Regenbogen

Der Regenbogen ist wohl die bekannteste atmosphärische Erscheinung. Jeder hat ihn schon einmal gesehen, allerdings meist zufällig. Wer gezielt nach einem Regenbogen Ausschau halten will, der muss die Bedingungen kennen unter denen ein Regenbogen auftritt und wissen, an welcher Stelle des Himmels er zu finden ist. Der Regenbogen ist ein Teil eines Kreisbogens mit einem Radius von 42° um den Sonnengegenpunkt. An der Außenseite ist er rot. Darauf folgt Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett mit fließenden Übergängen. Ein Regenbogen ist nur sichtbar, wenn bei Regen die Sonne scheint. Zusätzlich muss auch die Sonnehöhe weniger als 42° betragen. Falls die Sonne höher steht, befindet sich der Sonnengegenpunkt mehr als 42° unterhalb des Horizontes, so dass der Regenbogen nicht über den Horizont ragt. Bei uns steigt die Sonne im Sommer bis an die 60° hoch. Daher wird man im Sommer um die Mittagszeit nie einen Regenbogen sehen können. Die besten Beobachtungsbedingungen herrschen daher in den Abend- und Morgenstunden, in denen der Regenbogen besonders hoch über dem Horizont steht. In den Wintermonaten steigt die Sonne dagegen nie höher als 42°, so dass den ganzen Tag über ein Regenbogen entstehen kann. Generell kann man sagen, dass der Regenbogen um so höher ist, je tiefer die Sonne steht. Steht die Sonne höher als 42°, ist der Hauptregenbogen nicht mehr sichtbar. Das richtige "Regenbogenwetter" stellt sich ein, wenn eine Kaltfront aufzieht. Dann kommt es immer wieder zu kurzen Schauern mit anschließender Aufheiterung (Aprilwetter). Auch bei Gewitterschauern im Sommer klart der Himmel sehr schnell wieder auf, so dass mit einem Regenbogen zu rechnen ist. Besonders gute Voraussetzungen sind am späten Nachmittag gegeben. Dann steht die Sonne so tief, dass sie nicht von den letzten Regenwolken über dem Beobachter verdeckt wird. Zudem regnet es abends häufiger als in den Morgenstunden. Daher werden auch die weitaus meisten Regenbögen in den Stunden vor Sonnenuntergang beobachtet. Sind die Voraussetzungen für das Entstehen eines Regenbogens erst einmal erfüllt, muss man noch wissen, wo der Regenbogen zu sehen ist. Dabei gilt, dass der Scheitelpunkt des Regenbogens immer genau gegenüber der Sonne zu sehen ist. Wenn man glaubt, dass ein Regenbogen am Himmel stehen könnte, schaut man einfach in Richtung seines Schattens. In dieser Richtung ist dann der Scheitel des Regenbogens zu finden. Je tiefer die Sonne steht, um so höher ist der Scheitelpunkt. Rechts und links davon sind die Füße des Regenbogens zu sehen. Die Spannbreite des Regenbogens ist wiederum nur vom Sonnenstand abhängig. Je tiefer die Sonne, um so breiter der Regenbogen. Kurz vor Sonnenuntergang misst der Durchmesser des Regenbogens 84°. Zusätzlich zum Hauptregenbogen mit 42° Radius ist manchmal noch ein Nebenregenbogen mit einem Radius von 51° um den Sonnengegenpunkt zu sehen. Dieser hat die umgekehrte Farbreihenfolge wie der Hauptregenbogen. Manchmal erkennt man auch, dass der Bereich innerhalb des Hauptregenbogens heller ist als der Bereich zwischen Haupt- und Nebenregenbogen. Den dunklen Bereich nennt man auch "Alexanders dunkles Band" zu Ehren von Alexander von Aphrodisias (ca. 200 n.Chr.), einem Philosophen und Kommentator des Aristoteles. Ein Regenbogen kann auch durch den Mond erzeugt werden. Dabei ist die Helligkeit allerdings sehr gering. Der Regenbogen entsteht durch Brechung des Sonnenlichts in den Regentropfen. Das Sonnenlicht tritt in den Tropfen ein und wird dabei gebrochen. An der Innenwand des Tropfens wird ein Teil des Lichts reflektiert und tritt dann unter nochmaliger Brechung aus dem Tropfen aus. Die Einfallswinkel der Lichtstrahlen liegen wegen der kugelförmigen Tropfen zwischen 0 und 180°. Die Lichtverstärkung beruht darauf, dass mehr Strahlen in einem Winkelbereich von 137.5°-138.5° (180°-42°) abgelenkt werden, als in andere Richtungen. Beim Nebenregenbogen wird das Licht noch ein weiteres mal an der Innenseite des Tropfens reflektiert, bevor es den Tropfen verlässt. Da ein großer Teil des Lichts hier aus dem Tropfen austritt, ist der Nebenregenbogen wesentlich lichtschwächer. Die Farbverteilung des Regenbogens beruht darauf, dass der Brechungsindex des Wassers von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist. Das weiße Sonnenlicht besteht ja aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Durch die Lichtbrechung in den Regentropfen wird das weiße Licht dann in seine einzelnen Farbkomponenten zerlegt. An der Innenseite des Hauptregenbogens schließen sich manchmal noch weitere Bögen an. Diese Interferenzbögen haben eine bläulich bis violette Farbe und entstehen durch die Überlagerung von Wellen. Wer aufmerksam auf Regenbögen achtet, wird feststellen, dass sie viel häufiger sind als allgemein angenommen wird. Oft sind sie allerdings nur schwach und nicht vollständig zu sehen.

In der Bibel wird berichtet, dass der Regenbogen erst nach der Sintflut am Himmel sichtbar geworden sei (Matth. 16,2 u. 3). In der griechischen Mythologie war der Regenbogen Kennzeichen der Götterbotin Iris. Auf ihm stieg sie zur Erde nieder. Zugleich wurde der Regenbogen als Teil ihres farbigen Gewandes angesehen. Poseidonios (135-51 v.u.Z.), ein Philosoph der stoischen Schule in Athen und anderen griechischen Orten betrachtete den Regenbogen als Teilbild von Sonne und Mond, das durch Hohlspiegelwirkung an Wasserwolken erzeugt wird. Bei den Inkas (13.-16. Jh) waren die Sonne und der Mond (als Schwester der Sonne) die Hauptgottheiten. Der König selbst, der Inka, galt als Gott und verkörperte die Sonne. Die Erhabenheit der Sonne und ihre Ausstrahlung äußerte sich im Regenbogen, den man als eine Gottheit betrachtete. In der chinesischen Literatur findet man ebenfalls eine Erklärung des Regenbogens oder des "Regendrachens" vor. So sagte Sun Ssu-kung, Astronom des Astronomischen Büros, im 11. Jh: "Der Regenbogen ist ein Bild (literarisch "Schatten") der Sonne im Regen und erfolgt, wenn die Sonne darauf scheint. (nach N. Sivin). Diese Bemerkung wurde von dem bedeutenden Gelehrten und Verwaltungsexperten Shen Kua (1031-1095) überliefert, der z.B. bei einer diplomatischen Mission in Kensu 1070 einen doppelten Regenbogen beobachtete. Der chinesische Philosoph Chu Hsi (1130-1200) erweiterte diese Feststellung von Sun Ssu-kung und schrieb: "Das ch'i des Regens [d.h. der atmosphärische Wasserdampf bzw. die Wassertröpfchen] ist ausgedünnt worden, das wiederum erfolgt, weil das Sonnenlicht darauf scheint und das ch'i des Regens schwächt. Als "erster arabischer Philosoph" zur Zeit des Islam verfasste al-Kindí (801-866) eine Schrift über die Optik der Atmosphäre. Ibn al-Haitham (965-um1040) baut auf diese Schrift auf und schrieb sieben Bücher über u.a. experimentelle und mathematische Betrachtungen des Lichtes und erste Theorien des Sehens sowie eine Theorie der Refraktion. Eine kleinere Schrift umfasst die Halos und den Regenbogen, die beide als Reflexionserscheinungen an einer konkaven sphärischen Oberfläche betrachtet wurden und durch die "dicke und feuchte Luft und durch Wolken" entstehen sollten. Der islamische Gelehrte Kamãl al-Dín (gest. um 1320) schrieb eine neue Erklärung nieder. Darin wird als Ursache des Regenbogens die doppelte Brechung angeführt und ein experimenteller Nachweis durch Anwendung einer kleinen Dunkelkammer mit schmaler Öffnung geführt, eine Methode, die später Descartes wieder neu entdeckte. Etwa zur gleichen Zeit wie al-Dín hat der Dominikanermönch und spätere Ordensprovinzial Dietrich von Freiberg (1250-1310) ein Werk über die Optik der Atmosphäre verfasst, in dem ähnliche Vorstellungen entwickelt wurden. Er konnte die doppelte Brechung, nämlich beim Eintritt und beim Austritt, und die innere Reflexion des Strahls im Regentropfen erklären, die einfache Reflexion beim Hauptregenbogen und die zweifache Reflexion beim sekundären Regenbogen. Dietrich verfehlte nur um weniges die Theorie des Regenbogens von Descartes und Newton. Diese noch heute theoretische Erklärung des Regenbogens wurde erstmals 1637 von Descartes und 1672 von Newton (veröffentlicht 1704) gegeben und später im 19. Jh von dem englischen Arzt Thomas Young (1773-1829) und dem englischen Astronomen George Biddell Airy (1801-1892). Letzterer stellte ein "Regenbogenintegral" auf, das die Farbintensitätsverteilung zu bestimmen gestattete. J.M. Pernter hat dazu numerische Berechnungen ausgeführt und auf die Leistung von Young und Airy wieder aufmerksam gemacht.

So wie in zarter Wolke sich erheben
Zwei Regenbögen mit der gleichen Farbe.
Wenn Juno ihrer Magt es anbefohlen,
und aus dem Innern sich das Äußre löset.
(Dante) Ja wahrlich! Ein Regenbogen mitten in der Nacht!
Es ist das Licht des Mondes, das ihn bildet.
Das ist ein seltsam wunderbares Zeichen! Es leben viele, die das nicht gesehen.
Er ist doppelt, seht, ein bläßrer steht drüber.
(Friedrich Schiller)