Physics 4 you Oberstufenaufgabe
Over the Rainbow
Bei diesem Rätsel nehmen wir den Song "Over the Rainbow" wörtlich. Regenbögen entstehen, wenn Sonnenlicht an einem Wassertropfen gebrochen und zu dir reflektiert wird. Das reflektierte Licht wird dabei in seine Spektralfarben aufgespalten und so siehst Du einen schönen, bunten Regenbogen.
Natürlich hast Du eine klare Vorstellung davon, wie ein Regenbogen aussieht. Es gibt allerdings viele verschiedene Arten von Regenbögen,
die manchmal von der typischen Form abweichen. Ob und wie Du einen Regenbogen siehst, hängt stark vom Ort deiner Beobachtung ab.
Hast Du dich zum Beispiel einmal gefragt wie ein Regenbogen aus der Luft aussieht. Nach ein wenig Knobeln kommst Du sicher auf die Lösung.
Over the Rainbow
Wie sieht ein Regenbogen aus der Luft betrachtet aus (z.B. aus einem Flugzeug)?
- Kreisrund
- Wie auf dem Boden, nur andersherum
- Wie auf dem Boden
- Es gibt keinen
Lösung:
Betrachtest Du einen Regenbogen aus der Luft, zum Beispiel aus einem Flugzeug, so erscheint dieser kreisrund.
Um das zu verstehen müssen wir uns überlegen, wie so ein Regenbogen überhaupt entsteht.
Wenn es regnet und Licht auf die Wassertropfen trifft, wird es am Wassertropfen gebrochen und spektral zerlegt. Das zugrundeliegende Prinzip gleicht dabei dem eines Prismas.
Innerhalb des Wassertropfens wird der gebrochene Lichstrahl reflektiert, bis er den Tropfen schließlich wieder verlässt. Der Winkel zwischen einfallendem und austretendem Strahl beträgt dabei stets 42°.
Gemäß des Snelliusschen Brechungsgesetzes hängt der maximale Einfallswinkel, bis zu dem ein Lichtstrahl an einer Grenzfläche zweier Medien reflektiert wird, vom Verhältnis der Brechungsindizes beider Medien ab.
Im Falle des Regenbogens ist dieses Verhältnis durch die Brechungsindizes von Wasser und Luft gegeben und damit für alle Regenbögen gleich.
Das Reflektionsverhalten des Lichts im Wassertropfen ist auch dafür verantwortlich, dass Regenbögen nicht zu jeder Tageszeit beobachtet werden können. Steht die Sonne höher als 42° ist ein Regenbogen vom Boden aus nicht zu sehen.
Fliegst Du mit einem Flugzeug und betrachtest von dort eine Regenwand, werden die Lichtrahlen der Sonne rings um dich rum an den Wassertropfen gebrochen und in deine Richtung reflektiert. Folglich siehst Du vom Flugzeug aus einen kreisrunden Regebogen.
Kleiner Bonus :)
Zusätzlich zum "normalen" Regenbogen kann es passieren, dass du einen Nebenregenbogen unter dem Hauptbogen beobachtest. Dieser Bogen entsteht, wenn das Licht mehrfach im Wassertropfen reflektiert wird. Da diese Mehrfachreflektion verhältnismäßig seltener passiert, erscheint dieser Nebenregenbogen immer ein wenig schwächer als der Hauptbogen.