Wie entsteht ein Regenbogen?

„Liam“ hat einen Plan ausgeheckt, um schnell an Reichtum zu kommen. Im Dorfpub hatte er beim siebten „Saoirse“ über Regenbogen unterhielt. Am Ende eines jeden befände sich ein Topf voll mit Gold! Liam fasst den Plan, beim nächsten Regenbogen zuzuschlagen. Aber „Wie entsteht ein Regenbogen“ überhaupt? Einen Regenbogen können wir immer dann beobachten, wenn Sonnenlicht direkt auf eine Regenfront, Wolken oder Nebel fällt. Seine Entstehung muss wohl etwas mit den Wassertröpfchen darin zu tun haben. Also lass uns mal anschauen was passiert, wenn Licht auf einen einzelnen Wassertropfen fällt. Das weiße Licht der Sonne trifft zunächst auf die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser. Dort wird ein Teil reflektiert und ein Teil gebrochen – und zwar zum Lot hin – weil Wasser „optisch dichter“ als Luft ist. Wie stark es gebrochen wird, hängt von der Spektralfarbe des Lichts ab. Weißes Sonnenlicht setzt sich nämlich aus verschiedenen „Spektralfarben“ zusammen. Diese können zum Beispiel in einem „Prisma“ aufgespalten werden. Und genau das passiert auch im Regentropfen! Der rote Anteil des Sonnenlichts wird am schwächsten gebrochen, und der violette Anteil am stärksten. Alle anderen Farben liegen dazwischen. An der Rückseite verlässt ein Teil des Lichts den Tropfen und ein Teil wird reflektiert, also an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft wieder zurückgeworfen. Wir interessieren uns nur für diesen reflektierten Anteil. Die Reflexion folgt dem Reflexionsgesetz: „Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel“. Dadurch kreuzen sich die Farben innerhalb des Regentropfens und treffen dann wieder auf die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Beim Austritt aus dem Tropfen wird das Licht „noch einmal“ gebrochen. Im Gegensatz zum Eintritt laufen die Strahlen beim Austritt aus dem Tropfen nun vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium „Luft“. Sie werden also vom Lot Weg gebrochen. Die Stärke der Brechung hängt auch hier von der Farbe ab: Rot wird am schwächsten und violett am stärksten gebrochen. Wenn wir eine Linie in Richtung des einfallenden Sonnenlichts zeichnen, können wir die Winkel skizzieren, unter denen die Spektralfarben den Tropfen verlassen. Für den roten Anteil erhalten wir einen Winkel von zweiundvierzig Grad. Und für das violette Licht einen Winkel von vierzig Grad. Jetzt wissen wir, wie das Licht in einem einzelnen Tropfen aufgespalten wird. Aber Moment mal! Bei einem Regenbogen liegen die Farben doch genau andersherum! Das erklärt sich so: Das Licht unterschiedlicher Spektralfarben verlässt einzelne Regentropfen zwar unter bestimmten Winkeln, aber ein Regenbogen wird nicht von einem einzelnen, sondern von einer ganzen Wand aus Tropfen erzeugt. Das müssen wir uns noch genauer anschauen: Bleiben wir erstmal wieder bei einem einzelnen Tropfen der Regenwand, der sich in einer bestimmten Höhe befindet. Die Sonnenstrahlen kommen von links und werden wie zuvor beschrieben im Tropfen gebrochen und reflektiert. rotes Licht verlässt den Tropfen unter einem Winkel von zweiundvierzig Grad und trifft hier im Beispiel genau das Auge des Betrachters. Das violette Licht verlässt den Tropfen unter einem Winkel von vierzig Grad und geht so am Auge des Betrachters vorbei. Wenn wir nun einen zweiten Tropfen unterhalb des ersten betrachten, verfehlt das rote Licht das Auge des Betrachters, wohingegen der violette Anteil genau trifft. Betrachten wir nun statt der einzelnen Tropfen eine ganze Regenwand, trifft aus jeder Höhe eine andere Farbe genau das Auge des Betrachters. So ergibt sich die gewohnte Reihenfolge der Regenbogenfarben. Das klappt allerdings nur, wenn die Sonne „im Rücken“ des Betrachters steht. Blickt man „in Richtung der Sonne“, erreichen einen keine der reflektierten Strahlen. Aber wenn alles passt, wie wird daraus dann ein Bogen? Nun, die reflektierten Strahlen erreichen den Betrachter nicht nur von einer Position auf der Regenwand mit den passenden Winkeln, sondern auch von anderen Stellen, die alle auf einem großen „Kreisbogen“ liegen. Das liegt an unserem Blickwinkel: Stell dir vor, du würdest durch einen Trichter schauen! Alle Punkte auf dem Rand des Trichters stehen in gleichem Winkel zu deinem Auge und in gleicher Entfernung. Der Regenbogen liegt sozusagen innerhalb eines „passenden Trichterrandes“ in deinem Blickfeld. Wobei du am Boden eben nur einen halben Kreisbogen sehen kannst – ein Pilot in der Luft hat da manchmal eine deutlich vollere Perspektive! Eins wird dabei klar: Jeder von uns sieht seinen ganz eigenen Regenbogen – denn für jeden Betrachter erfüllen andere Tropfen gerade die richtige Winkelbedingung. Und auch der eigene Regenbogen steht nicht fest. Bewegt man sich als Betrachter weiter nach vorne, erfüllen nicht mehr dieselben Tropfen die Winkelbedingung, sondern weiter hinten liegende. Kannst du dir vorstellen, was das für Liams Plan bedeutet? Wir erfahren's nach der Zusammenfassung: Wenn Sonnenlicht auf einen Wassertropfen trifft, wird es gebrochen, reflektiert und wieder gebrochen. Durch die unterschiedlich starke Brechung verschiedener „Spektralfarben“ werden diese wie in einem Prisma getrennt. Einen Betrachter erreichen dadurch unter verschiedenen Winkeln verschiedene Farben. Alle Lichtstrahlen, die die Winkelbedingung für bestimmte Farben genau erfüllen, kommen von Tropfen, die auf einem „Kreisbogen“ in der Regenwand liegen. So entsteht ein Regenbogen, wenn die Sonne im Rücken des Betrachters steht und es regnet oder neblig ist. Und damit zurück zu Liam. Oh! So hatte er sich das aber nicht vorgestellt! Da muss er sich wohl einen anderen Plan überlegen, um an Reichtum zu kommen.