Wie entsteht Morgen- bzw. Abendrot?

Auch wenn die Tage schon immer kürzer werden, kann man im Moment häufig sehr schöne Sonnenuntergänge oder für Frühaufsteher auch Sonnenaufgänge bewundern. Der orangene bis tiefrote Himmel kurz nachdem die Sonne hinter dem Horizont verschwindet, bzw. kurz bevor sie aufgeht, ist eines der schönsten Himmelsphänomene. Aber wie kommt es eigentlich, dass der Himmel und vor allem die angestrahlten Wolken sich in solch kräftigen Farben zeigen?

Tagsüber ist ein wolkenloser Himmel strahlend blau. Hier taucht bereits die erste Frage auf: Warum ist das so?

Das Sonnenlicht, das uns in der Regel weiß erscheint, besteht tatsächlich aus allen Farben des Regenbogens (vgl. Wie entsteht ein Regenbogen). Das Licht all dieser Farben überlagert ergibt weißes Licht. Dieses weiße Licht dringt dann in die Erdatmosphäre ein. Dort trifft es auf Moleküle in der Luft – vorwiegend Stickstoff und Sauerstoff. An diesen Molekülen wird das Licht der Sonne gestreut, es verändert also seine Richtung. Licht verschiedener Wellenlängen und damit verschiedener Farben wird allerdings nicht gleichstark gestreut. Kurzwelliges blaues Licht wird deutlich stärker gestreut, als langwelliges rotes Licht. Da bei hohem Sonnenstand tagsüber der Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre relativ kurz ist, wird hauptsächlich das blaue Licht gestreut. Das gestreute Licht ist das, was wir dann sehen. Der Himmel erscheint somit blau.

Morgens oder auch abends, wenn die Sonne tief über dem Horizont steht bzw. gerade auf oder untergeht, ist der Weg des Lichts bis zu uns deutlich länger. Der Weg ist so lang, dass das blaue Licht so weit gestreut wird, dass es zum großen Teil gar nicht mehr bei uns ankommt. Was wir dann sehen ist die Streuung des roten Lichts und der Himmel oder auch die angestrahlten Wolken erscheinen rot. Wolken strahlen deshalb, weil sie das Licht der Sonne ganz einfach reflektieren. Aus diesem Grund sind sie tagsüber auch weiß (vgl. Warum sind Wolken weiß).

Wenn du nun das nächste Mal einen Sonnenuntergang bestaunst, weißt du jetzt auch wie dieses spektakuläre Farbenspiel entsteht.

 

Quellen:

https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/himmelsblau-und-abendrot/

https://wetterkanal.kachelmannwetter.com/wie-entsteht-morgenrot-und-abendrot/

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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.

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.