Brechung des Lichtes in der Atmosphäre

Bevor das Sonnenlicht auf die Erdoberfläche und in unsere Augen trifft, muss es die Atmosphäre durchqueren. Wann immer Licht durch Materie hindurchgeht, wird es von ihr beeinflusst – es kann geschwächt oder aus seiner Richtung abgelenkt werden. Zwar gehen wir im Allgemeinen davon aus, dass die Sonne auch tatsächlich dort am Himmel steht, wo wir sie sehen – das muss aber nicht so sein. Luft hat genau wie Wasser einen Brechungsindex. Dieser ist aber nicht über die ganze Atmosphäre konstant – er ändert sich mit der Dichte der Luft. Daraus folgt, dass sich der Brechungsindex mit der Höhe ändert – und zwar wird mit zunehmender Höhe und damit abnehmender Luftdichte der Brechungsindex kleiner, die Luft also optisch dünner.
Nun ist es bei der Luft (meist) nicht so, dass die Lichtstrahlen auf feste Grenzflächen zwischen Schichten hohen und niedrigen Brechungsindexes stoßen, wie dies beim Auftreffen auf eine Wasserfläche der Fall ist. Der Brechungsindex in der Luft ändert sich nicht schlagartig wie an einer solchen Grenzfläche, sondern allmählich. Es ist, als wären sehr viele, sehr dünne Schichten übereinandergestapelt, deren jede einen etwas anderen Brechungsindex hat als die vorhergehende und eine entsprechend kleine Richtungsänderung beim Strahl bewirkt. Das bewirkt eine Krümmung des Lichtstrahles, was beispielsweise dazu führt, dass wir die Sonne noch am Horizont sehen, wenn sie bereits unter diesem verschwunden ist und ein direkt von ihr ausgehender Lichtstrahl nicht mehr in unser Auge fallen könnte.

  Abb. 1 ¦ Brechung in der Atmosphäre  

Bildunterschrift Tritt ein Lichtstrahl nacheinander durch mehrere Schichten, von denen jede einen etwas höheren Brechungsindex hat als die vorhergehende, wird er jedesmal ein Stück zum Lot hin gebrochen. Nimmt man immer mehr und immer dünnere Schichten, die sich im Brechungsindex immer weniger unterscheiden, erhält man einen sich kontinuierlich ändernden Brechungsindex und einen gekrümmten Strahl.Bildunterschrift Ende

  Abb. 2 ¦ Brechung in der Atmosphäre  

Bildunterschrift Da der Brechungsindex in der Atmosphäre nach unten kontinuierlich höher wird, verlaufen die Lichtstrahlen in der Atmosphäre gekrümmt. Steht die Sonne bereits unter dem Horizont (orange), können Strahlen, die auf direktem Weg ins Auge des Beobachters fallen würden (orange, gestrichelt), dieses nicht mehr erreichen, da die Erde „im Weg“ ist. Da die Strahlen beim Eintritt in die Atmosphäre (blaue gestrichelte Linie) jedoch gekrümmt werden, erreichen sie trotzdem den Beobachter (orange, durchgezogen). Das Gehirn weiß aber nichts vom gekrümmten Verlauf der Strahlen, deshalb verlängert es den eintreffenden gekrümmten Strahl geradlinig nach hinten und man sieht die Sonne an einer Position noch oberhalb des Horizontes (violett).Bildunterschrift Ende

Lichtbrechung und Sonnenform

Kurz nach Sonnenaufgang (beziehungsweise kurz vor Sonnenuntergang), wenn die Sonne nur wenig über dem Horizont steht, ist sie scheinbar zu einem „Ei“ verformt. Das kann man am besten beobachten, wenn sie durch eine dünne Wolkenschicht scheint und ihre Umrisse klar erkennbar sind. Mit zunehmender Höhe über dem Horizont wird die Sonnenscheibe dann immer kreisförmiger. Auch dieser Effekt ist auf die Brechung des Lichtes und den unterschiedlichen Brechungsindex in der Atmosphäre zurückzuführen.

Die noch nicht aufgegangene Sonne ist wie oben beschrieben ja aufgrund der Brechung bereits über dem Horizont zu sehen; sie wird also scheinbar „nach oben“ verschoben. Da der Brechungsindex nach unten größer wird, wird auch dieser Effekt des scheinbaren „Nach-oben-schiebens“ größer, je weiter unten, also je dichter am Horizont die Sonne steht. Das führt dazu, dass der untere Sonnenrand stärker „angehoben“ wird als der obere und die Sonne so „zusammengedrückt“ wird.

  Abb. 3 ¦ Ovale Form der Sonne kurz nach Sonnenaufgang  

Bildunterschrift In dieser Fotomontage ist die Sonne zweimal zu sehen – einmal etwa 3 Minuten nach Sonnenaufgang (der war um 5 Uhr 51 Minuten Sommerzeit) und einmal ungefähr 6,5 Minuten nach Sonnenaufgang. (Die Zeiten entstammen unterschiedlichen Quellen – die Zeiten der Aufnahme stammen von der Kamera, die Zeit des tatsächlichen Sonnenaufgangs aus den Berechnungen der Wetterstation meines Mannes. Sie sind also nicht hundertprozentig vergleichbar. Es handelt sich bei diesen Zeiten um Sommerzeit.)Bildunterschrift Ende

Nun können in der Atmosphäre aber noch andere Änderungen des Brechungsindexes auftreten als die Änderung mit der Höhe. Der Brechungsindex ist von der Dichte der Luft abhängig, die wiederum von der Temperatur abhängt. Wärmere Luft hat eine niedrigere Dichte als kalte und demzufolge einen niedrigeren Brechungsindex als kältere Luft.
Gibt es Schichten wärmerer oder kälterer Luft, haben diese also verschiedene Brechungsindizes und beeinflussen den Strahlenweg entsprechend. Das führt zum Phänomen der Luftspiegelungen.

Untere Luftspiegelung

Den Effekt, dass die Straße vor einem nass wirkt, obwohl sie es nicht ist, kennt jeder. Man sieht Spiegelbilder der Landschaft oder des Himmels und das Gehirn interpretiert die spiegelnde Fläche als Wasser, weil spiegelnde Flächen in der Natur nun mal in der Regel Wasserflächen sind. Es handelt sich jedoch um Spiegelungen an Luftschichten, den Luftspiegelungen.

  Abb. 4a ¦ Luftspiegelungen in der Atacama/Chile  

Bildunterschrift Zwar hatten wir in der Atacama-Wüste tatsächlich Regen – dies hier sind aber Luftspiegelungen, die Straße ist trocken.Bildunterschrift Ende

Auf demselben Effekt beruhen die „schwebenden Halligen“, die uns bei einem Ausflug von Husum zur Hallig Hooge fasziniert haben. (Die Bildqualität ist leider nur mäßig.)

  Abb. 4b ¦ Schwebende Halligen  

Bildunterschrift Die Halligen vor Husum scheinen über dem Watt zu schweben. Vor allem bei der größten in der Mitte sieht man unter der Hallig selbst ihr auf dem Kopf stehendes Spiegelbild.Bildunterschrift Ende

Das Watt lag zu diesem Zeitpunkt fast trocken, das Wasser hatte erst begonnen, wieder zu steigen. Die trockene Landfläche des Watts konnte sich in der Sonne (es war Mitte Mai und ein sehr heißer Tag) stark aufheizen, wodurch sich auch die Luftschicht direkt darüber aufheizte. In dieser Schicht ist der Brechungsindex also niedriger als auf Augenhöhe des Beobachters. Strahlen, die von den Halliggebäuden ausgehen, treffen von oben auf diese Luftschicht mit niedrigem Brechungsindex und können bei passendem Winkel an dieser Schicht totalreflektiert werden.

Der Effekt der Totalreflexion tritt auf, weil Strahlen beim Eintritt in ein optisch dünneres Medium vom Lot weggebrochen werden. Ist der Einfallswinkel groß genug, wird der Brechungswinkel so groß, dass die Strahlen wieder in das dichtere Medium zurückgebrochen werden.

  Abb. 5 ¦ Totalreflexion  

Bildunterschrift Tritt ein Strahl in ein optisch dünneres Medium ein (blau) wird er vom Lot (gestrichelt) weg gebrochen (links). Wird der Einfallswinkel flacher, kommt es irgendwann dazu, dass der gebrochene Strahl genau in der Grenzfläche verläuft (Mitte). Bei noch flacheren Einfallswinkeln wird der Strahl vollständig in sein Ausgangsmedium zurückgebrochen – also totalreflektiert (rechts).Bildunterschrift Ende

Von den Halligen und den darauf befindlichen Gebäuden treffen also nicht nur die direkten Strahlen beim Beobachter ein, sondern auch solche, die an der optisch dünneren (wärmeren) Luftschicht totalreflektiert wurden. Die direkten Strahlen lassen den Beobachter die Halligen ganz normal sehen, wie sonst auch. Die totalreflektierten Strahlen kommen in der „Programmierung“ des Gehirns nicht vor, sie werden wieder geradlinig nach hinten verlängert. Das führt dazu, dass man ein umgekehrtes Spiegelbild unter der echten Hallig sieht. Andererseits können Strahlen, die von den unteren Bereichen der Halligen ausgehen, das Auge des Beobachters aufgrund der Brechung gar nicht erreichen – womit er sie auch nicht sehen kann. Durch die Brechung in der warmen Luftschicht werden sie nach oben abgelenkt, weshalb man nur die oberen Bereiche, also die Warften und Häuser, sieht, diese dafür aber doppelt. Und man erhält den Eindruck, dass diese schweben.

  Abb. 6 ¦ Prinzip der unteren Luftspiegelung  

Bildunterschrift Oben: Die von einem Objekt ausgehenden Strahlen gelangen nicht nur auf direktem Weg zum Beobachter (schwarz), sondern auch nach Totalreflexion an einer bodennahen warmen Luftschicht (hellgrau: warme Luftschicht; rot: totalreflektierte Lichtstrahlen). Die Strahlen vom Fuß des Objektes werden nach oben totalreflektiert (blau) und können vom Beobachter daher nicht gesehen werden. Den unteren Teil des Hauses sieht der Beobachter also nicht (schraffiert). Unten: Da das Gehirn eintreffende gekrümmte Strahlen geradlinig nach hinten verlängert (grün), sieht man ein umgekehrtes Spiegelbild unter dem Objekt. Auch von diesem fehlt der untere Teil (der aber natürlich oben liegt). Das Spiegelbild schließt direkt an das Original an.Bildunterschrift Ende

  Abb. 6a ¦ Prinzip der unteren Luftspiegelung  

Bildunterschrift Von einem Punkt des Gegenstandes trifft der blaue Strahl direkt ins Auge. Es gehen aber noch jede Menge weiterer Strahlen von diesem Gegenstandspunkt aus, die nicht ins Auge treffen. Von denen, die vom Gegenstandspunkt aus nach unten laufen, werden einige an der warmen Luft über dem Boden totalreflektiert und können bei passendem Winkel so von unten ins Auge fallen. Dort, wo sich die Verlängerungen der ins Auge fallenden Strahlen schneiden, sieht man den Spiegelpunkt scheinbar unterhalb des Bodens.Bildunterschrift Ende

Eine solche Spiegelung an einer am Boden liegenden warmen Luftschicht nennt man eine untere Luftspiegelung.

Obere Luftspiegelung

Zu einer oberen Luftspiegelung kommt es, wenn es in der Atmosphäre so genannte Inversionsschichten gibt. In einer Inversionsschicht kehrt sich die Richtung der Temperaturänderung um – statt mit der Höhe abzunehmen, nimmt die Temperatur zu. Damit liegt über der unten liegenden kalten Luft (mit großem Brechugnsindex) eine Schicht warmer Luft (mit kleinem Brechungsindex). In diesem Fall werden nun also die Strahlen, die von einem Objekt nach oben gehen und normalerweise deshalb nie bei einem auf dem Boden befindlichen Beobachter ankommen würden, nach unten gekrümmt. Wieder verlängert das Gehirn den Strahlenverlauf geradlinig nach hinten und man sieht ein Bild des Objektes oberhalb des realen Objektes. Je nach Krümmung kann dieses Bild aufrecht oder auf dem Kopf stehen.

  Abb. 7 ¦ Prinzip der oberen Luftspiegelung  

Bildunterschrift Strahlen, die vom Objekt nach oben laufen (rot, gestrichelt), würden normalerweise nicht beim Beobachter ankommen, wenn dieser auf dem Boden steht. Liegt aber in größerer Höhe eine optisch dünnere Luftschicht (hellgrau), können diese Strahlen an ihr totalreflektiert werden und auf diese Weise doch vom Beobachter wahrgenommen werden (rot, durchgezogen). Auch diesmal verlängert das Gehirn die Strahlen geradlinig nach hinten (grün). Der Beobachter sieht dann neben den direkt vom Objekt bei ihm ankommenden Strahlen (schwarz) auch diese totalreflektierten Strahlen und damit neben dem Objekt selbst auch ein Spiegelbild über dem Objekt.Bildunterschrift Ende

Dieses Schiff beispielsweise „schleppt“ ein auf dem Kopf stehendes zweites Schiff mit sich herum. (Da wir leider keine Profi-Fotoausrüstung mitgeschleppt haben, hat diese Zufallsaufnahme auf der Ostsee vor der Rostocker Heide nur eine schlechte Qualität.)

  Abb. 8 ¦ Ein Schiff mit seinem umgekehrten Spiegelbild  

Bildunterschrift Über dem Schiff ist ein umgekehrtes Spiegelbild des Schiffes zu sehen. Dies ist ein Beispiel für eine obere Luftspiegelung.
Foto: Frank LorenzBildunterschrift Ende