Optik

Lichtbrechung

Lichtbrechung in der Atmosphäre

  • Verlaufen Lichtstrahlen immer geradlinig?
  • Wie funktioniert ein Prisma?
  • Warum können wir unter Wasser schlecht sehen?
  • Wie entsteht eine Fata Morgana …
  • … und wie ein Regenbogen?

Lichtbrechung in der Atmosphäre

Gebogener Lichtweg bei Übergang durch viele Schichten

Gebogener Lichtweg bei der Brechung an mehreren Schichten
Abb.
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Gebogener Lichtweg

Nicht nur an scharf abgegrenzten Übergängen zwischen zwei verschiedenen Medien tritt Lichtbrechung auf. Auch bei einem fließenden Übergang zwischen einem optisch dichteren und optisch dünneren Medium wird Licht gebrochen. Solche Übergänge findest du zum Beispiel bei geschichteten Salz- oder Zuckerlösungen, aber auch in der Natur zwischen unterschiedlich warmen bzw. unterschiedlich dichten Luftschichten.

Wie du im Versuch "Der gebogene Lichtstrahl" sehen kannst, wird eine Lichtstrahl (Laserstrahl) hier nicht nur an einer Grenzfläche gebrochen, sondern kontinuierlich an vielen Grenzflächen hintereinander gebrochen. Der Lichtstrahl macht daher nicht einen Knick, sondern verläuft in Bogenform.

"Verschiebung" der Sonne durch gebogenen Lichtweg

Lichtbrechung in der Atmosphäre führt zu Verschiebung des wahrgenommenen Sonnenortes
Abb.
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Lichtbrechung in der Atmosphäre führt zu Verschiebung des wahrgenommenen Sonnenstandortes

Unsere Lufthülle ist in hohen Schichten optisch dünner als in den erdnahen Schichten. Aus diesem Grund kommt es - ähnlich wie beim Modellversuch mit Wasser - auch hier zur "Biegung" des von der Sonne ausgehenden Lichtes. Daher vermutest du als Beobachter auf der Erde die Sonne an einem anderen Ort als sich die Sonne tatsächlich befindet. Dein Gehirn geht von einer geradlinigen Lichtausbreitung aus. Du kannst den wahrgenommenen Ort der Sonne also durch Rückwärtsverlängerung des eintreffenden Strahls bestimmen. Abb. 2 zeigt, dass du die Sonne in einer größeren Höhe über dem Horizont wahrnimmst, als sie sich eigentlich befindet. Die Sonne wird sozusagen "angehoben".

Länger Tageslicht

Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt abends, wenn der Einfallswinkel des Sonnenlichtes besonders groß ist. Abends ist die Sonne schon um 0,6° unter dem Horizont, wenn du glaubst, dass sie gerade untergeht. Auf diese Weise verlängert sich das Tageslicht für uns um ca. 2 Minuten beim Sonnenaufgang und 2 Minuten beim Sonnenuntergang.

Dieses Phänomen tritt natürlich nicht nur beim Sonnenlicht auf, sondern auch bei Licht von anderen Sternen oder Satelliten. Allgemein nennt man dieses Phänomen "Astronomische Refraktion".

Ovale Sonne

Ovale Sonnenform beim Untergang
Abb.
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Ovale Form der Sonnen beim Untergang

Wenn du die Sonne beim Untergehen genau beobachtest, kannst Du feststellen, dass sie dann nicht mehr kreisförmig erscheint, sondern eher oval. Die Sonne erscheint oben und unten abgeplattet. Auch dieses Phänomen kannst du mithilfe der Brechung von Licht in den verschiedenen Luftschichten erklären.

Die Lichtstrahlen, die vom "unteren" Teil der Sonne kommen, haben einen größeren Einfallswinkel auf die Luftschichten als die Strahlen, die vom "oberen" Teil der Sonne zu uns kommen. Die Strahlen aus dem unteren Teil werden daher stärker gebrochen. Der untere Teil der Sonne wird somit "stärker angehoben" als der obere Teil. Es entsteht der Eindruck einer ovalen, abgeplatteten Sonne.

Lichtwege bei der oval wahrgenommenen Sonne

Abplattung der Sonne durch Brechung in der Atmosphäre
Abb.
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Lichtwege bei der oval wahrgenommenen Sonne

Der vom unteren Rand der Sonne ausgehende Strahl 1 trifft etwas flacher auf die Erdatmosphäre als der von oberen Rand ausgehende Strahl 2. Der Einfallswinkel für Strahl 1 ist also größer als der Einfallswinkel für Strahl 2. Strahl 1 wird daher stärker gebrochen.

Die Rückwärtsverlängerung der beiden Strahlen zeigt, dass man die Sonne abgeplattet, in ovaler Form wahrnimmt. Dabei erscheint der untere Teil der Sonne rötlich, als der obere Teil. Warum die abgeplattete Sonne im unteren Teil rötlich erscheint, kann erst später im Kapitel Himmelsblau und Abendrot geklärt werden.

Weitere optische Phänomene beim Sonnenuntergang

Neben den bisher gezeigten können noch andere optische Phänomene beim Untergang der Sonne auftreten. Wie man den Sonnenuntergang wahrnimmt, hängt nämlich auch davon ab, wie hoch der Beobachter über dem Boden ist und welchen Zustand die Luftschichten über der Erdoberfläche haben.

Die folgenden per Computer erzeugten Animationen von A. T. Young zeigen einige dieser Möglichkeiten.

Linkes Bild: Hier ist der klassische Sonnenuntergang simuliert, bei dem sich eine leichte Abplattung der Sonne zeigt.

Mittleres Bild: Hier scheint die Sonne an einer Stelle horizontal zerschnitten zu sein bzw. ein Stück zu fehlen. In der Ellipsenform ist ein Sprung. Ursache hierfür ist eine sog. Inversionsschicht in der optisch dichte und und optisch dünne Medien genau umgekehrt zueinander angeordnet sind als normalerweise.

Rechtes Bild: Hier bekommt die Sonne einen sogenannten Fuß. Dieser kommt dadurch zustande, dass ein Teil des von der Sonne kommenden Lichts durch kontinuierliche Brechung an der optisch dünneren (warmen) Luftschicht eine "Reflexion" erfährt (vgl. auch Fata Morgana). Im folgenden Bild (nach Vornholz, Physik im Unterricht, Heft 29) wird diese Situation schematisch veranschaulicht.

Durch zunehmende Brechung in den Luftschichten erfolgt eine Krümmung des von A ausgehenden oberen Lichtstrahls. Der Beobachter glaubt den Punkt A an der Stelle A' zu sehen ("gehobene Sonne"). Der untere von A ausgehende Lichtstrahl wird in den Luftschichten ebenfalls gekrümmt, kommt aber in einen Luftschichten-Bereich in dem es - ähnlich wie bei der Fata Morgana - zu einer "Reflexion" des Lichts kommt. Der Beobachter glaubt den Punkt A an der Stelle A'' zu sehen ("gehobene und gespiegelte Sonne").

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