Ein ausgeprägter Regenbogen

Die Abbildung des heutigen Artikels zeigt ein irdisches, atmosphärisches Phänomen: einen Regenbogen. Dabei möchte ich auf zwei Details aufmerksam machen, die nicht immer leicht zu sehen sind: die “Interferenzbögen” und “Alexanders dunkles Band”.

Die Aufnahme entstand mit meiner 70D und einem 18-50mm Sigma Zoomobjektiv. Allerdings habe ich das Histogramm noch etwas angepasst, um die Details deutlicher hervorzuholen. Dominiert wird das Bild natürlich von dem Regenbogen (Hauptbogen) selbst, der in allen Farben von rot bis violett deutlich ausgeprägt zu sehen ist. Dies war auch visuell der Fall, alle Farben waren leicht zu erkennen.

Innerhalb des Bogens schließen sich an den Regenbogen die Interferenzbögen an, welche ebenfalls mit bloßem Auge gut zu sehen waren. Diese Interferenzen entstehen, wenn Licht einer Wellenlänge gleichphasig in den Regentropfen eintritt, im Tropfen jedoch Laufzeitunterschiede erfährt. Daraus ergeben sich Phasenunterschiede, die zu stellenweise Auslöschung und stellenweise Überhöhung von Farben führt, siehe auch Wikipedia.

Außerhalb des Regenbogens ist in einigen Winkelgraden Abstand der Nebenbogen zu erkennen. Auch der war visuell leicht sichtbar, was durchaus oft der Fall ist. Zu beachten ist die umgekehrte Farbreihenfolge von Regenbogen und Nebenregenbogen. Im Regenbogen ist rot außen und violett innen, im Nebenregenbogen ist es umgekehrt.

Alexanders dunkles Band

Was mir selbst jedoch nicht geläufig war, ist der Effekt zwischen Regenbogen und Nebenbogen, der Alexanders dunkles Band genannt wird, siehe ebenfalls Wikipedia (auch zur Entstehung) sowie Wissenstexte, Desy und Wissenschaft im Dialog. Vereinfacht gesagt, ist der Himmel dort aus folgendem Grund dunkel: der Regenbogen entsteht durch Licht, das im Wassertropfen einmal reflektiert wird. Es tritt unter einem Winkel von 42 Grad aus. Der Nebenregenbogen besteht aus Licht, das im Wassertropfen zweimal reflektiert wird. Dieses Licht tritt unter einem Winkel von 51 Grad aus. Zwischen 42 und 51 Grad kann damit jedoch gar kein Licht aus dem Wassertropfen austreten – daher sieht der Beobachter auch keines und entsprechend ist dieser Bereich des Himmels dunkler als die anderen Bereiche, in die Licht hineinreflektiert wird.

Die Situation möchte ich an folgender Grafik erläutern, die den Fall der einfachen Reflektion zeigt.

Gehen wir von einem Wassertropfen aus (blau), der in vereinfachter Annahme eine Kugel ist. In der Grafik von links kommen drei Sonnenstrahlen 1,2 und 3. Sie treten in den Tropfen ein und werden dabei durch Brechung abgelenkt. Auf der Rückseite des Tropfens werden sie reflektiert und treten dann erneut auf der Vorderseite des Tropfens (im Bild links) als Strahlen 1′, 2′ und 3′ aus. Hierbei werden sie erneut durch Brechung abgelenkt. Dass sie dadurch auch die Aufspaltung in Farben entsteht, spielt für das dunkle Band keine Rolle. Wichtiger sind die Gesetze, nach denen die Ablenkung durch Brechung und die Reflexion stattfinden. Aus ihnen ergibt sich, dass Strahl 3′ stärker in Richtung Sonne abgelenkt wird als Strahl 2′. Dieser bildet eine Grenze mit den Grenzwinkel W, der dem Öffnungswinkel des Hauptbogens entspricht. Es gibt also einen ersten Winkelbereich, in den Licht reflektiert wird, das auf den Wassertropfen fällt (HELL). Und es gibt einen zweiten Winkelbereich, in denen nie ein Lichtstrahl bei einfacher Reflexion fallen kann (DUNKEL). Auch bei zweifacher Reflexion der Lichtstrahlen innerhalb des Tropfens ergibt sich ein Grenzwinkel, der einen hellen und einen dunklen Bereich voneinander trennt. Der Grenzwinkel ist größer und entspricht dem Öffnungswinkel des Nebenregenbogens. Die beiden dunklen Bereiche der beiden Reflexionsarten fallen aufeinander und bilden zusammen Alexanders dunkles Band.

Die für mich eingängigste Erklärung dieses Phänomens fand ich dem Buch “Vom Regenbogen zum Polarlicht” von Kristian Schlegel.