen in alle Richtungen gestreut.

Diese Lichterscheinung ist am besten früh morgens zu beobachten, wenn die Sonne noch recht tief steht. Der eigene Schatten sollte mindestens 15 Meter lang sein. Raue Pflanzenoberflächen eignen sich am besten zur Entstehung des Heiligenscheins, denn dadurch "sitzt" der Tropfen in einem gewissen Abstand zur Pflanze und erzeugt eine bessere Lichtbündelung.

Höfe, Kränze und Aureolen (97)

Wenn hohe Schleierwolken am Himmel stehen ist ab und zu eine helle Scheibe um den Mond oder die Sonne zu beobachten. Diese Erscheinung nennt man Hof oder Aureole. Sie ist zur Lichtquelle hin blauweiß und zum Rand hin braunrot.

Verantwortlich für die Entstehung sind kleine Tropfen (0,02-0,1 mm), die bei gleicher Größe einen kreisrunden Hof bilden. Bei unterschiedlicher Größe sieht der Hof eher verwaschen aus.
Anschließend an den Hof sind oft farbige Ringe zu sehen, diese nennt man Kränze.

Sie entstehen wie auch die Höfe durch Lichtbeugung. Voraussetzung dafür sind Tröpfchen gleicher Größe, die alle zusammen die gleiche Beugungswirkung aufweisen, wie die eines kleinen Loches. Entscheidend dafür sind die unterschiedlichen Lichtwellenlängen der einzelnen Spektralfarben, die sich bei gleicher Tropfengröße nicht überlagern und somit die Kränze sichtbar machen.

Irisierende Wolken (61)

Sehr oft kann es vorkommen, dass manche Wolken die nahe an der Sonne stehen, farbige Ränder haben oder sogar gänzlich rosa-grünlich schimmern. Diesen Effekt nennt man Irisieren, ebenfalls eine Beugungserscheinung.
Sie ist verwandt mit den Kränzen, allerdings sind hier kleine Tröpfchen unterschiedlicher Größe für die Entstehung verantwortlich. Gleiche Farben in einer Wolke bedeuten gleiche Tröpfchengröße.
Zum Beobachten irisierender Wolken ist es ratsam die Sonne abzudecken, um eine Blendwirkung zu vermeiden. Durch eine Sonnenbrille kann man die Farben dann noch besser sehen.

Lichtbrechung in Tautropfen (14)

Wer sich die Mühe macht und an einem sonnigen Tag morgens eine Wiese aufsucht an der sich viele Tautropfen gebildet habe, wird erstaunt sein über die Farbenvielfalt innerhalb eines einzigen Tropfens. Das Grundprinzip zur Entstehung des Regenbogens !



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