Archiv der Kategorie: Natur

Warum juckt ein Mückenstich?

Der Sommer ist da! Mit ihm kommen leider auch immer die ungeliebten Stechmücken zum Vorschein. Jeder kennt die Entscheidung für die abendliche Grillparty: Kurze, sommerliche Kleidung mit der wahrscheinlichen Folge von einigen Mückenstichen oder lange Klamotten, um den Mücken möglichst wenig Angriffsfläche zu geben. Doch warum jucken Stiche von Mücken eigentlich und was hilft am besten dagegen?

Zuerst einmal zur Ursache des Juckens. Mücken sondern beim Stechen ein speichelähnliches Sekret ab, das die Gerinnung des Blutes verlangsamt. So können sie in aller Ruhe das Blut saugen, das sie im Übrigen für die Produktion von Eiern brauchen und nicht als Nahrung, wie oft angenommen. Das ist auch der Grund, warum nur weibliche Mücken stechen. Der Mückenspeichel wird von unserem Körper als Fremdstoff erkannt und eine automatische Abwehrreaktion tritt in Kraft. An der Stelle des Stiches wird Histamin freigesetzt, dass eine Art allergische Reaktion auslöst. Folge ist eine Rötung der Stelle, verbunden mit einer leichten Schwellung und einem Juckreiz. Die Stärke der Reaktion ist grundsätzlich von der Menge an abgesondertem Speichel abhängig, jeder Mensch reagiert aber unterschiedlich stark auf Stiche.

An der Aussage: „Kratzen macht es nur schlimmer“ ist übrigens etwas dran. Durch kratzen wird das Histamin unter der Haut großflächig verteilt. Dadurch wird wiederum eine weitere Ausschüttung angeregt und die Reaktion des Körpers verstärkt sich. Um das Jucken minimal zu halten sollte die Einstichstelle gekühlt werden. Kälte wirkt lindernd auf Entzündungen und schwächt die Reaktion ab. Das allseits bekannte auftragen von Speichel auf einen Stich hat ebenfalls einen kühlenden Effekt und kann somit das Jucken abschwächen.

 

Quellen:

http://www.n-tv.de/wissen/frageantwort/Warum-juckt-ein-Mueckenstich-article3594551.html

http://www.rp-online.de/panorama/wissen/wie-lange-und-warum-jucken-mueckenstiche-ein-dermatologe-erklaert-aid-1.1624817

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Wie entsteht der Föhn (Wind)?

An außergewöhnlich warmen Tagen hört man oft im Wetterbericht, dass der Föhn dieses warme Wetter beschert. Aber was ist Föhn eigentlich und wie entsteht er?

Der im Sprachgebrauch als Föhn bezeichnete Wind ist grundsätzlich erst einmal ein warmer Fallwind, der bei uns in Deutschland von den Alpen her über Bayern und Baden- Württemberg nach Norden weht. Aber wie entsteht dieser Wind und warum ist er so warm?

Voraussetzung, dass überhaupt ein Wind von Süden her über die Alpen zu uns weht ist, dass auf unserer Seite der Alpen, also über Deutschland, ein Tiefdruckgebiet liegt. Auf der Südseite der Berge in Italien muss hingegen ein Hochdruckgebiet liegen. Durch den höheren Druck auf der einen und den niedrigen Druck auf der anderen Seite der Berge entsteht eine Sogwirkung, die die Luft von Süden her über die Alpen drückt. Auf der Luvseite der Berge, also die dem Wind zugewandte Seite, steigt die Luft nach oben und kühlt sich dabei ab. Im Normalfall erst einmal mit ca. 1°C pro 100 Meter Höhenunterschied. Ab einer gewissen Höhe und Temperatur fängt allerdings die Luftfeuchtigkeit an zu kondensieren und es bilden sich Wolken. Bei dieser Kondensation wird Wärme frei, wodurch die weiterhin aufsteigende Luft sich nun nicht mehr ganz so stark abkühlt (ca. 0,5°C pro 100 Meter). Mit zunehmender Wolkenbildung fängt es auf der Luvseite irgendwann an zu regnen. Das ist dann der sogenannte Steigungsregen, den man oft in den Bergen beobachten kann. Irgendwann hat die Luftmasse den Kamm des Berges erreicht und wird ab dort dann von dem Tiefdruckgebiet Richtung Tal „gezogen“. Da sich bei dieser Abwärtsbewegung der Luftmasse die absolute Luftfeuchtigkeit, also der tatsächliche Anteil an Wasserdampf in der Luft nicht oder nur geringfügig ändert, kann sich die Luft auf dem Weg nach unten wieder mit 1°C pro 100 Meter erwärmen. Die Folge daraus ist, dass die Erwärmung durch das hinab fallen auf der Leeseite (windabgewandt) stärker ist als die Abkühlung auf der Luvseite. Die Luft kommt bei uns in Deutschland somit wärmer an als sie in Norditalien auf die Alpen trifft. Folglich beschert uns ein Föhn immer eine warme Wetterlage, die gerade im Süden Deutschlands zusätzlich noch von Norden her anrückende Wolken vertreibt.

Das ist nicht die einzige Erklärung, wie ein Föhn entstehen kann aber eine, die zumindest das Grundprinzip erklärt, warum dieser Wind so warm ist und gutes Wetter bringt. Hoffen wir also auf viel Föhn in diesem Frühling.

 

Quellen:

http://www.br.de/themen/wissen/meteorologie-wetter-foehn-106.html

http://www.wetter.de/cms/was-ist-foehn-und-wie-entsteht-er-1752881.html

Wie entsteht ein Gewitter?

Im letzten Beitrag ging es um die Entstehung eines Tornados in einer Gewitterwolke. Diese Woche geht es darum, wie denn eine solche Gewitterwolke und die zu einem Gewitter gehörigen Phänomene wie Blitz und Donner entstehen.

Als Grundvoraussetzung wird warme, feuchte Luft in Bodennähe benötigt. Das ist der Hauptgrund, warum Gewitter meist im Sommer stattfinden. Diese warme Luft steigt auf Grund geringerer Dichte nach oben. Auf dem Weg nach oben kühlt sie sich ab. Ab einem gewissen Punkt fängt die Feuchtigkeit in der Luft an zu kondensieren und es bildet sich eine Wolke. Bei der Kondensation des Wassers wird allerdings weitere Wärme frei, die die Luftmasse weiter nach oben steigen lässt. Das Ganze passiert bis zu einem Höhenbereich in dem es so kalt ist, dass die Wassertropfen anfangen zu gefrieren. Die Eiskristalle fallen dann in der Wolke nach unten, können aber durch den in der Wolke herrschenden Aufwind wieder nach oben transportiert werden. Dabei wachsen sie immer weiter an bis sie letztendlich so groß sind, dass der Aufwind sie nicht mehr mitreißen kann und sie als Hagel, Graupel oder große Regentropfen auf die Erde fallen. Durch das ständige Hoch und Runter der Eiskristalle und Wassertropfen in der Wolke lässt sich nicht verhindern, dass diese auch aneinander stoßen und reiben. Dabei können von den aufsteigenden Tropfen Elektronen an die herabfallenden Eiskristalle abgegeben werden. Durch eine hohe Häufigkeit dieses Prozesses in der Wolke entsteht ein Ladungsfeld mit einem Elektronenüberschuss am unteren Ende (Minuspol) und einer Elektronenarmut am Kopf der Wolke (Pluspol). Diese Ladungen in der Wolke interagieren nun auch mit der Erdoberfläche. Hier gilt das allgemeine physikalische Gesetz: „Gegensätze ziehen sich an, Gleiches stößt sich ab“. Die negativ geladene Unterseite der Wolke erzeugt dadurch eine positive Ladung auf der darunter liegenden Erdoberfläche. Die Elektronen werden dort von den Elektronen der Wolke abgestoßen und es entsteht auch hier eine Elektronenarmut (Pluspol). Zwischen dem Minuspol der Wolke, der durch weitere Ladungstrennung in der Wolke immer stärker wird, und dem Pluspol auf der Erdoberfläche herrscht nun eine Spannung. Diese Spannung kann übrigens mehrere hundert Millionen Volt betragen. Wenn die Spannung groß genug ist kann sie sich in Form eines Blitzes entladen. Die kritische Spannung die überwunden werden muss liegt bei etwa 170.000 Volt pro Meter Abstand zwischen Wolke und Erdoberfläche. Blitze können allerdings auch zwischen Wolken oder innerhalb einer Wolke entladen werden. Hierfür sind etwas geringere Spannungen nötig. Deshalb ereignet sich ein Großteil der Blitze in den Wolken und nur ein geringer Teil geht bis auf die Erde.

Ein Blitz ist in der Lage die Luft auf extrem hohe Temperaturen zu erwärmen. Die Luft unmittelbar um den Blitzkanal wird schlagartig auf bis zu 30.000°C erhitzt. Die erhitzte Luft breitet sich dabei explosionsartig aus und bildet eine Druckwelle. Diese Druckwelle vernehmen wir als Donner wenn sie unser Ohr erreicht. Durch verschieden Einflüsse auf dem Weg zu uns kann der Donnerton in eine längeres „Grollen“ verzerrt werden.

Das faszinierende Phänomen Gewitter beinhaltet natürlich noch viel mehr Details aber ich denke mit dem oben Beschriebenen kann man sich ungefähr ein Bild davon machen was sich in und um einer Gewitterwolke herum abspielt.

 

Quellen:

http://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/klima-und-wetter/gewitterblitze/

https://www.nela-forscht.de/2011/06/08/wie-entsteht-ein-gewitter/

Wie entsteht ein Tornado?

Viele von euch haben es wahrscheinlich mitbekommen: Am Donnerstagnachmittag gab es in der Nähe von Würzburg einen  Tornado, der erhebliche Sachschäden anrichtete. Normalerweise kennt man Tornados nur aus Filmen oder Dokumentationen aus Amerika. Aber auch in Deutschland können die gefährlichen Wirbelstürme entstehen. Doch wie genau entsteht so ein Tornado?

Grundsätzlich müssen dafür zwei Luftmassen aufeinander treffen, die sich stark unterscheiden. Die Eine ist sehr feucht, warm und in Bodennähe, wohingegen die Andere deutlich kälter und in höheren Lagen sein muss. Da kalte Luft schwerer ist als warme, entsteht eine Verwirbelung der Luft. Die warme Luft steigt auf, während die kalte Luft nach unten fällt. Dieser Wirbel, der zur Bildung einer Gewitterwolke führt ist aber erst einmal horizontal ausgerichtet. Damit der für einen Tornado ausschlaggebende vertikale Wirbel entstehen kann, benötigt es zusätzlich einen starken Seitenwind, der in der Lage ist den horizontalen Wirbel aufzurichten. Der Wirbel, der sich nun in die vertikale gedreht hat, bildet in seinem Inneren einen Unterdruck, der weitere warme Luft aus Bodennähe ansaugt. Durch diesen Effekt verstärkt sich der Wirbel. Er wird immer schneller und breitet sich in Richtung Boden aus. Erst wenn der Fuß des Wirbels den Erdboden erreicht hat spricht man von einem Tornado. Durch den beschriebenen Effekt der Verstärkung können in einem Tornado Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 Km/h entstehen. Die extrem hohen Windgeschwindigkeiten und der starke Unterdruck im Inneren des Tornados sorgen für die zerstörerische Kraft des Wirbelsturms. Tornados werden auf einer Skala von 0-6 in ihrer Stärke eingeordnet. Da die tatsächlichen Windgeschwindigkeiten nur schwer zu messen sind, beruhen die Kategorien auf dem Ausmaß der Zerstörung des Sturms. Sie reichen von 0 mit abgebrochenen Ästen bis hin zur totalen Zerstörung selbst massiver Stahlbetonbauten in der Kategorie 6. Ein Tornado dieser Stärke wurde allerdings noch nie in der Natur beobachtet.

Der Tornado vom Donnerstag wird wohl in die Kategorie 1 -2 einzuordnen sein. Einige Dächer wurden teilweise abgedeckt und größere Hallen wurden zum Einsturz gebracht. Glücklicherweise wurde bei diesem Sturm aber niemand verletzt.

Quellen:

http://www.sturmwetter.de/texte/tornadoentstehung.htm

http://www.br.de/nachrichten/unterfranken/inhalt/windhose-kuernach-unwetter-100.html

Was ist der Treibhauseffekt und wie beeinflusst er unsere Erde?

Zu Zeiten eines amerikanischen Präsidenten, der den vom Menschen verursachten Klimawandel dementiert wird wieder viel über den so genannten Treibhauseffekt diskutiert. Doch was genau ist eigentlich dieser Treibhauseffekt und was bewirkt er?

Zuerst sollte man dazu sagen, dass der Treibhauseffekt nichts grundsätzlich schlechtes ist. Im Gegenteil: Ohne den Treibhauseffekt wäre ein Leben auf der Erde undenkbar.

Aber nun dazu, was dieser Effekt überhaupt ist. Die Atmosphäre, die unsere Erde umschließt besteht aus vielen verschiedenen Gasen. In Bodennähe ist das Hauptsächlich Stickstoff (ca. 78%), Sauerstoff (ca. 21%) und das Edelgas Argon (ca. 1%). Dazu kommen sehr geringe Anteile von Kohlendioxid (ca. 0,04%), Methan und Ozon. Natürlich gibt es noch viele andere Gase, die in Spuren in unserer Atmosphäre vorhanden sind, die Anteile sind allerdings verschwindend gering. Zusätzlich zu den Gasen befindet sich aber auch noch Wasserdampf in der Atmosphäre. Dieser entsteht durch Verdunstung in Meeren, Seen und Flüssen. Die für den Treibhauseffekt ausschlaggebenden Anteile sind genau dieser Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon, wobei der Wasserdampf den größten Anteil trägt. Diese Gase haben nämlich die Eigenschaft, das sie für kurzwellige Strahlung, also Strahlung mit einer geringen Wellenlänge, durchlässig sind. Langwellige Strahlung wird von ihnen hingegen absorbiert. Doch was hat das jetzt mit dem Treibhauseffekt zu tun?

Die Strahlung, die von der Sonne bei uns ankommt liegt zum größten Teil im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts (ca. 400-800 Nanometer). Diese recht kurzwellige Strahlung kann mehr oder weniger ungehindert durch die Atmosphäre auf die Erdoberfläche gelangen. Durch das Auftreffen dieser Strahlung erwärmt sich die Erdoberfläche. Die Erde kann dann wiederum Strahlung in Richtung Weltall abgeben. Da die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung von der Temperatur des „Strahlers“ abhängt und die Erde ja deutlich kälter ist als die Sonne, entsteht hier eine andere Strahlung. Nämlich sehr langwellige Infrarotstrahlung (ca. 10.000 Nanometer). Für eine Strahlung dieser Wellenlänge sind die oben genannten Treibhausgase nur sehr bedingt durchlässig. Die Strahlung wird von ihnen absorbiert und bleibt damit in der Atmosphäre der Erde. Durch diese Mechanismen stellt sich auf der Erde eine Gleichgewichtstemperatur ein.

Ohne den Treibhauseffekt wäre es deutlich kälter auf der Erde, da die ganze Wärme der Sonne von der Erde wieder an das Weltall abgegeben würde. Leben auf der Erde wäre dann kaum vorstellbar. Allerdings nimmt die Konzentration der Treibhausgase in unserer Atmosphäre vor allem durch den vom Menschen verursachten Ausstoß von Kohlendioxid zu. Durch diesen Anstieg der Konzentration sinkt der Anteil der Strahlung, die von der Erde wieder an das Weltall abgegeben werden kann. Dadurch steigt folglich auch die (Gleichgewichts-) Temperatur auf der Erde. Diesen Effekt des zusätzlichen Treibhauseffektes nennt man auch „anthropogener Treibhauseffekt„, also vom Mensch hervorgerufen.

Wenn jetzt demnächst mal wieder über den Treibhauseffekt diskutiert wird, weißt du um was es genau geht und dass dieser Effekt nicht grundsätzlich schlecht ist.

Warum ist die Chili scharf ?

Nicht jeder mag es, aber viele Köche benutzen Chili in verschiedenster Form, um ihre Speisen zu würzen und ihnen eine gewisse Schärfe zu verleihen.

Aber warum ist die Chili überhaupt scharf?

Verantwortlich ist dafür das in der Chili enthaltene Capsaicin, das sich vor allem in den weißen Scheidenwänden und direkt unter der Außenhaut einer Chili befindet. Das Capsaicin wird in unserem Mund von den Wärme- und Schmerzrezeptoren wahrgenommen. Streng genommen ist Schärfe also kein Geschmack, sondern ein Schmerzreiz. Das ist auch der Grund, warum heiße Speisen mit Chili als schärfer wahrgenommen werden als kalte.

Wenn man einmal zu viel einer scharfen Speise erwischt hat oder den Schärfegrad des Essens ein wenig unterschätzt hat, möchte man die Schärfe möglichst schnell wieder aus dem Mund bekommen. Wasser, das oft instinktiv getrunken wird, bewirkt nur eine zwischenzeitige Kühlung des Mundraumes. Da ja die Wärme und Schmerzrezeptoren auf das Capsaicin ansprechen, wird durch die Kühlung auch eine zwischenzeitige Schmerzlinderung erzielt. Um das Capsaicin aber aus dem Mund zu entfernen bringt Wasser nichts. Das Capsaicin kann sich nämlich in dem Wasser nicht lösen. Fett dagegen, ist in der Lage Capsaicin zu lösen und somit aus dem Mund auszutragen. Besser ist also entweder Milch zu trinken oder fetthaltige Lebensmittel wie Käse oder Joghurt zu essen.

Der Schärfegrad einer Chili wird übrigens mit Hilfe der Scoville- Skala angegeben. Diese besagt, wie viel Wasser benötigt wird, um die vorhandene Schärfe zu neutralisieren bzw. nicht mehr erkennbar zu machen. Wenn eine Chilisauce zum Beispiel mit 1000 Scoville angegeben ist, bedeutet das, dass man für einen Milliliter dieser Soße 1000 Milliliter Wasser (1 Liter) benötigt, um die Schärfe zu neutralisieren.

Auch bei der Schärfe der Chili hat sich die Natur etwas gedacht. Die Samen der Chilipflanze werden bei der Verdauung durch Säugetiere zerstört, wodurch die Pflanze sich nicht verbreiten könnte. Die Schärfe hält Säugetiere davon ab die Chilis zu essen (mal abgesehen vom Menschen, der sich die Schärfe absichtlich „antut“). Vögel hingegen besitzen keine Rezeptoren, die Capsaicin detektieren können. Ihr Verdauungstrakt ist aber auch so kurz, dass die Kerne der Chili diesen unbeschadet überstehen können und die Samen dadurch verbreitet werden.

Polarlichter – Wo kommen die eigentlich her?

Die meisten kennen sie nur aus Filmen oder von Bildern. Aber selbst dort machen sie einen spektakulären Eindruck – Polarlichter.

In diesem Artikel will ich kurz und knapp erklären, was diese Polarlichter sind und wie sie entstehen.

Der Auslöser für dieses Phänomen ist die Sonne. Von ihr werden ständig geladene Teilchen in alle Richtungen abgestoßen. Geladene Teilchen bedeutet hauptsächlich Elektronen (negativ geladen) und Protonen (positiv geladen). Diese Flut an Teilchen ist allgemein bekannt als Sonnenwind.

Polarlichter entstehen dann, wenn dieser Sonnenwind auf die Atmosphäre der Erde trifft. Da die Erde aber ein starkes Magnetfeld besitzt, das in der Lage ist die geladenen Teilchen um die Erde herum zu lenken, kommt der Sonnenwind meist nur in Polarnähe mit der Erdatmosphäre in Berührung. Hätte die Erde kein Magnetfeld, könnten wir jeden Tag und überall immer Polarlichter sehen.

Die geladenen Teilchen des Sonnenwindes leuchten aber nicht selber in den schönen Farben. Hierfür sind Sauerstoff und Stickstoffatome aus der Erdatmosphäre verantwortlich. Wenn diese nämlich vom Sonnenwind getroffen werden, werden sie ionisiert. Das heißt sie werden selber zu entweder positiv oder negativ geladenen Teilchen. Wenn nun ein positives Sauerstoff Atom auf ein negatives trifft verbinden sie sich. Bei diesem Vorgang wird Licht ausgesendet. Im Falle des Sauerstoffs ist das rotes Licht, bei Stickstoff blaues oder violettes. Grünes Licht entsteht, wenn ein geladenen Sauerstoff Atom mit anderen, nicht Sauerstoff Teilchen, interagiert.

Da die Sonnenaktivität, also die Menge an ausgesandtem Sonnenwind nicht konstant ist, tritt das Phänomen Polarlicht zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich stark auf. Bei sehr starker Aktivität kann es sogar in unseren Breiten auftauchen. Dies ist allerdings sehr selten.

Die Ozonschicht – Wie kann sie uns schützen?

Die Ozonschicht – Jeder hat schon einmal davon gehört und  auch oft, dass sie gut für uns ist bzw. ein Ozonloch sich negativ für uns auswirkt. Doch was ist Ozon überhaupt und was bewirkt es, dass seine Abwesenheit so gefährlich für uns sein kann?

Ozon ist erst einmal ein Molekül aus drei Sauerstoff Atomen (O3). Der normale Sauerstoff, den wir zum atmen brauch besteht nur aus zwei Atomen (O2). Grundsätzlich ist Ozon eher gesundheitsgefährdend. Es reizt Augen und Atemwege und ist somit in höheren Konzentrationen zu vermeiden. Die Ozonschicht, von der oft die Rede ist und in der eine erhöhte Ozonkonzentration vorliegt, befindet sich allerdings in etwa 15- 25 km Höhe, so dass sie für uns keine gesundheitlichen Schäden hervorrufen kann.

Viele haben vielleicht schon einmal gehört, dass das Ozon uns vor gefährlicher UV- Strahlung schützt. Das stimmt, denn Ozon wird gebildet, indem ein „normales“ Sauerstoffmolekül (O2) durch energiereiche ultraviolette Strahlung (UV) gespaltet wird. Es entstehen also zwei einzelne Sauerstoffatome (O). Jedes dieser beiden O- Atome kann sich nun an ein anderes O2– Molekül anheften. Ein Ozon- Molekül entsteht (O3). Genauso kann es aber auch sein, dass die UV- Strahlung auf ein Ozon- Molekül trifft. Auch hier wird ein einzelnes Sauerstoffatom ab gespaltet und es entsteht ein O- Atom und ein O2– Molekül . Das frei gewordene Sauerstoffatom verbindet sich wieder mit einem anderen Sauerstoffmolekül (O2) zu einem Ozon- Molekül.

Ozon kann also durch UV- Strahlung zerstört, aber eben auch indirekt wieder gebildet werden. Die UV- Strahlung, die in der Ozonschicht zur Spaltung und Bildung von Ozon beiträgt, kann schon nicht mehr bis zu uns auf die Erde gelangen. Und auf diese Weise schützt uns das Ozon vor gesundheitsschädlicher und teilweise Krebserregender UV- Strahlung.

Natürlich gelangt immer noch ein Teil des UV- Lichts bis zu uns auf die Erdoberfläche und aus diesem Grund kann Ozon auch dort gebildet werden. Deswegen ist an Tagen mit sehr hoher Sonneneinstrahlung oft die Rede von hohen Ozon Werten. Das kann sich im Extremfall durch gereizte Augen bemerkbar machen. Im Normalfall merken wir aber nichts davon.

Das viel diskutierte Ozon- Loch befindet sich übrigens über der Antarktis, also dem Südpol. Ausläufer gelangen allerdings teilweise bis nach Australien oder Südamerika, wodurch die UV- Strahlung dort extrem hohe Werte erreichen kann.

Wissenschaftlern zufolge, konnte allerdings schon ein Rückgang des Ozonloches festgestellt werden. Das liegt vor allem daran, dass der Ausstoß Ozonschädigender Halogene (v.a. Fluor, Chlor, Brom) reduziert, und in bestimmten Bereichen sogar verboten wurde.

Flimmern über heißen Oberflächen

Jetzt in der warmen Jahreszeit wieder häufig zu beobachten: Ein merkwürdiges Flimmern auf Asphalt, schwarzen Fensterbänken oder anderen heißen Oberflächen. Hast du dich schon einmal gefragt woher das kommt? Hier gibt es die Erklärung.

Zuerst einmal benötigt es dafür eine heiße Oberfläche. Und zwar eine, die deutlich wärmer ist, als die Luft darüber. Diese Luft erwärmt sich im Bereich direkt über der heißen Oberfläche, z.B. Asphalt. (Es funktioniert natürlich auch mit anderen Wärmequellen) Wärmere Luft steigt immer nach oben, da mit steigender Temperatur die Dichte der Luft sinkt und sie somit leichter wird. Die aufsteigende Luft macht dadurch wieder Platz für „frische“ Luft, die auf die Oberfläche strömen kann und sich wiederum erhitzt. Außerdem kühlt die warme Luft beim Aufsteigen langsam wieder ab, so dass sich im Bereich über dem Asphalt mehrere Luftschichten unterschiedlicher Temperatur bilden. Die Aufwärtsbewegung dieser Schichten erfolgt aber in der Regel nicht gleichmäßig, sondern wild durcheinander. In der Technik nennt man eine solche Strömung „turbulent„. Wenn nun Licht, das später in unser Auge fallen soll, durch diese turbulente Strömung aus verschieden warmen Luftschichten fällt, wird es in jeder Luftschicht unterschiedlich gebrochen. (Für eine ausführliche Erklärung des Begriffes Brechung von Licht siehe: https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/04/28/wie-entsteht-eigentlich-ein-regenbogen/ )                                                                            Dieses „Wirrwarr“ aus gebrochenem Licht sehen wir dann als Flimmern, das aufzusteigen scheint, da sich die Luftschichten ja weiterhin nach oben bewegen.

Das gleiche Phänomen ist übrigens auch für die scheinbar nasse Straße im Sommer verantwortlich. Licht kann nämlich an einer Grenze zwischen zwei unterschiedlich warmen Luftschichten auch reflektiert werden. (Für Begriffserklärung Reflexion siehe ebenfalls: https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/04/28/wie-entsteht-eigentlich-ein-regenbogen/ )                                                                                 Was wir auf dem Boden als Pfütze sehen, ist eigentlich die Spiegelung des Himmels.

Im Allgemeinen nennt man eine solche Spieglung „Fata Morgana„. Dabei kann nicht nur der Himmel, sondern auch andere Gegenstände oder ganze Bergketten gespiegelt werden. Allerdings sollte für eine gut sichtbare Fata Morgana kein Wind wehen, um die Luftschichten möglichst nicht zu verwirbeln. Ist das der Fall, so entsteht eine deutliche Grenze zwischen einer kühleren und einer wärmeren Luftschicht, an der sich das Licht dann spiegeln kann.

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In der Abbildung sieht man die Grenzschicht zwischen den Luftschichten (schwarzer Strich). Der Baum wird an dieser Schicht gespiegelt. Das Licht ist mit grauen Pfeilen gekennzeichnet. Aus Sicht des Betrachters, sieht es so aus, als wäre der Baum an der Stelle des grünen Punktes. In Wirklichkeit ist er deutlich weiter weg. Der Baum kann zwar bei einer einfachen Spiegelung auf dem Kopf stehen, doch ist das oft nicht so genau zu erkennen.

So kann es in der Wüste vorkommen, dass Nomaden Wasserstellen, Gebirgszüge oder sogar Städte an Stellen vermuten, an denen weit und breit nichts ist. Eine gespiegelte Stadt muss natürlich existieren, sie kann aber noch viel weiter weg sein als vermutet.

Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen?

Jeder hat schon einmal einen Regenbogen gesehen und sich an seiner Farbenpracht erfreut. Gerade weil einem Regenbogen meist ein Regenschauer vorausgeht und mit der wieder auftauchenden Sonne auf der einen, und der schwarzen Wolkenwand auf der anderen Seite ein wundervolles Lichtspiel entsteht. Doch wie genau entsteht eigentlich ein Regenbogen? Wie kann aus hellem, blendendem Sonnenlicht und einer Weltuntergang ähnlichen Regenfront ein so farbenfrohes Gebilde entstehen?

Die Antwort gibt uns die Optik, ein Teilbereich der Physik. Die Gesetze der Optik erklären unter Anderem Phänomene wie Spiegelung, Brechung oder Streuung – alles Begriffe, die man schon einmal gehört hat – aber was steckt dahinter?

Um den Regenbogen zu verstehen, muss man erst wissen, was genau eigentlich Sonnenlicht ist. Licht im Allgemeinen ist elektromagnetische Wellen. Ähnlich wie auch Radiowellen oder andere Funksignale. Entscheidend für die Eigenschaften einer elektromagnetischen Welle ist deren Wellenlänge, also der Abstand, nachdem die Schwingung der Welle wieder den gleichen Punkt erreicht hat, wie der Startpunkt. Man kann sich das genau wie eine auf und ab Bewegung von beispielsweise Wasserwellen oder einem in Schwingung gebrachten Seil vorstellen.

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In dieser Abbildung ist eine solche Welle zu sehen. Die hier eingezeichnete Periodendauer entspricht der Wellenlänge. Dieser Bereich wiederholt sich unendlich oft in der Welle. Die Amplitude ist ein Maß für die Intensität, ist hier aber erst mal uninteressant.

Das Spektrum der Wellenlängen einer elektromagnetischen Welle reicht von Nanometern ( ein Millionstel Millimeter) bis mehrere 100 Kilometer. Der Bereich, den wir als sichtbares Licht wahrnehmen liegt etwa zwischen 400 und 800 Nanometer.

So viel zu der grundsätzlichen Erklärung was Licht denn eigentlich ist.

Das Phänomen, das hauptsächlich für die Entstehung eines Regenbogens verantwortlich ist, ist die Brechung von Licht. Brechung kann immer dann auftreten, wenn Licht von einem Medium in ein Anderes über eine Grenzfläche übergeht. Ein Beispiel ist der Übergang von Luft nach Glas oder auch Wasser. Bei dem Durchdringen einer solchen Grenzfläche kann das Licht, je nach Bedingungen und Eigenschaften, seine Richtung ändern. Vielleicht hast du dich auch schon einmal gewundert, warum man, wenn man mit dem Kopf unter Wasser ist, nicht einfach so nach draußen schauen kann, wenn man nicht gerade senkrecht nach oben schaut. Auch hier tritt eine Brechung des Lichts ein. Das Licht außerhalb des Wassers erreicht die Wasseroberfläche und läuft dann aber nicht geradlinig weiter, sondern ändert seine Richtung und gelangt so nicht mehr in unser Auge.

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Hier nochmal eine Veranschaulichung der Brechung von Licht an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser.

Der Brechungswinkel, der in der Abbildung mit β gekennzeichnet ist, hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Ein Lichtstrahl aus blauem Licht (ca. 450nm) wird also anders gebrochen als ein Lichtstrahl rotes Licht ( ca. 700nm).

Um nun zu verstehen, warum aus Sonnenlicht ein Regenbogen aus mehreren Farben werden kann, muss man wissen, dass Sonnenlicht eine Überlagerung des gesamten Lichtspektrums ist. D. h. Sonnenlicht besteht im Prinzip aus allen Farben, deren Überlagerung uns aber weiß bzw. farbneutral vorkommt.

Wenn also Sonnenlicht von der einen Seite auf die dunkle „Regenwand“ auf der anderen Seite trifft, wird das Licht der Sonne in jedem einzelnen Regentropfen gebrochen, wobei der Wellenlängen abhängige Brechungswinkel das bis dato weisliche Licht in ein Spektrum aus Farben auffächert. Dieses breite Band an Farben sehen wir dann als Regenbogen. Die Reihenfolge der Farben in einem Regenbogen (violett, blau, grün, gelb, orange, rot) ist folglich auch immer die Selbe.

Eine Frage bleibt allerdings noch offen: Angenommen das Sonnenlicht kommt aus Sicht des Betrachters von rechts, dann ist die Regenwand auf der linken Seite. Wie kommt nun das Licht, das von rechts nach links verläuft wieder zum Betrachter in der Mitte zurück?

Hier findet ein weiteres Phänomen der Optik statt. Die Reflexion oder Spiegelung. Reflexion findet genau wie die Brechung an Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien statt. Im Gegensatz zur Brechung gilt hier allerdings der bekannte Satz: “ Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ egal für welche Wellenlänge. Was passiert also nachdem der Lichtstrahl der Sonne auf einen Regentropfen getroffen ist? An der ersten Grenzschicht von Luft nach Wasser wird das Licht gebrochen und in seine Farben auf gespaltet. Das nun regenbogenfarbene Licht läuft weiter durch den Tropfen durch, bis es auf die zweite Grenzschicht trifft. Das Ende des Regentropfens also ein Übergang von Wasser nach Luft. Hier wird ein Teil des auftreffenden Lichts reflektiert, also zurückgeworfen. Dieser Teil ist das Licht, dass wir dann als Regenbogen sehen können.

Wenn du jetzt das nächste Mal einen Regenbogen siehst und dich jemand fragt, wie das eigentlich möglich ist, kannst du ihm oder ihr dieses Phänomen ausführlich erklären.