Foto eines Regenbogens

Auf dieser Seite spannt die Sonne Bögen …

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Halo und Regenbogen

Regenbogen

Regenbögen entstehen durch Lichtbrechung in Wassertropfen. Das Sonnenlicht tritt in den Tropfen ein, wird dabei gebrochen, dann an seiner Rückseite reflektiert und beim Austritt an der Vorderseite wiederum gebrochen. Da die Brechung je nach Farbe unterschiedlich ist (rotes Licht wird schwächer gebrochen als blaues), wird das weiße Sonnenlich in die „Regenbogenfarben“ aufgespalten.
Meist sieht man nur den Hauptbogen (unter einem Winkel von etwa 42°). Gelegentlich erscheint aber über dem Hauptbogen ein zweiter Bogen, der so genannte Nebenbogen am Himmel (unter einem Winkel von etwa 51°). Er entsteht nach zweifacher Reflexion des Lichtes im Tropfen. Die Farbreihenfolge ist im Nebenbogen umgekehrt.
Freunde haben im Mai einen Dreifachregenbogen beobachtet – dieser ist extrem selten. Leider haben sie kein Foto gemacht …

Abb. 1 ¦ Brechung des Sonnenlichtes im Wassertropfen   Grafik: Brechung des Sonnenlichtes im Wassertropfen
Bildunterschrift Farbaufspaltung im Regenbogen
Weil der Brechungswinkel für die einzelnen Farben unterschiedlich ist, wird das Sonnenlicht in die einzelnen Farben aufgespalten. Beim roten Licht beträgt der Winkel zwischen einfallendem und austretendem Strahl 42°, bei blauem 41°. Bei zweifacher Reflexion im Tropfen dreht sich die Reihenfolge der Farben um.Bildunterschrift Ende
Abb. 2 ¦ Sichtbarkeit des Regenbogens unter 42°   Grafik: Sichtbarkeit des Regenbogens unter 42 Grad gegenueber der Sonne
Bildunterschrift Damit man die Erscheinung „Regenbogen“ sehen kann, müssen die Strahlen, die die Tropfen verlassen, ins Auge des Beobachters fallen. Da das Licht den Tropfen auf der Seite wieder verlässt, auf der es auch in ihn eintritt, sieht man Regenbögen nur mit der Sonne im Rücken.
Da die Strahlen die Tropfen unter einem Winkel von 42° gegenüber dem einfallenden Strahl verlassen, schneiden sie auch die Verbindungslinie zwischen Sonne und Beobachter unter 42°. Nur die Strahlen, auf die das zutrifft, treffen ins Beobachterauge und bilden den vom Beobachter zu sehenden Regenbogen – weshalb man diesen unter einem Winkel von 42° sieht.
Natürlich kommen auch aus Tropfen an anderen Orten (beispielsweise über dem Bogen) gebrochene Strahlen – diese treffen aber nicht in das Beobachterauge, tragen also nicht zum gesehenen Regenbogen bei (grauer Strahl ganz oben). Diesen Strahl sieht aber ein Beobachter (grau), der von einer höheren Position aus den Himmel beobachtet. Es sieht also jeder seinen ganz „persönlichen“ Regenbogen.
Und noch etwas sieht man in dieser Abbildung: Da der Regenbogen immer gegenüber der Sonne um den Sonnengegenpunkt zu sehen ist, sieht man ihn nur, wenn die Sonne tief genug steht. Bei hoch stehender Sonne verschwindet der Sonnengegenpunkt und mit ihm der Bogen zu tief hinter dem Horizont.Bildunterschrift Ende

Beim ersten Hinsehen ist es etwas verwirrend, dass in Abbildung 1 im Hauptbogen das rote Licht den Tropfen unterhalb des blauen verlässt, in Abbildung 2 der rote Bogen aber oberhalb des blauen liegt. Um das zu verstehen, muss man sich auch wieder klar machen, dass man nur sieht, was ins Auge fällt. Da das rote Licht den Tropfen weiter unten verlässt, geht es unterhalb des Beobachterauges vorbei, wenn das blaue Licht aus diesem Tropfen ins Auge fällt. Von diesem Tropfen sieht der Beobachter also nur das blaue Licht. Von einem weiter oben gelegenen Tropfen jedoch empfängt er das rote Licht. Diesmal geht aber das blaue Licht oberhalb an seinem Auge vorbei. Er sieht also aus dem oberen Tropfen rot, aus dem unteren blau – womit der rote Bogen außen, der blaue innen liegt (siehe Abbildung 2a).

Abb. 2a ¦ Farbreihenfolge im Regenbogen   Grafik: Entstehung der Farbreihenfolge fuer den Beobachter
Bildunterschrift Bildunterschrift Ende

Abb. 3 ¦ Regenbogen – Haupt- und Nebenbogen   Foto eines Regenbogens
Bildunterschrift Regenbogen mit Haupt- und Nebenbogen in Mönchhagen, Juni 2009. Leider sind die Farben auf dem Foto nicht so leuchtend wie in Wirklichkeit. Der Nebenbogen war ebenfalls in voller Breite zu sehen, auch wenn man ihn hier auf dem Foto auf der rechten Seite nur noch ahnen kann.Bildunterschrift Ende
Foto eines Regenbogens
Bildunterschrift Dieses Foto eines doppelten Regenbogens über Rostock wurde mir von Konrad Miegel zur Verfügung gestellt. Vielen Dank!Bildunterschrift Ende

Bei Abbildung 3 fällt auf, dass der Himmel zwischen den Bögen dunkler ist. Den dunklen Himmel zwischen den Bögen nennt man „Alexanders dunkles Band“.
Um das zu erklären, sehen wir uns die Entstehung des 42°-Winkels noch einmal genauer an. Wegen der großen Entfernung der Sonne trifft ihr Licht nahezu parallel in den Regentropfen ein. Nun ist die Oberfläche eines Tropfens aber gekrümmt, so dass jeder der parallel einfallenden Strahlen einen anderen Einfallswinkel hat. Entsprechend sind für jeden Strahl auch Brechungswinkel und Reflexionswinkel andere.
Der Strahl, der genau in der Mitte des Tropfens einfällt, geht ungebrochen durch die Oberfläche und wird an der Rückwand um 180° zurückgeworfen – anders ausgedrückt: in der Weise, wie hier die Winkel bezeichnet werden, ist der Winkel zwischen einfallendem und austretendem Strahl 0°. Betrachtet man nun die immer weiter oben in den Tropfen einfallenden Strahlen, nimmt der Winkel zwischen einfallendem und austretendem Strahl zunächst zu, dann wieder ab. Der größtmögliche Winkel beträgt 42° (dicker Strahl in Abbildung 4). Bei diesem Winkel häufen sich die austretenden Strahlen – unter 42° sieht man deshalb den Regenbogen. Bei zweifacher Reflexion beträgt dieser Häufungswinkel 51°.
Dieselbe Strahlenhäufung tritt natürlich auch für die Strahlen auf, die in die untere Tropfenhälfte einfallen. Die dazu gehörenden austretenden Strahlen werden aber nach oben abgelenkt – sie sind von der Erde aus nicht zu sehen.

Abb. 4 ¦ Zustandekommen des 42°-Winkels   Grafik: Strahlenhäufung bei 42°
Bildunterschrift Beim Durchlaufen des Tropfens wird das Licht durch zweimalige Brechung und Reflexion so abgelenkt, dass die meisten Strahlen den Tropfen unter einem Winkel von 42° (dicker schwarzer Strahl) gegenüber dem einfallenden Strahl verlassen. (Auf die Bedeutung der roten Strahlen wird weiter unten eingegangen.)Bildunterschrift Ende

In den Winkelbereich größer als 42° wird nach Einfachreflexion also kein Licht gebrochen. Entsprechendes gilt bei Zweifachreflexion – nur dass jetzt kein Licht in den Winkelbereich kleiner als 51° geworfen wird. In den Bereich zwischen 42° und 51° werfen die Tropfen also kein Licht, weshalb der Himmel hier dunkel ist.
Im Gegenzug ist der Himmel innerhalb des Hauptbogens aufgehellt (in Abbildung 3 vor allem am linken Ende des Bogens zu sehen). Diese Aufhellung wird von den Strahlen verursacht, die den Tropfen innerhalb des 42°-Winkels verlassen. Außerhalb des Nebenbogens gibt es im Prinzip auch eine solche Aufhellung, die ist aber zu schwach, als dass man sie wahrnehmen könnte. Eine Aufspaltung in Farben findet hier nicht statt, da das Licht hier nicht wie beim Maximalwinkel gebündelt wird, sondern Licht aller Farben „durcheinander“ gestreut wird und sich zu Weiß überlagert.

Abb. 4a ¦ Regenbogen in Wasserfallgischt   Foto eines Regenbogens in der Gischt eines Wasserfalls in Island
Bildunterschrift Dieser doppelte Regenbogen war ein vollständiger Kreis, was sich leider ohne extremes Weitwinkelobjektiv nicht fotografieren ließ. Einen kreisrunden Regenbogen an Wolken kann man nur vom Flugzeug aus beobachten, denn der untere Teil vom Bogen liegt unter dem Horizont, wenn man auf der Erde steht. Hier funktionierte das, weil die den Regenbogen erzeugenden Wassertropfen sich in wesentlich kürzerer Entfernung befanden, was einen kleineren Bogen zur Folge hat. (Nicht lachen – ich bin natürlich automatisch zurückgegangen, um einen besseren Blick auf den vollständigen Bogen zu bekommen, der sich genau bei meinen Füßen schloss … ziemlich erfolglos, wie man sich denken kann.) Bildunterschrift Ende
Abb. 4b ¦ Zur Größe der Bögen   Zeichnung zum Öffnungswinkel und zur Größe der Bögen
Bildunterschrift Regenbögen sind unter einem Winkel von 42° zu sehen, wie oben erläutert. Gegenstände unter demselben Sehwinkel sind kleiner, wenn sie in geringerer Entfernung auftreten (wie die Bögen in der Gischt eines Wasserfalls oder dem Wasser aus dem Gartenschlauch) und größer, wenn sie in großer Entfernung zu sehen sind wie die „echten“ Regenbögen auf Regenwolken.Bildunterschrift Ende

Überzählige Bögen

Der Regenbogen in Abbildung 3 hat auch so genannte „überzählige Bögen“ innerhalb des Hauptbogens, also für Winkel kleiner als 42°. Abbildung 5 zeigt diese noch einmal vergrößert. Damit scheint die Aussage, es gäbe innerhalb des Hauptbogens keine Farbaufspaltung, widerlegt. Aber bei den überzähligen Bögen handelt es sich nicht um ein Phänomen der Strahlenoptik, in dem bisherigen Bild zur Beschreibung des Regenbogens kommen diese gar nicht vor. Um das Zustandekommen der überzähligen Bögen zu erklären, müssen wir das Licht als Welle betrachten, da es sich bei den überzähligen Bögen um Interferenzeffekte handelt.

Abb. 5 ¦ Überzählige Bögen   Foto der überzähligen Bögen
Bildunterschrift Vergrößerung der überzähligen Bögen aus Abbildung 3. Der rote Bogen wiederholt sich noch zweimal.Bildunterschrift Ende

Exkurs – Modellbildung in der Physik
Was soll das heißen, dass die überzähligen Bögen in der Strahlenoptik nicht vorkommen? In der Physik versucht man, die Vorgänge in der Natur zu beschreiben. Um das zu tun, schafft man Modellvorstellungen. Eine solche Modellvorstellung der optischen Phänomene ist die Strahlenoptik, eine andere die Wellenoptik. In der Strahlenoptik stellt man sich Licht in Form von Strahlen vor. Diese Strahlen haben bestimmte Eigenschaften, wie die geradlinige Ausbreitung. Ob eine solche Modellvorstellung die Natur richtig beschreibt, erkennt man, wenn man anhand der Eigenschaften des Modells Vorhersagen macht und prüft, ob die Natur sich so verhält, wie das Modell es erwarten lässt. Man könnte also eine Wand mit einem Loch nehmen und sich überlegen, wie die Strahlen verlaufen, unter der Voraussetzung, dass sie sich geradlinig ausbreiten. Man stellt fest, dass sie sich durch das Loch hindurch ausbreiten, durch die Wand aber nicht. Auf einem Schirm entsteht also ein kreisförmiger Lichtfleck, darum herum herrscht Schatten. Die Annahme der geradlinigen Lichtstrahlen ist dadurch bestätigt. Sieht man genau hin, erkennt man jedoch, dass auch in den Schattenbereich Licht fällt. Das Modell der Strahlenoptik ist also offenbar nicht ausreichend. Um zu erklären, wie Licht an den Rändern des Loches aus seiner geraden Richtung abgelenkt wird, braucht man ein ausgefeilteres Modell, nämlich die Wellenoptik. In dieser fasst man Licht als Welle auf, die am Lochrand gebeugt wird. Welches Modell zweckmäßig ist, hängt davon ab, was man beschreiben will. Um die Bilderzeugung im Fernrohr oder Haupt- und Nebenbogen des Regensbogens zu erklären, ist die Strahlenoptik ausreichend – man muss es sich nicht komplizierter machen als nötig. Um aber die Entstehung einer Mondkorona oder der überzähligen Bögen zu beschreiben, muss man auf die Wellenoptik zurückgreifen.

Für eine einfache Veranschaulichung fassen wir also die in den Tropfen einfallenden Strahlen als Wellen auf. Die Strahlen – oder besser gesagt: Wellen – fallen wie gesagt parallel in den Tropfen ein. Außerdem suchen wir uns aus dem einfallenden Strahlenbündel in Abbildung 4 zwei Wellen aus, die zur Kugeloberfläche solche Winkel haben, dass auch die austretenden Wellen zueinander parallel sind (die rot gezeichneten Strahlen in Abbildung 4 – hier noch mal gezeigt – sind hierfür ein Beispiel).

Abb. 4 ¦ Zustandekommen des 42°-Winkels   Grafik: Strahlenhäufung bei 42°
Bildunterschrift Bildunterschrift Ende

Die parallel austretenden Wellen überlagern sich nun. Wenn zwei Lichtstrahlen sich überlagern, stellt man sich vor, dass sie insgesamt ein helleres Licht ergeben – wie das der Fall ist, wenn man das Licht zweier Taschenlampen kombiniert. Überlagern sich jedoch zwei Wellenzüge, muss das nicht unbedingt so sein. Eine Welle ist eine Abfolge von Wellenbergen und Wellentälern und dazwischen gibt es auch Punkte, wo der Wellenausschlag Null durchläuft. Was passiert, wenn sich zwei Wellen überlagern, hängt davon ab, ob beide gegeneinander versetzt sind oder nicht. Sind sie nicht gegeneinander versetzt (der Physiker sagt dann, sie haben keine Phasenverschiebung), trifft ein Wellenberg der einen genau auf einen Wellenberg der anderen. Dasselbe gilt für die Wellentäler. In diesem Fall verstärken sich die Wellen. Sind die Wellen jedoch genau so weit gegeneinander verschoben, dass ein Wellenberg der einen auf ein Wellental der anderen trifft, löschen sich beide genau aus.
Durch die runde Form des Tropfens gibt es innerhalb des Maximalwinkels viele Lichtwege, die unterschiedlich lang sind (einige davon zeigt Abbildung 4). Wenn also zwei Lichtwellen in den Tropfen einfallen, bei denen bspw. Wellenberge und Wellentäler genau übereinstimmen, muss das beim Austritt aus dem Tropfen nicht mehr so sein. Wenn bspw. die obere rote Welle einen längeren Weg zurücklegen muss als die untere, wird der Wellenberg der oberen gegenüber dem der unteren Welle verspätet hinter dem Tropfen ankommen. Die beiden Wellen schwächen sich also ab. Ist die Verspätung so groß, dass der Wellenberg genau auf das Wellental der unteren trifft, löschen sich die Wellen sogar aus. Andererseits kommt es wieder zur maximalen Verstärkung, wenn der obere Wellenberg so lange braucht, dass er hinter dem Tropfen auf den nächsten Wellenberg trifft.
Durch die Brechung im Tropfen entstehen also Lichtwege, für die es zur Verstärkung, und solche, für die es zur Auslöschung kommt. Wie viele Lichtwege mit Verstärkung es gibt – wie viele Helligkeitsmaxima es gibt – und unter welchem Winkel diese zu sehen sind, hängt davon ab, wie groß die Tropfen sind. Ist die Tropfengröße recht einheitlich, entstehen getrennt erkennbare Lichtmaxima – neben dem Hauptbogen sieht man dann auch innerhalb die überzähligen Bögen.

Abb. 5b ¦ Von der Strahlen- zur Wellenoptik   Strahlen und Wellen im Tropfen
Bildunterschrift Links: Drei exemplarische Strahlen im Tropfen. Die Strahlen fallen parallel ein und werden im Tropfen wie beschrieben gebrochen. Die größte Intensität (also das hellste Licht) findet man beim Maximalwinkel von 42°, für kleinere Ablenkwinkel werden die Intensitäten schwächer (dargestellt durch blassere Orangetöne).
Rechts: Hier wird das Licht als Welle betrachtet. Es fällt wiederum parallel ein. Das bedeutet, dass die Wellenberge und Wellentäler der einzelnen Wellenzüge zueinander in fester Phasenbeziehung stehen. Es werden der Einfachheit halber Wellenzüge betrachtet, bei denen Wellenberge und -täler genau gleichzeitig auftreten (angedeutet durch die schwarzen Zickzack-Linien). Jeder Pfeil stellt ein Wellenbündel aus Wellen dar, für das die Brechungswinkel gerade so hinkommen, dass das Bündel nach Durchgang durch den Tropfen weiterhin aus parallelen Wellen besteht. Jedes der Bündel hat als Ganzes jedoch einen anderen Winkel als die anderen. (Aus den Strahlen im linken Bild werden nun also Bündel von zwei Wellen.)
Nach Durchgang durch den Tropfen sind im dunkelgrün gezeichneten Wellenbündel die Wellenberge der einzelnen Wellen nach wie vor in Phase. Die Wellen verstärken sich daher – Helligkeit.
Im grauen Wellenbündel sind die Wellenberge der Wellen gerade so gegeneinander verschoben, dass Berg auf Tal trifft – die Wellen löschen sich aus – Dunkelheit.
Im hellgrünen Bündel sind die Wellen genau um eine Wellenlänge verschoben, das heißt die Wellenberge der einen Welle treffen auf die nächsten Wellenberge der anderen Welle – hier herrscht wieder Helligkeit.Bildunterschrift Ende
Abb. 5a ¦ Von der Strahlen- zur Wellenoptik   Strahlen und Wellen im Tropfen
Bildunterschrift Die Kurven zeigen die Intensitäten, wie sie entlang des gestrichelten schwarzen Pfeils in Abb. 5a gemessen würden.
Links: Strahlenmodell. Die Intensität nimmt mit abnehmendem Winkel ab; bei 42° ist sie am höchsten.
Mitte: Wellenmodell. Auch hier ist die Intensität bei 42 ° am höchsten und wird für kleinere Winkel schwächer. Hier nimmt sie jedoch nicht kontinuierlich ab, sondern durch die wechselnde Verstärkung und Abschwächung des Lichtes für verschiedene Winkel gibt es weitere Helligkeitsmaxima (von denen hier nur zwei gezeichnet sind).
Rechts: Zum Vergleich beide Intensitätsverteilungen übereinander gezeichnet.Bildunterschrift Ende

Ist die Tropfengröße sehr unterschiedlich, liegen die Lichtmaxima für jede Tropfengröße an einer anderen Position. Dann ist nur der helle Hauptbogen zu sehen. Das Licht der überzähligen Bögen verschwimmt ineinander und es sind keine getrennten Bögen erkennbar.

Genaueres zur Beugung und Überlagerung von Licht (man spricht hier von Interferenz) findet man auf der Seite: Beugung und Interferenz

Nebelbogen

Ob sich die Lichtwellen hinter dem Tropfen abschwächen oder verstärken, hängt natürlich auch von der Wellenlänge ab und damit von der Farbe des Lichtes. Kommt es für rotes Licht gerade so hin, dass sich zwei Wellen auslöschen, wird es für den blauen Anteil des Lichtes nicht der Fall sein. Dadurch entsteht die Aufspaltung in Farben. Wie stark die Aufspaltung ist, hängt von der Tropfengröße ab. Man kann also aus den Farben eines Regenbogens auf die Tropfengröße schließen. Sind die Tropfen sehr klein, werden die Ringe der einzelnen Farben sehr breit. Dadurch überlagern sich die einzelnen Farben, es entstehen keine getrennten Farbringe mehr. Die Farben mischen sich zu weiß. Weil Nebel aus sehr kleinen Tropfen besteht, sind Nebelbögen daher weiß.

Abb. 5c ¦ Nebelbogen   Foto eines Nebelbogens
Bildunterschrift Nebelbogen über der Ostsee, fotografiert von der Steilküste bei Ahrenshoop (Fischland). Man konnte am äußeren Rand eine schwache Gelbtönung erahnen.Bildunterschrift Ende

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Halo

Gelegentlich kann man um die Sonne Lichtkreise beobachten, so genannte Halos. Sie entstehen ganz analog zum Regenbogen – nur sind es hier nicht Regentropfen, sondern Eiskristalle, in denen das Licht gebrochen wird. Die Form der Kristalle sorgt dafür, dass man den Ring des Halo nicht wie den Regenbogen der Sonne gegenüber, sondern um die Sonne selbst sieht. Die Aufspaltung in die Farben ist schwächer und, wenn überhaupt, nur innen als bräunlicher Rand zu sehen.

Abb. 6a ¦ Halo in Island  
Bildunterschrift Bildunterschrift Ende
Die Eiskristalle, die Halos verursachen, entstehen meist in 8 bis 10 Kilometern Höhe. Cirruswolken bestehen aus Eiskristallen. Stehen also dünne Cirruswolken, durch die die Sonne noch hindurchscheinen kann, am Himmel, kann es zu Halos kommen. Für die Haloerscheinungen müssen die Kristalle möglichst gleichmäßig geformt sein, was am ehesten dann der Fall ist, wenn sie langsam wachsen, wenn also beispielsweise warme, feuchte Luft auf kalte Luft aufgleitet, wie beim Herannahen einer Warmfront. Beim Sinken richten sich die Eiskristalle so aus, dass der Luftwiderstand maximal wird, weshalb säulenförmige Kristalle sich „hinlegen“. (Diese Säulen sind nicht rund, sondern sechseckig im Querschnitt.) Den Lichtweg in solchen liegenden Säulen zeigt Abbildung 6: Der Strahl tritt durch eine Seitenfläche ein und durch die gegenüberliegende wieder aus und wird jedes Mal gebrochen.

Abb. 6 ¦ Brechung des Sonnenlichtes im Eiskristall   Grafik: Brechung des Sonnenlichtes im Eiskristall
Bildunterschrift In den sechseckigen, säulenförmigen Eiskristallen wird das Sonnenlicht so gebrochen, dass es bei einem Winkel von 22° zur Einfallsrichtung eine Häufung gibt. (Ein Strahl, der in der unteren linken Seitenfläche einfällt, verlässt den Kristall um 22° nach oben abgelenkt. In Abbildung 7 ist jeweils nur derjenige der beiden gezeichnet, der ins Beobachterauge fällt, da nur dieser zur Bildung des Halo beiträgt.) Bildunterschrift Ende

Die Strahlen verlassen die Eissäulen also unter einem Winkel von 22°. Andererseits sind aber alle Säulen unterschiedlich ausgerichtet. Dadurch bilden die Strahlen vom Beobachter aus gesehen einen vollständigen 22°-Kreis – weil es an jedem Punkt dieses Kreises passend ausgerichtete Säulen gibt.

Abb. 7 ¦ Sichtbarkeit des Halos unter 22°   Grafik: Sichtbarkeit des Halos unter einem Winkel von 22 Grad
Bildunterschrift Da man nur die Strahlen sieht, die direkt ins Auge fallen, diese aber die Eiskristalle unter einem Winkel von 22° verlassen, sieht man den Halo als Kreis unter einem Winkel von 22° um die Sonne. Bildunterschrift Ende
Abb. 8 ¦ Halo in Warnemünde   Foto eines Halos
Bildunterschrift Halo über Warnemünde. Da rotes Licht schwächer gebrochen wird als blaues, erscheint der Innenrand rötlich. Die Aufspaltung der Farben ist jedoch bei weitem nicht so deutlich wie beim Regenbogen.Bildunterschrift Ende

Sind die Eiskristalle keine Säulen, sondern Plättchen, dazu noch horizontal ausgerichtet und werden von der tief stehenden Sonne parallel zur Grundfläche bestrahlt, entsteht kein Kreis, sondern nur zwei Aufhellungen auf Sonnenhöhe im 22°-Abstand zur Sonne – die so genannten Nebensonnen. Da die Eisplättchen alle horizontal liegen, kann sich kein Kreis bilden – für diesen war ja Voraussetzung, dass die Säulenkristalle alle unterschiedlich ausgerichtet sind und so Licht von einem 22°-Kegelmantel ins Auge fällt. Bei den horizontalen Plättchen sind es nur zwei Punkte, aus denen Licht ins Beobachterauge gelangt – rechts und links der Sonne im 22°-Abstand.

Abb. 9 ¦ Sichtbarkeit der Nebensonnen unter 22°   Grafik: Sichtbarkeit der Nebensonnen unter einem Winkel von 22 Grad
Bildunterschrift Die Strahlen verlassen die Eisplättchen ebenfalls unter 22°. (Die Plättchen sind eigentlich sechseckig.) Da die Plättchen alle horizontal liegen, treffen aber nur die Strahlen aus denjenigen rechts und links von der Sonne ins Auge, es bildet sich also kein Kreis, sondern nur die beiden Nebensonnen.Bildunterschrift Ende

In Abbildung 10 sind die Nebensonnen als helle Flecken im Halo zu erkennen, bei genauerem Hinsehen sieht man auch die deutlichere Farbaufspaltung in den Nebensonnen.

Abb. 10 ¦ 22°-Halo mit Nebensonnen   Foto: Halo mit Nebensonnen
Bildunterschrift Halo mit Nebensonnen. Hier gibt es also genügend horizontal ausgerichtete Eisplättchen, aber auch viele mit anderer Ausrichtung, sodass beide Erscheinungen, Halo und Nebensonnen, auftreten können.
Bei diesem Foto musste ich ein wenig schummeln – da das Nachbarhaus immer einen Teil des Halos verdeckte, habe ich den einen Teil rechts vom Haus, den anderen links vom Haus fotografiert und beide in GIMP zusammenbastelt.Bildunterschrift Ende
Abb. 10b ¦ 22°-Nebensonnen   Foto: Nebensonnen
Bildunterschrift Hier sind die Nebensonnen und die Farbaufspaltung in ihnen sehr schön zu sehen. Nebensonnen haben nach außen oft einen hellen Schweif, den kann man hier jedoch nur erahnen. Der Abstand zwischen Nebensonnen und Sonne nimmt zu, wenn die Sonne höher steigt. Während er bei tiefstehender Sonne 22° beträgt (weshalb diese Nebensonnen auch 22°-Nebensonnen heißen), beträgt er bei einem Sonnenstand von 60° mehr als doppelt so viel – 45°.
Dieses Foto wurde mir dankenswerterweise von Arthur Glass zur Verfügung gestellt und zeigt Nebensonnen über dem Seehafen Rostock.Bildunterschrift Ende

Solche Halos treten auch um den Mond auf – diese sind zwar viel lichtschwächer, haben aber gerade wegen dieser Blässe ihren Reiz, sie wirken regelrecht gespenstisch.

Abb. 11 ¦ 22°-Halo um den Mond   Foto: Mondhalo
Bildunterschrift Ein Halo um den Mond in Namibia im August 2016. Ich habe aber auch schon einen bei uns im Dorf an der Ostseeküste gesehen, man muss also nicht unbedingt so weit reisen. Bildunterschrift Ende

Tritt der Lichtstrahl wie beim 22°-Halo durch eine Seitenfläche der Sechsecksäule ein, aber statt durch eine zweite Seitenfläche durch ihre Grundfläche aus, ergibt sich ein größerer Halo bei 46° um die Sonne. Dieser 46°-Halo tritt viel seltener auf als der 22°-Halo und ist meist nicht vollständig zu sehen, da Eiswolken, die einen genügend großen Himmelsbereich bedecken, selten sind. Schließlich gibt es auch noch Haloerscheinungen, die nicht auf Brechung, sondern auf Spiegelung beruhen, wie beispielsweise die Lichtsäule, die man manchmal über der Sonnenscheibe sieht. Diese Lichtsäule besteht aus Spiegelbildern der Sonne, die durch Reflexionen an Eiskristallen entstehen.

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Zirkumzenitalbogen

Eine weitere Haloerscheinung ist der Zirkumzenitalbogen.

Abb. 12 ¦ Zirkumzenitalbogen   Foto: Zirkumzenitalbogen
Bildunterschrift Dieses Foto wurde mir freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Dirk Steinbeck. Bildunterschrift Ende
Abb. 12 ¦ Zirkumzenitalbogen   Foto: Zirkumzenitalbogen
Bildunterschrift Dieses Foto wurde mir freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Karin Förster. Bildunterschrift Ende

Zirkumzenitalbögen heißen so, weil sie ein Stück eines Kreises um den Zenit sind – sie stehen also immer oberhalb der Sonne am Himmel und sind von ihr weg gekrümmt (statt um sie herum, wie der normale Halo). Ein Zirkumzenitalbogen berührt den 46°-Halo (sofern dieser gleichzeitig zu sehen ist) und tritt oft gemeinsam mit den 22°-Nebensonnen auf.
Zirkumzenitalbögen entstehen durch Lichtbrechung in liegenden Eiskristallplättchen.

Abb. 13a ¦ Entstehung des Zirkumzenitalbogens   Grafik: Blick 'von vorn'
Bildunterschrift Licht fällt auf die Oberfläche des liegenden Kristallplättchens, wird beim Eintritt und beim Austritt gebrochen und fällt dann ins Auge des Beobachters. Wird der Eintrittswinkel größer als 32,2°, kommt es an der Austrittsfläche (einer Seitenfläche des Eiskristalls) zur Totalreflexion, der Strahl kann das Auge des Beobachters nicht mehr erreichen. Deshalb ist der Winkel zum Zenit, unter dem man den Zirkumzenitalbogen auch nie größer als 32,2° (beide Winkel sind gleich groß) und ist nur bei tief stehender Sonne zu sehen (nämlich bei einem Sonnenstand unter 32,2°). Bildunterschrift Ende
Abb. 13b ¦ Entstehung des Zirkumzenitalbogens   Grafik: Blick 'von oben'
Bildunterschrift In dieser Grafik guckt man von oben – aus Richtung des Zenit – auf den Beobachter. Was wie eine rote Clownsnase aussieht, soll der Zenit sein; der Beobachter sieht von unten nach oben.
Lichtstrahlen fallen nun von der Sonne auf die sechseckigen Kristallplättchen, treten durch sie hindurch und fallen ins Auge des Beobachter (gelbe Strahlen) – oder eben nicht (graue Strahlen). (Die Brechung nach unten konnte ich in dieser zweidimensionalen Darstellung nicht übersichtlich darstellen und habe sie daher weggelassen.) Sehen kann der Beobachter die Haloerscheinung nur in den Richtungen, aus denen Strahlen in sein Auge fallen. Da sich die Sechsecke um ihre vertikale Achse drehen können, weisen die Austritts-Seitenflächen in alle möglichen Richtungen und für den Beobachter ergibt sich ein Kreisbogenstück.Bildunterschrift Ende
Abb. 14 ¦ Zirkumzenitalbogen   Foto: Zirkumzenitalbogen
Bildunterschrift Dieses Foto eines Zirkumzenitalbogens entstand am 7. Januar 2017 in Essen und wurde mir freundlicherweise von Frank Dupré zur Verfügung gestellt.Bildunterschrift Ende

© Wiebke Salzmann, Mai 2009

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