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Wie entsteht ein Regenbogen?

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Wie entsteht ein Regenbogen?
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Beschreibung Wie entsteht ein Regenbogen?

Inhalt

Wie entsteht ein Regenbogen?

Wenn es regnet und zeitgleich die Sonne scheint, kannst du mit Glück einen Regenbogen sehen. Das gleiche Phänomen kannst du manchmal beobachten, wenn du in der Sonne den Rasen sprengst. Regenbogen müssen also irgendwie mit dem Zusammenspiel von Wasser und Licht zusammenhängen. Doch wie entstehen die Farben des Regenbogens genau? Um das zu verstehen, wollen wir uns heute die physikalische Erklärung für die Entstehung des Regenbogens ansehen.

Brechung und Reflexion am Wassertropfen

Wir wissen schon, dass die Entstehung eines Regenbogens irgendwie mit dem Zusammenspiel von Wasser und Licht zusammenhängt. Deswegen wollen wir uns anschauen, was an einem einzelnen Tropfen passiert, wenn er von Licht getroffen wird. Das weiße Sonnenlicht trifft auf den Wassertropfen. An der Grenzfläche von Luft zu Wasser wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil gebrochen. Schau dir die Details dazu gerne noch einmal im Video zur Lichtbrechung an. Da der Brechungsindex von Wasser größer ist als der von Luft, wird das Licht zum Lot hin gebrochen.

Entstehung des Regenbogens, Erklärung am Wassertropfen

Wie stark das Licht gebrochen wird, hängt von seiner Spektralfarbe bzw. der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ab. Wir erinnern uns, dass sich weißes Licht aus Licht verschiedener Farben zusammensetzt. Es gibt theoretisch unendlich viele dieser Spektralfarben, meist nennt man aber diese sieben Farben: Violett, Indigo (Farbton zwischen Violett und Blau), Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot. Licht mit kürzerer Wellenlänge, also zum Beispiel violettes Licht, wird stärker gebrochen als Licht mit größerer Wellenlänge, wie zum Beispiel rotes Licht. Am Wassertropfen wird das violette Licht also stärker abgelenkt als das rote. Das weiße Sonnenlicht wird durch dieses Prinzip in die sieben Spektralfarben aufgefächert, die wir im Regenbogen wahrnehmen.

An der Rückseite des Wassertropfens gibt es eine weitere Grenzfläche, diesmal beim Übergang von Wasser zu Luft. An dieser Grenzfläche wird wieder ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil gebrochen, also zurückgeworfen. Dabei gilt bei der Reflexion für alle Wellenlängen das Reflexionsgesetz, also Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel. Das reflektierte Licht trifft nun wieder auf die Grenzfläche von Wasser zu Luft, wo nun abermals ein Teil des Lichts gebrochen wird: Diesmal wird das Licht vom Lot weg gebrochen, wobei das Licht mit kurzer Wellenlänge wieder stärker gebrochen wird als das mit langer Wellenlänge. Violettes Licht wird also stärker abgelenkt als rotes.

Obwohl das violette Licht zweimal stärker gebrochen wird als das rote, sehen wir Folgendes: Im Vergleich zum einfallenden Sonnenlicht ist der Austrittswinkel vom violetten Licht (ungefähr 40°) kleiner als der vom roten Licht (ungefähr 42°). Wir wissen nun also, was an einem einzelnen Regentropfen passiert. Doch wie setzt sich daraus ein Regenbogen zusammen?

Die Entstehung des Gesamtbilds

Im Himmel befindet sich natürlich nicht nur ein einziger Regentropfen, sondern viele liegen nahe beieinander. Wir können uns das vorstellen wie eine Wand aus Tropfen. Diese können nun alle, so wie oben beschrieben, das Licht brechen und reflektieren. Das Licht, das auf diese Weise bei uns ankommt, ist das, was wir sehen.

Schauen wir uns zuerst das rote Licht an: Das sehen wir, wenn die Sonne, der Tropfen und wir als Beobachter so angeordnet sind, dass die Sonnenstrahlen und die vom Tropfen reflektierten Strahlen einen Winkel von 42° ergeben. Denn das ist ja genau der Austrittswinkel, den das rote Licht hat. Wenn sich der Wassertropfen etwas höher befinden würde, dann würde das rote Licht über uns hinweg reflektiert werden: Es würde nicht in unserem Auge ankommen und wir würden es nicht sehen. Die Sonnenstrahlen und die reflektierten Strahlen ergeben nicht nur für eine einzige Position einen Winkel von 42°, sondern für mehrere Positionen innerhalb eines Bogens. Das kannst du dir so vorstellen, als würdest du durch einen Trichter schauen: Alles, was du am Rand der runden Trichteröffnung siehst, kommt im gleichen Winkel bei dir an.

Entstehung des Regenbogens, Erklärung des Gesamtbildes

Sehen wir uns nun das violette Licht an: Wir erinnern uns, dass der Austrittswinkel kleiner ist als der für rotes Licht. Daher sehen wir das violette Licht weiter unten – dort, wo das Sonnenlicht und das reflektierte Licht einen Winkel von 40° ergeben. Auch in diesem Fall ergibt sich der Winkel von 40° innerhalb eines Bogens.

Nun haben wir uns die beiden Randfarben des Regenbogens angesehen. Alle anderen Spektralfarben sehen wir natürlich auch, diese verlaufen mit steigender Wellenlänge von innen nach außen. Außerdem haben wir gelernt, dass es wichtig ist, von wo die Sonne kommt und wo wir als Betrachter stehen: Denn nur so ergeben sich die passenden Austrittswinkel des Lichts. Wir sehen einen Regenbogen also dann, wenn wir der Sonne den Rücken zuwenden.

Dieses Video

In diesem Video wird dir die Entstehung des Regenbogens einfach erklärt. Du weißt nun, was die physikalische Ursache eines Regenbogens ist und warum ein Regenbogen sieben Farben hat. Auch zu diesem Thema gibt es interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt.

Transkript Wie entsteht ein Regenbogen?

Der Regenbogen, ein faszinierendes Naturschauspiel. Er schimmert in allen Farben. Doch sein Ende bleibt, wie im Märchen, für den Menschen unerreichbar. Vielleicht gerade deswegen entstehen verschiedene Geschichten über den farbigen Bogen. So wird zum Beispiel erzählt, dass am Fuße des Regenbogens ein Schatz vergraben liegt oder dass der Regenbogen eine Brücke zu Gott ist. Was passiert aber, damit weißes Sonnenlicht auf einmal in allen Farben leuchtet? Das liegt daran, dass es weißes Tageslicht, also Licht mit der Farbe weiß, eigentlich gar nicht gibt. Das weiße Tageslicht, wenn wir es wahrnehmen, ist immer zusammengesetzt aus farbigen Lichtern, aus den Spektralfarben die man kennt. Und das kann man an dieser Station hier gut sehen. Wir haben das grüne Licht jetzt schon angemacht. Ich kann jetzt blaues Licht hinzumischen, dann bekommen wir so einen Türkisfarbton. Und wenn ich jetzt rotes Licht hinzufüge, dann haben wir weißes Licht. Beim Regenbogen ist es umgekehrt, hier wird das weiße Licht gespalten. So entstehen die verschiedenen Farben. Ganz wichtig dabei, die Regentropfen. Wenn Sonne auf Regen trifft, fällt der Lichtstrahl in den Wassertropfen, er wird gebrochen und an der Innenwand reflektiert. Beim Austritt wird er nochmal gebrochen. Was dann passiert lässt sich an einem Prisma verdeutlichen. Wir haben hier eine Leuchte, das steht für die Sonne. Wir haben ein Prisma, das kennt man auch aus dem Physikunterricht, das repräsentiert den Regentropfen. Und wir sehen hier sehr schön, wie der Lichtstrahl durch das Prisma abgelenkt wird. Und das geschieht aber nicht gleichmäßig, sondern jede Spektralfarbe wird in einem anderen Winkel gebrochen. Und dadurch gelingt diese Aufspaltung in die Spektralfarben. Und was wir jetzt sehen ist im Grunde ein Ausschnitt eines Regenbogens. Die Lichtspaltung, die sogenannte Dispersion. Allgemein gilt, je größer der Wassertropfen, desto intensiver erscheinen die Farben. Außerdem machen die Regentropfen den Bogen erst rund. Durch ihre Kugelform lenken sie die Lichtstrahlen bogenförmig ab. Und je tiefer die Sonne steht, desto höher erscheint der Bogen. Und schließlich ist auch der Standpunkt des Beobachters sehr wichtig. Es ist so, dass der Beobachter genau zwischen der Sonne und der Regenwand stehen muss. Und wenn der Beobachter die Sonne im Rücken hat und dann die Regenwand anschaut, dann sieht er einen Regenbogen. Also sieht jeder Beobachter, je nach Standpunkt, seinen eigenen Regenbogen. Aber ganz egal, ob groß oder klein, ob flach oder rund, ein Regenbogen ist einfach ein Naturschauspiel, das alle Blicke auf sich zieht.

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. Zu leicht!

    Von Deleted User 990309, vor mehr als einem Jahr
  2. macht voll spaß

    Von Mueller Dina, vor mehr als 3 Jahren

Wie entsteht ein Regenbogen? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wie entsteht ein Regenbogen? kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Entstehung des Regenbogens.

    Tipps

    Als Lichtbrechung bezeichnet man das Phänomen, dass Lichtstrahlen leicht abgelenkt werden, wenn sie durch die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Stoffen scheinen.

    Lösung

    Wie ein Prisma spalten die Regentropfen in einem Regenschauer das weiße Sonnenlicht in die Spektralfarben auf, aus denen es sich zusammensetzt. Der Grund dafür ist, dass jede Lichtfarbe an der Wasseroberfläche der Regentropfen in einem leicht anderen Winkel gebrochen wird.

    Ein Teil des aufgespaltenen Lichts wird anschließend an der Rückseite des Tropfens reflektiert und verlässt den Tropfen wieder, wobei es noch einmal gebrochen wird. Dieses Licht bildet schließlich den Regenbogen, den wir sehen können.

  • Zeige die Lichtbrechung an einem Regentropfen.

    Tipps

    Wenn Licht aus der Luft in ein Medium wie Wasser oder Glas dringt, werden die einzelnen Farben des Lichtes unterschiedlich stark gebrochen.

    Lösung

    Wenn das weiße Licht der Sonne auf einen Regentropfen trifft, dringt ein Teil des Lichtes in den Regentropfen ein. Dabei wird dieses Licht gebrochen und ändert seine Richtung. Wie stark das Licht gebrochen wird, hängt allerdings von der Wellenlänge des Lichtes ab, die auch seine Farbe festlegt. Deshalb wird das weiße Sonnenlicht an der Oberfläche eines Regentropfens in die Spektralfarben aufgeteilt.

    Anschließend wird das aufgespaltene Licht größtenteils an der Rückseite des Wassertropfens reflektiert und dringt schließlich wieder aus dem Regentropfen heraus. Wegen der Lichtbrechung verlässt dabei jede Lichtfarbe den Tropfen in einem anderem Winkel. Neben der Farbe des Lichtes hängt dieser auch von dem Winkel ab, in dem das Licht der Sonne auf den Wassertropfen fällt.

  • Zeige die Farbreihenfolge des Regenbogens.

    Tipps

    Der maximale Reflexionswinkel an einem Wassertropfen ist bei rotem Licht am größten.

    Lösung

    Das Licht des Regenbogens, den Markus sieht, stammt aus vielen verschiedenen Regentropfen, die das Sonnenlicht aufspalten und reflektieren. Dabei reflektiert jeder Regentropfen mit seiner runden Form eigentlich einen kleinen Lichtkegel mit einem bestimmten Öffnungswinkel, der sich für jede Lichtfarbe unterscheidet. Bei rotem Licht ist der Winkel des reflektierten Lichts zum einfallenden Sonnenlicht am größten, deshalb muss das Licht von Regentropfen reflektiert werden, die sich noch weiter oben am Himmel befinden, um in Markus Auge zu gelangen. Bei violettem Licht ist der Winkel am kleinsten, deshalb dringt das reflektierte Licht von Regentropfen zu Markus, die sich schon weiter unten befinden. Dazwischen liegen die anderen Regenbogenfarben.

  • Erkläre den doppelten Regenbogen.

    Tipps

    Wenn Licht auf eine Grenzfläche zwischen Luft und Wasser trifft, wird es meist teilweise reflektiert und dringt teilweise durch die Grenzfläche hindurch.

    Das Licht des Regenbogens entsteht durch einzelne Regentropfen.

    Lösung

    Wenn Licht auf eine Grenzfläche zwischen Wasser und Luft trifft, dann wird es meist nicht vollständig reflektiert oder durchdringt die Grenzfläche vollständig. Stattdessen teilt sich das Licht auf. Dabei wird ein Teil des Lichtes reflektiert und ein anderer Teil dringt durch die Grenzfläche.

    So kann es auch dazu kommen, dass ein Teil des Lichts nicht bereits nach der ersten Reflexion den Regentropfen verlässt, sondern zunächst noch ein zweites Mal reflektiert wird. Anschließend tritt es dann in einem anderen Winkel aus dem Regentropfen aus. Dieses Licht bildet dann den zweiten, schwächeren Nebenregenbogen. Durch die zweite Reflexion kehrt sich auch die Reihenfolge der Farben um, wie du in diesem Bild erkennen kannst.

    Ein Teil des Lichtes wird sogar noch ein drittes und ein viertes Mal im Regentropfen reflektiert. Dieses Licht bildet die sogenannten tertiären und quartären Regenbögen. Das Licht ist bei diesen Regenbögen zu schwach, um sie noch zu erkennen. Aber nachdem man lange vermutete, sie wären nur theoretisch möglich, konnte man inzwischen tertiäre und auch quartäre Regenbögen fotografisch festhalten.

  • Nenne die Eigenschaften von weißem Sonnenlicht.

    Tipps
    Lösung

    Weißes Sonnenlicht ist nicht wirklich weiß. Es ist eine Mischung aus Licht mit unterschiedlichen Farben, den sogenannten Spektralfarben. Bei einem Regenbogen werden die unterschiedlichen Lichtfarben aufgespalten, sodass sie einzeln zu sehen sind.

  • Bestimme den maximalen Sonnenwinkel.

    Tipps

    Wenn die Sonne am Horizont steigt, sinkt der Regenbogen.

    Lösung

    Je nachdem, an welcher Stelle das Sonnenlicht einen Regentropfen trifft, wird es in einem anderen Winkel reflektiert. Wenn ein Lichtstrahl den runden Regentropfen genau mittig trifft, wird er in sich selbst zurückgeworfen und je weiter der Lichtstrahl neben der Mittelachse auf den Regentropfen trifft, desto größer wird der Reflexionswinkel. Trifft der Sonnenstrahl genau den Rand des Tropfens, dann wird der Winkel schließlich am größten. Wie groß genau, hängt von der jeweiligen Lichtfarbe ab. Weil violettes Licht an der Oberfläche des Regentropfens stärker gebrochen wird als rotes, ist der maximale Reflexionswinkel bei violettem Licht mit $40°$ kleiner als bei rotem Licht, das in einem Winkel von bis zu $42°$ reflektiert wird.

    Wenn die Sonne am Horizont steigt, sinkt der Regenbogen für einen Beobachter zum Horizont herunter, bis er nicht mehr zu sehen ist. Wenn die Sonne im Winkel von $40°$ zum Erdboden steht, wird das violette Licht nur noch von den untersten Regentropfen zum Betrachter zurückgeworfen und verschwindet anschließend scheinbar im Erdboden. Wenn das Sonnenlicht schließlich in einem Winkel von mehr als $42°$ zum Erdboden einfällt, ist auch das rote Licht nicht mehr zu sehen und der Regenbogen ist komplett verschwunden.

    Also gilt:

    • Fallen die Sonnenstrahlen in einem Winkel von $35^\circ$ auf den Erdboden, so sieht man den Regenbogen komplett.
    • Fallen die Sonnenstrahlen in einem Winkel von $41^\circ$ auf den Erdboden, so sieht man den Regenbogen teilweise.
    • Fallen die Sonnenstrahlen in einem Winkel von $43^\circ$ auf den Erdboden, so sieht man keinen Regenbogen.
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