Vorkommen - Chronologie - Anwendung von Regenbogen

Vorkommen

Natürliche Regenbögen entstehen meist dann, wenn nach einem Regenschauer der Himmel schnell aufklart und die tief stehende Sonne das abziehende Niederschlagsgebiet beleuchtet. In gemäßigten Klimazonen mit einer westlichen Vorzugswindrichtung wie in Mitteleuropa sind diese Bedingungen häufig am späten Nachmittag im Anschluss an ein Wärmegewitter erfüllt. Zu diesen kommt es meist bei Kaltfrontaufzügen, wobei am Vormittag im Mittel weniger Regen fällt als am Nachmittag, was auch die dann höhere Wahrscheinlichkeit bedingt auf einen Regenbogen zu treffen.

Im Sommer ist um die Mittagszeit herum kein Regenbogen zu beobachten, da die Sonne hierfür zu hoch steht. Im Winter besteht aber auch hier die Möglichkeit zumindest einen flachen Regenbogen anzutreffen.

Unabhängig davon kann ein Regenbogen recht häufig in einem Sprühnebel beobachtet werden, vor allem bei Springbrunnen, Sprinklern und Wasserfällen. Da Regenbögen hier nicht auf ein Niederschlagsereignis angewiesen sind, kann man sie auch viel einfacher und regelmäßiger vorfinden.

Bei gutem Wetter ohne bewölkten Himmel kann somit jeder selbst einen Regenbogen machen. Diese künstlich gemachten Regenbögen sind genau dieselben wie die natürlich vorkommenden, mit dem einzigen Unterschied der Größe auf der Reflexionsfläche. Um den Scheitelpunkt des Regenbogens zu finden, muss man dabei seinen Blick in Richtung des eigenen Schattens richten.

Bei entsprechendem Sonnenstand ist die Beobachtung von Regenbogen-Fragmenten auch in der Gischt von größeren Wellen möglich.

Chronologie der theoretischen Erklärungsmodelle

Der Regenbogen beflügelt nicht nur die Fantasie des Menschen, die verschiedenen Erklärungsversuche haben auch den Erkenntnisprozess in der Physik und dort speziell in der Optik wesentlich vorangetrieben.

Die physikalische Erklärung der Entstehung des Regenbogensgeht im Wesentlichen auf eine von René Descartes im Rahmen seiner Essais Philosophiques 1637 veröffentlichte Abhandlung zurück. Er griff darin die bereits um 1300 von Dietrich von Freiberg entwickelte Idee auf, wonach ein Regenbogen durch die Brechung von Sonnenstrahlen innerhalb einzelner Tröpfchen erklärbar sein muss. Descartes beschrieb den korrekten Strahlengang und formulierte die Maximumsbedingung unter Verwendung des zuvor von Willebrord Snell entdeckten Brechungsgesetzes. Er versuchte sich auch an einer Herleitung des Snellius'schen Gesetzes, die aber - wie viele seiner naturwissenschaftlichen Beiträge - im Ergebnis richtig, im Vorgehen jedoch grundlegend falsch war. Der korrekte Beweis wurde kurze Zeit später sowohl von Christiaan Huygens als auch von Pierre de Fermat nachgeliefert. Aus dem Jahre 1700 stammt eine den Regenbogen betreffende Arbeit von Edmond Halley. Hingegen brachte erst Isaac Newtons Theorie des Lichtes von 1704 die Dispersion ins Spiel und machte so die Farbenpracht verständlich.

War es zu Newtons Zeiten noch Thema kontroverser Diskussionen, ob Licht nun korpuskularen oder wellenartigen Charakter besitze, so war auch hier der Regenbogen ein wichtiger Ideengeber. Das Rätsel der überzähligen Bögen veranlasste 1801 Thomas Young zur Durchführung seines berühmten Doppelspaltexperimentes. Er wies damit die Wellennatur des Lichtes nach und konnte im Gegenzug 1804 das Geheimnis durch die Betrachtung von Interferenzerscheinungen lüften.

Youngs Theorie wurde 1849 von George Biddell Airy weiter verfeinert. Er erklärte die Abhängigkeit des exakten Farbverlaufs von der Tröpfchengröße. Die eigens entwickelten mathematischen Verfahren spielen im Rahmen der WKB-Näherung noch heute eine wichtige Rolle für die moderne Quantenmechanik.

Moderne physikalische Beschreibungen des Regenbogens und ähnlich gearteter Probleme basieren im Wesentlichen auf der von Gustav Mie 1908 entwickelten und nach ihm benannten Theorie der Mie-Streuung.

Anwendung in der optischen Messtechnik

Der Regenbogenwinkel hängt - wie oben beschrieben - bei kugeligen Flüssigkeitströpfchen nicht von der Tropfengröße ab, sondern lediglich von der Brechzahl. Diese wiederum ist bei einer bestimmten Wellenlänge eine temperaturabhängige Materialkonstante der tropfenbildenden Flüssigkeit.

Deshalb kann durch Messung des Regenbogenwinkels, unter dem monochromatische Laserstrahlung von einem Nebel reflektiert wird, die Temperaturverteilung innerhalb des Nebels berührungslos bestimmt werden, falls - wie in technischen Anlagen meist der Fall - bekannt ist, welche Flüssigkeit den Nebel bildet. (Quelle: Wikipedia)