Inhaltsverzeichnis▼
- Was ist ein Regenbogen?
- Entstehung: der Weg des Lichts durch den Tropfen
- Dispersion: warum der Regenbogen bunt ist
- Der 42-Grad-Winkel und die Bogenform
- Farbreihenfolge: warum Rot außen liegt
- Haupt- und Nebenregenbogen
- Wann und wie man einen Regenbogen sieht
- Sonderformen und Alexanders dunkles Band
- Karteikarten
- Das Wichtigste
- Häufige Fragen
- Quellen
Was ist ein Regenbogen?
Ein Regenbogen ist ein optisches Phänomen: Sonnenlicht wird an Regentropfen gebrochen, im Tropfen reflektiert und wieder gebrochen. Dabei zerlegt sich das weiße Licht in seine Farben. Das zurückgeworfene Licht erscheint unter etwa 42 Grad als farbiger Bogen am Himmel, wenn die Sonne im Rücken steht.
Der Regenbogen zählt zu den bekanntesten optischen Erscheinungen der Atmosphäre. Er ist kein fester Gegenstand am Himmel, sondern ein Lichteffekt, der nur für ein bestimmtes Auge an einem bestimmten Ort entsteht. Genau deshalb kann man ihm auch nie näherkommen: Bewegt man sich, wandert er mit.
Für die Physik ist der Regenbogen ein Musterbeispiel dafür, dass weißes Licht in Wirklichkeit ein Gemisch aller Spektralfarben ist. Ein einzelner Regentropfen wirkt dabei wie ein winziges Prisma, das dieses Gemisch auffächert. Erst das Zusammenspiel von Millionen Tropfen ergibt den zusammenhängenden Bogen, den wir sehen.
Weil sowohl Regen als auch tiefer Sonnenstand nötig sind, ist der Regenbogen fest mit dem Wettergeschehen verknüpft. In der Klimatologie und Meteorologie wird er zu den Leuchterscheinungen der Atmosphäre gezählt, ähnlich wie ein Halo oder das Wetterleuchten.
Entstehung: der Weg des Lichts durch den Tropfen
Ein Regenbogen entsteht in drei Schritten: Das Sonnenlicht wird beim Eintritt in den Regentropfen gebrochen, an der Rückseite des Tropfens reflektiert und beim Austritt erneut gebrochen. Durch die zweifache Brechung und die Reflexion verlässt das Licht den Tropfen unter einem bestimmten Winkel zurück in Richtung der Sonne.
Um zu verstehen, wie ein Regenbogen entsteht, betrachtet man einen einzigen kugelförmigen Regentropfen und verfolgt einen Lichtstrahl auf seinem Weg hindurch. Genau das zeigt die folgende Zeichnung.
Schritt 1: Brechung beim Eintritt
Trifft ein Lichtstrahl aus der Luft auf die Oberfläche eines Wassertropfens, wechselt er in ein dichteres Medium und wird dabei zur Senkrechten hin gebrochen. Das Licht ändert also seine Richtung, sobald es in den Tropfen eintritt.
Schritt 2: Reflexion an der Rückseite
Im Inneren läuft das Licht bis zur Rückwand des Tropfens. Dort wird ein Teil des Lichts an der Grenzfläche zurückgeworfen, es wird reflektiert. Wichtig: Es handelt sich nicht um eine Totalreflexion, sondern nur um eine teilweise Reflexion, weil der Einfallswinkel unter dem Grenzwinkel bleibt. Ein Teil des Lichts tritt hier bereits aus und geht für den Regenbogen verloren.
Schritt 3: erneute Brechung beim Austritt
Der reflektierte Anteil läuft zurück zur Vorderseite und verlässt den Tropfen. Beim Austritt aus dem Wasser in die Luft wird das Licht ein zweites Mal gebrochen. Insgesamt wird der Strahl so weit umgelenkt, dass er ungefähr in die Richtung zurückläuft, aus der er gekommen ist, hin zum Beobachter, der die Sonne im Rücken hat.
Merke dir für den Hauptregenbogen die Reihenfolge Brechung, Reflexion, Brechung. Genau diese eine innere Reflexion unterscheidet ihn später vom Nebenregenbogen, bei dem das Licht zweimal reflektiert wird.
Dispersion: warum der Regenbogen bunt ist
Der Regenbogen ist bunt, weil Wasser Farben unterschiedlich stark bricht (Dispersion). Kurzwelliges Licht wie Violett und Blau wird stärker abgelenkt als langwelliges Rot. Der Brechungsindex von Wasser ist für Rot mit rund 1,331 kleiner als für Blau mit rund 1,343, so fächert sich das weiße Licht in seine Farben auf.
Weißes Sonnenlicht enthält alle Farben des Spektrums gemischt. Beim Durchgang durch den Tropfen wird jede Farbe ein wenig anders gebrochen, weil der Brechungsindex des Wassers von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Diese wellenlängenabhängige Brechung nennt man Dispersion.
Man kann sich das gut an einem Prisma vorstellen: Auch dort tritt weißes Licht ein und ein farbiger Streifen aus. Der Regentropfen wirkt wie ein winziges kugelförmiges Prisma. Der Unterschied ist, dass das Licht im Tropfen zusätzlich reflektiert wird und in Richtung Sonne zurückläuft.
| Farbe | Wellenlänge (etwa) | Brechungsindex Wasser | Brechung |
|---|---|---|---|
| Rotes Licht | 650 nm | ca. 1,331 | schwächer gebrochen |
| Grünes Licht | 550 nm | dazwischen | mittel |
| Blaues Licht | 400 nm | ca. 1,343 | stärker gebrochen |
Der Zahlenunterschied wirkt winzig, hat aber eine große Wirkung: Genau diese Differenz sorgt dafür, dass die Farben unter leicht verschiedenen Winkeln aus dem Tropfen austreten und wir sie am Himmel getrennt nebeneinander sehen.
Der 42-Grad-Winkel und die Bogenform
Das rückgeworfene Licht bündelt sich unter einem Winkel von etwa 42 Grad zum Sonnengegenpunkt. Rotes Licht erscheint unter rund 42 Grad, blaues unter rund 40 Grad. Alle Tropfen, die dieses Licht in diesem Winkel zu unseren Augen schicken, liegen auf einem Kreisbogen, deshalb sehen wir einen Bogen.
Verfolgt man viele Lichtstrahlen durch einen Tropfen, zeigt sich: Nicht alle werden gleich stark umgelenkt, aber besonders viele Strahlen häufen sich in einem bestimmten Winkel. Dieser Winkel liegt für rotes Licht bei etwa 42 Grad, für blaues Licht bei etwa 40 Grad, gemessen zur Verlängerung der Linie von der Sonne durch den Beobachterkopf, dem Sonnengegenpunkt.
Weil Licht nur aus diesem Winkelbereich kräftig zum Auge zurückkehrt, erscheint der Regenbogen genau dort hell. Die sichtbare Gesamtbreite des Hauptbogens beträgt nur etwa 2 Grad, ein schmaler, klar begrenzter Streifen.
Warum ein Bogen und kein Fleck?
Der Sonnengegenpunkt liegt immer genau gegenüber der Sonne, unterhalb des Horizonts, wenn die Sonne über dem Horizont steht. Alle Punkte am Himmel, die 42 Grad von diesem Gegenpunkt entfernt sind, bilden einen Kreis. Vom Boden aus sehen wir davon nur den oberen Teil, also einen Bogen. Vom Flugzeug oder von einem hohen Berg aus kann der Regenbogen sogar als vollständiger Kreis erscheinen.
Je tiefer die Sonne steht, desto höher und größer wölbt sich der Bogen. Steht die Sonne höher als 42 Grad über dem Horizont, rutscht der Bogen unter den Horizont und ist vom Boden aus nicht mehr zu sehen.
Farbreihenfolge: warum Rot außen liegt
Beim Hauptregenbogen liegen die Farben von außen nach innen in der Reihenfolge Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Violett. Rot liegt außen, weil es unter dem größeren Winkel (rund 42 Grad) aus dem Tropfen austritt, Violett innen unter dem kleineren Winkel (rund 40 Grad).
Die Farbfolge ist eine direkte Folge der Dispersion. Da Violett und Blau stärker gebrochen werden, verlassen sie den Tropfen unter einem etwas kleineren Winkel und erscheinen näher am Sonnengegenpunkt, also weiter innen. Rot wird schwächer gebrochen und liegt deshalb am äußeren Rand des Bogens.
| Position im Bogen | Farbe | Winkel (Hauptbogen) |
|---|---|---|
| ganz außen | Rot | ca. 42 Grad |
| außen | Orange / Gelb | ca. 41 Grad |
| innen | Grün / Blau | ca. 40,5 Grad |
| ganz innen | Violett | ca. 40 Grad |
In Wirklichkeit gibt es keine harten Farbgrenzen. Das Sonnenspektrum ist ein kontinuierlicher Übergang, sodass die Farben ineinander verlaufen. Die klassische Aufzählung mit sechs oder sieben Farben ist nur eine praktische Vereinfachung für den Unterricht.
Haupt- und Nebenregenbogen
Der Hauptregenbogen entsteht durch eine einmalige Reflexion im Tropfen und zeigt Rot außen. Der Nebenregenbogen entsteht durch zweifache Reflexion, liegt höher, ist deutlich lichtschwächer und breiter, und seine Farbreihenfolge ist umgekehrt: Rot liegt hier innen.
Manchmal sieht man über dem Hauptregenbogen einen zweiten, schwächeren Bogen. Das ist der Nebenregenbogen. Sein Licht wurde im Tropfen nicht einmal, sondern zweimal reflektiert, bevor es wieder austritt. Diese zusätzliche Reflexion kostet Energie, deshalb ist der Nebenbogen blasser.
Durch die zweite Reflexion kehrt sich auch die Farbfolge um. Beim Nebenregenbogen erscheint das rote Licht unter einem Winkel von etwa 51 Grad, das blaue unter etwa 54 Grad. Rot liegt dadurch innen, Violett außen, genau spiegelverkehrt zum Hauptbogen.
| Merkmal | Hauptregenbogen | Nebenregenbogen |
|---|---|---|
| Reflexionen im Tropfen | eine | zwei |
| Winkel (rotes Licht) | ca. 42 Grad | ca. 51 Grad |
| Farbe außen | Rot | Violett |
| Farbe innen | Violett | Rot |
| Helligkeit | hell | deutlich schwächer |
Theoretisch gibt es auch Regenbögen dritter und vierter Ordnung durch noch mehr Reflexionen. Sie liegen zur Sonne hin und sind so schwach, dass sie mit bloßem Auge praktisch nie zu sehen sind.
Wann und wie man einen Regenbogen sieht
Für einen Regenbogen braucht es drei Dinge gleichzeitig: Regen oder feine Wassertropfen vor dem Beobachter, Sonnenschein und den Rücken zur Sonne. Zusätzlich muss die Sonne tief stehen, unter etwa 42 Grad Höhe, sonst liegt der Bogen unter dem Horizont.
Diese Bedingungen erklären, warum man Regenbögen vor allem am frühen Morgen und am späten Nachmittag sieht, wenn die Sonne tief steht. Mittags im Hochsommer, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, ist ein Regenbogen dagegen fast nie zu beobachten.
- Regen vor dir: In Blickrichtung müssen Regentropfen oder Sprühnebel in der Luft hängen.
- Sonne im Rücken: Die Sonne muss hinter dem Beobachter stehen und die Tropfen beleuchten.
- Tiefer Sonnenstand: Je tiefer die Sonne, desto höher und vollständiger der Bogen.
Denselben Effekt kann man auch selbst erzeugen: Steht man mit dem Rücken zur Sonne und versprüht mit einem Gartenschlauch feinen Wassernebel, entsteht ein kleiner künstlicher Regenbogen. Das ist ein einfaches Experiment, das die Voraussetzungen anschaulich bestätigt.
Sonderformen und Alexanders dunkles Band
Neben dem klassischen Bogen gibt es Sonderformen: den fast weißen Nebelbogen bei sehr kleinen Tröpfchen, den blassen Mondregenbogen bei Vollmond und Alexanders dunkles Band, den auffällig dunklen Himmelsstreifen zwischen Haupt- und Nebenregenbogen.
Der Regenbogen ist nicht immer bunt und deutlich. Seine Erscheinung hängt stark von der Größe der Tropfen und der Lichtquelle ab.
Nebelbogen
Bestehen die Tröpfchen aus sehr feinem Nebel mit weniger als etwa 50 Mikrometern Durchmesser, ist die Farbzerlegung zu schwach. Der Bogen erscheint dann fast weiß und wird Nebelbogen genannt.
Mondregenbogen
Auch das schwächere Mondlicht kann einen Regenbogen erzeugen. Ein solcher Mondregenbogen ist sehr blass, weil unser Auge nachts kaum Farben unterscheidet, oft wirkt er nur weißlich.
Alexanders dunkles Band
Zwischen Haupt- und Nebenregenbogen liegt ein Himmelsstreifen, der dunkler wirkt als die Umgebung. Grund ist die Tropfengeometrie: In diesen Bereich wird kaum Licht zurückgeworfen. Benannt ist das Phänomen nach dem antiken Gelehrten Alexander von Aphrodisias, der es schon vor rund 1800 Jahren beschrieb.
Bei sehr kleinen, gleich großen Tropfen unter einem halben Millimeter können am inneren Rand des Hauptbogens zusätzliche, feine Farbstreifen auftreten. Diese überzähligen Bögen entstehen durch Interferenz des Lichts und lassen sich mit der reinen Strahlenoptik nicht mehr erklären.
Karteikarten zum Regenbogen
Sechs Karteikarten zu den wichtigsten Fakten über den Regenbogen, von der Entstehung bis zum Winkel, ideal zur schnellen Wiederholung. Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen, und navigiere mit den Pfeilen durch das Set.
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Regenbogen, das Wichtigste
Ein Regenbogen entsteht durch Brechung, innere Reflexion und Dispersion des Sonnenlichts an Regentropfen. Das Licht kehrt unter etwa 42 Grad zurück und bildet einen Bogen mit Rot außen und Violett innen. Der Nebenregenbogen entsteht durch zweifache Reflexion und zeigt die umgekehrte Farbfolge.
- Entstehung: Brechung beim Eintritt, Reflexion an der Rückseite, erneute Brechung beim Austritt.
- Farben: Dispersion, Blau wird stärker gebrochen als Rot (Brechungsindex ca. 1,343 gegen 1,331).
- Winkel: Hauptbogen rund 42 Grad (Rot) bis 40 Grad (Violett) zum Sonnengegenpunkt.
- Bogenform: alle Tropfen im 42-Grad-Winkel liegen auf einem Kreis, wir sehen den oberen Teil.
- Haupt- vs. Nebenbogen: eine gegen zwei Reflexionen, umgekehrte Farbfolge, Nebenbogen schwächer.
- Sehen: Regen vorn, Sonne im Rücken, tiefer Sonnenstand.
Häufige Fragen zum Regenbogen
Sonnenlicht trifft auf Regentropfen, wird beim Eintritt gebrochen, an der Rückseite reflektiert und beim Austritt erneut gebrochen. Dabei zerlegt sich das weiße Licht in seine Farben, und wir sehen einen bunten Bogen.
Alle Tropfen, die das Licht unter dem gleichen Winkel von etwa 42 Grad zurückwerfen, liegen auf einem Kreisbogen um den Sonnengegenpunkt. Vom Boden aus sieht man nur den oberen Teil, aus dem Flugzeug kann es ein voller Kreis sein.
Kurzwelliges Licht wie Violett und Blau wird stärker gebrochen als rotes. Deshalb tritt Rot unter dem größeren Winkel von rund 42 Grad aus und liegt außen, Violett unter rund 40 Grad und liegt innen.
Beim Hauptregenbogen wird das Licht einmal reflektiert (Rot außen). Beim Nebenregenbogen zweimal; er liegt höher, ist deutlich schwächer und breiter, und die Farbfolge ist umgekehrt (Rot innen).
Von außen nach innen: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Es ist ein kontinuierlicher Farbübergang, die Farben verlaufen ineinander.
Man braucht Regen vor sich, Sonnenschein und den Rücken zur Sonne. Außerdem muss die Sonne tief stehen, unter etwa 42 Grad Höhe, deshalb sind Regenbögen morgens und am späten Nachmittag am häufigsten.
Der Regenbogen ist kein fester Ort. Für jeden Beobachter bilden ihn genau die Tropfen im richtigen 42-Grad-Winkel. Ein Schritt zur Seite, und es sind andere Tropfen, also ein anderer, eigener Regenbogen.
Das ist der dunkle Himmelsbereich zwischen Haupt- und Nebenregenbogen. Dorthin wird durch die Tropfengeometrie kaum Licht zurückgeworfen, deshalb wirkt der Streifen dunkler als der Himmel darüber und darunter.
Quellen
Die physikalischen Angaben stützen sich auf ein Fachportal der Physik, die Wetterbehörde und ein zoologisch-physikalisches Standardnachschlagewerk:
- Regenbogen. Wikipedia. de.wikipedia.org
- Wie entsteht ein Regenbogen? Welt der Physik. weltderphysik.de
- Deutscher Wetterdienst: Der Himmel ist bunt – Der Regenbogen. dwd.de
- Regenbogen. Spektrum, Lexikon der Physik. spektrum.de