Halos, Höfe, Regenbögen - warum ist der Himmel blau ? Diese Seiten werden nicht mehr gepflegt. Die aktuelle Version finden Sie hier. Warum Optik der Atmosphäre ?  Da wir als Amateurastronomen am Boden eines über 300 km tiefen Luftmeeres wohnen und selten über 4-5 km  von der Erdoberfläche aufsteigen, ist es wichtig den Einfluß der Atmosphäre auf unsere Beobachtung zu kennen. Außerdem liefert die Lufthülle uns eine Vielfalt an faszinierenden Erscheinungen angefangen mit störenden, wie Szintilation und Refraktion, bis hin zu solchen mit großem visuellen Reiz wie Regenbögen, Halos, Höfen und vielen mehr.  Zuerst wird hier eine Einführung in die Physik des Lichtes gegeben, die für jemanden, der optische Instrumente benutzt recht sinnvoll ist und zum Verständnis der mannigfaltigen Effekte der Atmosphäre beiträgt. Anschließend wird das Verständnis eben dieser Effekte benutzt um die Erscheinungen in der Atmosphäre besser zu verstehen.  Physikalische Grundlagen Was ist Licht ? Das für uns wichtige Modell des Lichtes ist das der elektromagnetischen Welle . Hierbei beschreibt man Licht als Wellenvorgang ähnlich der Wasserwellen mit dem Unterschied, daß die Lichtausbreitung nicht an Materie gebunden ist und durch elektrische und magnetische Felder vor sich geht.  Eine wichtige Größe zur Charakterisierung von Wellen ist die Wellenlänge die anschaulich die Entfernung zweier Wellenberge oder -täler voneinander angibt. Die Wellenlänge bestimmt die Farbe des Lichtes die wir wahrnehmen. Kurze Wellenlänge ruft den Farbeindruck violett hervor, lange Wellenlänge den Eindruck rot. Die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes liegen zwischen etwa 380 nm und 780 nm (1 nm = 1 Nanometer = 10-9m = 1 Milliardstel Meter)  Das Spektrum des sichtbaren Lichtes: 380nm  780nm.  Wichtig sind die folgenden physikalischen Effekte:  Physikalische Effekte Reflexion Aus dem täglichen Leben ist bekannt, daß Licht von “spiegelnden” Flächen wie Glas oder Metalloberflächen zurückgeworfen, reflektiert wird. Für die Reflexion gilt die Gleichheit von Einfalls- und Ausfallswinkel, die man an ebenen Flächen leicht nachvollziehen kann. Im Gegensatz zu dieser “gerichteten” Reflexion erhält man an rauhen Flächen die sogenannte “diffuse” Reflexion, da eine rauhe Fläche aus vielen kleinen Ebenen besteht, die unterschiedlich orientiert sind und deshalb in unterschiedliche Richtungen reflektieren.  Brechung und Dispersion Fällt Licht auf die Grenzfläche zweier durchsichtiger Körper, so wird nur ein Teil reflektiert während der Rest in das Medium eindringt. Dabei tritt im allgemeinen eine Richtungsänderung des Lichtstrahls ein, die man als Brechung bezeichnet. Dies ist der Grund aus dem ein, ins Wasser gehaltener, Stab gebogen (gebrochen) erscheint.        Die geltenen Gesetzmäßigkeiten lauten:  n1 sin(a)=n2 sin(b)  n1/n2=c2/c1.  Hierbei sind die “c” die Lichtgeschwindigkeiten und die “n” die sogenannten Brechungsindices in den jeweiligen Medien.  Die Stoffe mit größerem Brechungindex bezeichet man als “optisch dichter”.  Fällt nun ein aus dem optisch dichterem Medium kommender Lichstrahl auf die Grenzfläche zum optisch dünnerem Medium, so kann er nur bis zu einem bestimmten Winkel austreten. Wird der Winkel größer, so wird der Lichtstrahl totalreflektiert (unten)      Die Brechnungsindices sind nun noch abhängig von der Wellenlänge. So wird blaues Licht im Glas stärker gebrochen als rotes.  Diese als “Dispersion” bezeichnete Erscheinung führt zum Regenbogen oder allgemein zum Spektrum mit der Farbenfolge Rot, Orange, Gelb, Grün,Blau und Violett.  380nm                                                   780nm        Beugung und Interferenz Fällt Licht (oder eine andere Art von Wellen) auf ein undurchsichtiges Hindernis, so ergibt sich erfahrungsgemäß ein mehr oder weniger scharfes Schattenbild. Dies trifft aber nur dann zu, wenn das Hindernis groß gegen die verwendete Wellenlänge ist (Abb. a). Sind die Abmessungen aber kleiner (c) oder gleich (b) der Wellenlänge, so gelangt auch Licht in den geometrischen Schattenraum. Dieses, als “Beugung” bezeichnete Phänomen ist im Zusammenhang mit der “Interferenz” z.B. bei den Haloerscheinungen von Bedeutung      Entgegen der Alltagsbeobachtung, daß zwei Glühbirnchen doppelt so hell leuchten wie ein einzelnes, existiert eine Abweichung von dieser Additivität. Diese wird als Interferenz bezeichnet und bewirkt, grob gesprochen, daß sich zwei Wellen gegenseitig auslöschen, wenn Wellenberg der einen Welle auf Wellental der anderen trifft oder, daß sich die Wellen verstärken, wenn sie sich phasengleich treffen. Die Auswirkungen dieser Effekte werden weiter unten diskutiert.  Die Erdatmosphäre Die Lufthülle der Erde besteht zu etwa 76% aus Stickstoff und zu 23% aus Sauerstoff. Den Rest teilen sich verschiedene Edelgase und Verbindungen wie Kohlendioxid und Wasserdampf. Ferner gibt es Dunst- und Aerosolpartikel die die Gesetze der Lichschwächung komplizieren.  Das Wettergeschehen spielt sich fast ausschließlich in der Troposphäre ab die in eine Höhe von etwa 10 km reicht. In den höheren Schichten sind noch vereinzelt Wolken (leuchtene Nachtwolken) zu finden. In etwa 100-200 km Höhe entstehen die Polarlichter.    Optische Erscheinungen der Atmosphäre Himmelsfarbe Die Tatsache, daß der Himmel blau erscheint (und nicht schwarz wie der Himmel den die Astronauten auf dem Mond sahen) sowie die langsame (und nicht schlagartige) Helligkeitsabnahme nach Sonnenuntergang erklären sich durch Streuung der Lichtes an den Molekülen der Luft und an Aerosolpartikeln.  Die reine Molekülstreuung ist wellenlängenabhängig. Sie wächst mit der vierten Potenz der Wellenlänge d.h. violettes Licht wird am stärksten gestreut (ca. 16 mal stärker als rotes Licht, das eine doppelt so große Wellenlänge als blaues Licht besitzt). Das der Himmel nun nicht violett, sondern blau aussieht liegt daran, das die Intensitätsverteilung des Sonnenlichtes und auch die Augenempfindlichkeit ein Maximum im grünen Bereich haben. Aus der Überlagerung der Intensitäts- und Empfindlichkeitskurven ergibt sich zwanglos die blaue Farbe des Himmels.  Blauer Tageshimmel über Norwegen Die rote Farbe der Sonne bei Sonnenuntergang erklärt sich ähnlich einfach. Das Licht hat einen langen Weg durch die Erdatmosphäre zurückzulegen. Die blauen Anteile werden gestreut, wodurch die Sonne rot erscheint. Besonders schöne Sonnenuntergänge mit tiefen Farben gibt es, wenn zusätzlich Staub oder Aerosolpartikel in der Atmosphäre vorhanden sind.   Die blaue Stunde Zu denken geben muß uns jedoch, warum der Himmel über uns nach Sonnenuntergang immer noch blau erscheint. Alle Lichtstrahlen haben doch einen langen Weg durch die Atmosphäre zurückzulegen. Müßte der Himmel über uns dann nicht genau so rot erscheinen wie in Richtung der untergegangenen Sonne? Die Lösung dieses Rätsels ist erst seit etwa 50 Jahren bekannt. Und zwar steht die Himmelsfarbe nach Sonnenuntergang mit der Ozonschicht der Erde in Zusammenhang. Die Ozonschicht umschließt unseren Planeten  in einer Höhe von 20-30 Kilometern und ist uns als Schutzschicht gegen die harte Ultraviolette Strahlung der Sonne bekannt. Im sichtbaren Spektralbereich hat sie allerdings auch eine bemerkenswerte Eigenschaft. Das Absorptionsspektrum des Ozons hat nämlich ein Maximum für Wellenlängen größer als 450nm (Blau). Es wirkt also als Blaufilter, der alle Farben außer der Farbe Blau schwächt. Kurz nach Sonnenuntergang ist die blaue Farbe des Himmels also ein direkter Beleg für die Existenz der Ozonschicht /12/.   Kurz nach Sonnenuntergang Richtung Westen: 2.2.2000, 17:45 MEZ Der Himmel im Horizontbereich ist Rot, während der Himmel in Richtung Zenit Blau erscheint. Dies ist die Wirkung der Ozonschicht der Erde, die in 20-30km Höhe liegt und als Blaufilter wirkt. Der Kondensstreifen des Flugzeuges reflektiert das Licht, daß ihn durch die Atmosphäre erreicht und erscheint aus den oben angegebenen Gründen Rot. Es fliegt mit 10km Höhe deutlich unterhalb der Ozonschicht, weshalb keine filternde Wirkung auftritt.

Die Rotfärbung der Sonne wird immer  stärker, je näher die Sonne dem Horizont  kommt, da der Weg des Lichtes durch die Atmosphäre immer länger wird.  Dadurch nimmt die Absorption zu und  die Färbung wird tiefer

Sonnenuntergang

 .
 

Die Entstehung der Dämmerungsfarben unter Berücksichtung des Einflusses von Staubpartikeln ist im Detail in /2/ beschrieben. Dort findet sich auch eine Abhandlung zum "Purpurlicht" das in einer bestimmten Phase der Dämmerung sichtbar wird. Diese Violettfärbung tritt einige Minuten nach Sonnenuntergang ein. Eine Bedingung ist jedoch, daß in der unteren Stratosphäre eine trübende Schicht von Aerosolpartikeln vorhanden ist. Diese Partikel stammen zum Beispiel von Vulkanausbrüchen weshalb sich nach solchen Ereignissen die Beobachtungen des Purpurlichtes häufen.

 

Purpurlicht einige Minuten nach Sonnenuntergang

Eine Stunde nach Sonnenuntergang -  das Purpurlicht verschwindet

 
 
 
 
 

Luftspiegelung und Fata-Morgana - Refraktion Die Dichte der Luft wird mit zunehmender Höhe geringer. Daraus folgt eine Abnahme der Brechzahl mit der Höhe.  Dringt nun ein Lichtstrahl in die Erdatmosphäre ein, so wird er fortlaufend gebrochen und legt somit eine gekrümmte Bahn zurück (s. Abb.)  Hiervon lebt das Phänomen der Refraktion, welches ein scheinbares Anheben der Gestirne am Horizont um etwa einen scheinbaren Sonnendurchmesser (0,5 Grad) bewirkt. Dies bedeutet, daß die Sonne die mit ihrem unteren Rand den Horizont berührt, geometrisch gesehen, schon untergegangen ist. Da die Refraktion mit der Höhe des Gestirns über dem Horizont schnell abnimmt ist die Sonne beim Auf- und Untergang abgeplattet, da der Oberrand nur z.B. 29´ (Bogenminuten) der Unterrand dagegen 30´angehoben werden.  Eine weitere Feinheit ergibt sich aus der Wellenlängenabhängigkeit des Effektes. Da die Anhebung der Strahlen im blauen Bereich stärker ist, sinkt der rote Anteil des oberen Sonnenrandes eher unter den Horizont als der grüne und der blaue. Der kurzwellige Teil ist einige Augenblicke länger zu sehen. Man sieht für einen Sekundenbruchteil den sogenannten “grünen Strahl”. Nicht etwa blau - da blaues Licht stärker gestreut wird und auch hier die Empfindlichkeiten des Auges und die Intensitätsverteilung des Sonnenlichtes eine Rolle spielen (siehe Himmelsblau)  In den Bereich der Refraktion gehören auch Luftspiegelung und Fata-Morgana.      Bei der Fata Morgana nimmt die Dichte mit der Höhe zu (über einer warmen Straße oder in der Wüste ist die Luft unten wärmer und damit weniger dicht als in der Höhe).  Der Lichtstrahl wird hierbei quasi reflektiert und man sieht ein Spiegelbild des Himmels oder eines Baumes wie in der Abbildung gezeigt.      Die Luftspiegelung entsteht durch Dichteabnahme der Luft mit der Höhe und die dadurch bewirkte Krümmung der Lichtbahn.  Im Beispiel würde die Luft nahe der Seeoberfläche unter bestimmten Bedingungen kühler sein als die höheren Luftschichten.       Szintillation Das als Szintillation bezeichnete Flackern der Sterne (schnelles Hell- und Dunkelwerden) wird durch Dichteschwankungen der Luft verursacht. Beobachtet man mit einem Teleskop großer Öffnung, sieht man nur ein geringeres Flackern, dafür bewegt sich aber das Sternenbildchen schnell hin und her. Durch einen Wirbelballen der Luft wird das Licht häufig neben die kleine Öffnung (Augenpupille !) abgelenkt - der Stern verschwindet kurzzeitig aus dem Blickfeld und wird damit dunkler gesehen. Ist die Öffnung der Optik größer so tritt zu jeder Zeit das gesamte Licht in die Optik ein - die Helligkeit bleibt praktisch konstant, dafür ändert sich der Ort des Sternenbildes. (siehe /8/)  Durch langsames vergrößern der Öffnung kann man also die Größe der Luftschlieren abschätzen. Sie liegt bei etwa 1-20 cm.        Durch die aufsteigende warme Luft des Kamins werden  starke Dichteschwankungen hervorgerufen.  Der Rand der Sonne erscheint unruhig.              Höfe und Ringe Höfe sind helle, oft farbige ringförmige Strukturen, die man zeitweilig um Sonne und Mond erkennt. Ihr Durchmesser liegt bei etwa 5 Grad was sie von den Halos unterscheidet, deren Durchmesser 22 Grad beträgt.  Die Höfe bestehen meist aus farbigen Ringen wobei die inneren bläulich und die äußeren rötlich erscheinen. Daran sieht man schon, daß es sich nicht um eine Erscheinung der Brechung handeln kann, da dort (bei dem hier in Frage kommenden Medium Wasser) kurzwelliges Licht stärker abgelenkt, also der blaue Ring außen liegen würde. Zur Erklärung wird Beugung und Interferenz herangezogen.  Wie in der Abbildung angedeutet, betrachtet man zwei Lichtbündel die von zwei Seiten eines Wassertröpfchens (oder Eiskristalls, Dicke b) kommen. Die Wellen dieser beiden Lichtbündel weisen, unter einem bestimmten Winkel, eine Phasenverschiebung einer halben Wellenlänge auf. Unter diesem Winkel würde die Intensität ein Minimum ergeben. Ein Maximum an Helligkeit (zwischen zwei Minima) entspräche der Stelle an der ein Ring liegt. Der zugehörige Öffnungswinkel des Rings errechnet sich aus der folgenden, leicht einzusehenden Formel.    Beugung an Wassertröpfchen oder Eiskristall  sin(a)=m*l/b sin(a)=(2*m+1)*l/(2*b) b=(2*m+1)/2 * l/sin(a)           Hof um den Mond  Der Öffnungswinkel hängt von der Größe der Teilchen und der Wellenlänge des Lichtes ab; mit abnehmendem Durchmesser der Tröpfchen und zunehmender Wellenlänge werden die Ringe breiter (roter Ring liegt außen).  Eine Abschätzung der Tröpfchengröße mit einer mittleren Wellenlänge von 500 nm und einem Ringdurchmesser von 6 Grad ergibt sich zu etwa 10 µm (Mikrometer=tausendstel mm).    Halos, Nebenmonde- und Sonnen, weiße Ringe Halos sind Ringe um Sonne und Mond mit einem Durchmesser von 22, seltener von 46 Grad. Die manchmal zu erkennenden Farben sind im Gegensatz zum Hof innen rot, weshalb es sich um eine Brechungserscheinung handeln muß.  Eiskristall Tatsächlich erfolgt die Brechung an kleinen Eiskristallen. Diese besitzen z.B. die in der obigen Abbildung gezeigte Form. Ein Lichtstrahl, der auf eine von solchen Eiskristallen gebildete Fläche auffällt, kann nur in einem größerem Winkel als 22 (bzw. 46) Grad wieder ausfallen. Dies folgt aus einer tiefergehenden Analyse des Durchgangs des Lichtes durch ein Prisma. Bei einem Einfallswinkel von 41 Grad erfährt das Licht seine minimale Ablenkung. Für jeden Winkel, der größer oder kleiner als diese 41 Grad ist, wird der Ausfallswinkel größer als 22 Grad, was zum Ring führt (entsprechend 68/46 Grad für den zweiten Halotyp).  Neben Sonne und Mond treten zuweilen auch noch weiße Ringe auf, die durch Reflexion des Lichtes an den Oberflächen der Eiskristalle entstehen. Diese Kristalle richten sich in ruhiger Luft nämlich parallel zueinander aus. Ist diese Ausrichtung sehr stark so sieht man nur noch helle Stellen neben Sonne oder Mond. Diese Erscheinungen werden Nebensonnen bzw. Nebenmonde genannt.  Auf diese Art entstehen auch Lichtsäulen die senkrecht zum Horizont durch die Mitte des Halos verlaufen.      Verschiedene Typen von Halos, Ringen, Bögen und Lichtsäulen.  Sonne oder Mond in der Mitte der Darstellung. Schöne Lichtsäule am 24.1.2000 Die Sonne befindet sich unterhalb des Horizontes.         Nebensonne am 7.4.2000       Regenbogen Die Theorie des Regenbogens kann man erheblich komplizierter beschreiben als die landläufige Erklärung. Letztere basiert bekanntlich darauf, daß ein Lichtstrahl in einen Regentropfen (als rund angenommen) eindringt, gebrochen, reflektiert und beim Austritt aus dem Tropfen in seine Spektralfarben zerlegt wird. Dieser Regenbogen hat einen Durchmesser von 42 Grad. Darüber hinaus existiert oft noch ein Nebenregenbogen der unter 52 Grad erscheint und eine umgekehrte Farbreihenfolge aufweist. Dieser entsteht durch zweimalige Reflexion im Tropfen.  Die Entstehung des Regenbogens Regenbogen durch Bewässerungssystem Doppelter Regenbogen am 21.9.1999 Doppelter Regenbogen am 21.9.1999 Doppelter Regenbogen am 26.9.1999     Diese Theorie ist jedoch zu oberflächlich um alle Erscheinungsformen des Regenbogens zu erklären. Weiterführende Ansätze, die Interferenz- und Streueffekte mit einbeziehen sind z.B. in /1/ zu finden.  Nicht alle Erscheinungen in der Atmosphäre sind leicht zu erklären.  Die in diesem Bild zu sehende rötliche Lichterscheinung wurde in der Nacht vom 30.5. auf den 31.5.1981 um 22:53 über dem westlichen Ruhrgebiet in östlicher Richtung beobachtet. Es war eine langsam orange aufleuchtende nebelartige, lange, dünne Leuchterscheinung, die, nachdem sie ihre Maximalhelligkeit erreicht hatte (vielleicht 1 mag), langsam schwächer wurde, auf schwachem Niveau blieb und dann wieder aufleuchtete, um danach zu verschwinden. Anschließend leuchtete die gleiche Erscheinung an einer anderen Stelle des Himmels wieder auf. Das erste Aufleuchten fand im Herkules, das zweite im Schwan statt (Foto). Sie bestand einige Minuten und verschwand dann langsam. Dies geschah lange vor der Zeit der Diskostrahler ist also hierdurch nicht erklärbar. Ein Hochofenabstich, wie damals noch häufig, ist es sicherlich  auch nicht, da dann die Cirruswolken auch beleuchtet sein müßten. Vielleicht findet ja einer der Leser eine Erkärungsmöglichkeit?  Die besten Hypothesen werde ich hier veröffentlichen Mittlerweile gibt es eine vielversprechende Erklärungsmöglichkeit für das Phänomen und sogar noch viele andere fotografische Beobachtungen. Und zwar scheint es sich hierbei um obere Lichtsäulen an künstlichen Leuchtkörpern zu handeln die durch Lichtbrechung an Eiskristallen in der Hochatmosphäre zustande kommen. Einige schöne Fotos und ein detaillierter Erklärungsversuch ist in /10/ zu finden.  In /11/ findet sich ein Bild und eine Berechnungssoftware für Lichtsäulen. Schluß Diese Liste optischer Erscheinungen in der Atmosphäre ist bestimmt noch nicht vollständig. Detailliertere Betrachtungen findet man in der angegebenen Literatur wobei besonders /2/, /3/ /6/ und /9/ viele schöne Fotos enthalten.  Literatur: /1/ Bergmann-Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III - Optik  /2/ Kurt Bullrich, Die farbigen Dämmerungserscheinungen  /3/ Time-Life “Die Atmosphäre” aus der Reihe “Der Planet Erde”  /4/ Walter Tape “Die Topologie von Luftspiegelungen” Spektrum der Wissenschaft 8´85  /5/ Paul Ahnerth “Kalender für Sternfreunde 1985”, Seite 171f  /6/ Robert Greenler, Rainbows, Halos, and Glories  /7/ M. Minnaert, “The nature of Light & Colour in the open air”  /8/ Georg Dittie, Die Luftunruhe, Astro-Kurier 1,2 1989, S.12ff  /9/ Homepage der VDS-Fachgruppe "Atmosphärische Erscheinungen" /10/ Erklärung des "unbekannten Phänomens" /11/ Sky & Telescope Mai 1999, S. 70ff /12/ Götz Hoeppe, "Blau  - Die Farbe des Himmels"