Wie entsteht ein Regenbogen?

Kommt nach einem Regenschauer die Sonne zum Vorschein, bildet sich oft ein Regenbogen am Himmel. Erklären lässt sich das farbenfrohe Lichtspiel mit den Grundlagen der Optik.

Auf den ersten Blick erscheint das Licht der Sonne meist weiß. Tatsächlich setzt es sich aber aus einem breiten Spektrum an Wellenlängen zusammen. Sichtbar wird das in einem Regenbogen, in dem sich das Sonnenlicht in seine unterschiedlichen Farbanteile – von rot bis hin zu blau – auffächert. Verantwortlich für dieses Phänomen ist ein Effekt, der auch in einem Prisma auftritt: Sobald elektromagnetische Wellen von einem Medium – wie der Luft – in ein anderes Medium – wie das Glas des Prismas – übergehen, werden die Lichtstrahlen an der Grenzfläche gebrochen. „Dabei ist die Ablenkung für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich stark“, erklärt Michael Vollmer von der Technischen Hochschule in Brandenburg.

Dieser Effekt kann auch in der Atmosphäre stattfinden, wenn Sonnenstrahlen auf die winzigen Wassertropfen in einer Regenfront treffen. „Das Sonnenlicht spaltet sich beim Eintritt in den Regentropfen wie in einem Prisma in ein Farbspektrum auf“, so Vollmer. Dieses Aufspalten des Sonnenlichts ist aber nur der erste Schritt zur Entstehung eines Regenbogens.

Strahlenverlauf im Wassertropfen

Ein Teil der eintretenden Sonnenstrahlen durchquert den annähernd kugelförmigen Regentropfen und verlässt ihn an der Rückseite, wobei er erneut abgelenkt wird. Ein anderer Teil wird jedoch an der gebogenen Rückseite reflektiert und gelangt an der Vorderseite wieder nach außen. An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft wird das Licht ebenfalls noch einmal gebrochen. Der Winkel, unter dem ein Lichtstrahl aus dem Regentropfen austritt, hängt dabei vom Einfallswinkel ab. Doch durch die Geometrie des Tropfens werden besonders viele Lichtstrahlen gleich stark abgelenkt und lassen sich unter einem Winkel von etwa 42 Grad beobachten. „Dieses Phänomen sorgt für die Form des Regenbogens“, berichtet Vollmer. Und der bekannte Farbverlauf am Himmel ergibt sich, weil der Beobachtungswinkel für blaue Farben mit 40 Grad etwa zwei Grad kleiner ist als für rote Farben.

Für einen Regenbogen braucht es natürlich nicht nur einen, sondern unzählige Regentropfen, die das Sonnenlicht brechen und reflektieren. Zudem müssen auch wir uns in der richtigen Position befinden, um das Naturschauspiel sehen zu können, da die Regentropfen nicht in jede Richtung gleich viel Licht zurückwerfen. „Am meisten Licht erreicht unsere Augen, wenn der Winkel zwischen unserer Blickrichtung zum Regentropfen und unserer Blickrichtung zum Sonnengegenpunkt etwa 42 Grad beträgt. Alle Tropfen, die diese Bedingung erfüllen, bilden einen Kreisbogen – den Regenbogen“, so Vollmer. Genau genommen kann dieses Licht sogar einen ganzen Kreis bilden. „Doch meist schneidet die Landschaft den unteren Teil des Regenbogens ab. Mit etwas Glück kann man den ganzen Kreis aber von einem Flugzeug oder einem hohen Berg aus beobachten.“

Entstehen der Bogenform

An manchen Tagen lässt sich sogar etwas außerhalb des ersten ein zweiter Regenbogen am Himmel entdecken. „Das Licht, das diesen Nebenregenbogen bildet, wurde ein weiteres Mal innerhalb des Regentropfens reflektiert und hat erst dann den Regentropfen verlassen“, so Vollmer. Theoretisch kann das Licht auch noch öfter innerhalb des Regentropfens reflektiert werden, dabei verliert es allerdings an Intensität. Zudem verändert sich die Position der Bögen: Die Bögen dritter und vierter Ordnung liegen etwa nicht gegenüber, sondern in Richtung der Sonne. Daher sind Regenbögen mit zunehmender Ordnung selbst bei exzellenten Sichtverhältnissen mit dem bloßen Auge nicht mehr zu sehen.