Phänomene im Zusammenhang mit der Lichtbrechung. Lichtspiel. Die Kraft der Fantasie Der heilige Elmo in den Kronen aus grünen Strahlen und Heiligenschein

Lichtbrechung beim Übergang vom Wasser in die Luft

Ein ins Wasser getauchter Stock, ein Löffel in einem Glas Tee, erscheint uns durch die Lichtbrechung an der Wasseroberfläche gebrochen.

Legen Sie eine Münze so auf den Boden eines undurchsichtigen Behälters, dass sie nicht sichtbar ist. Gießen Sie nun Wasser in das Gefäß. Die Münze wird sichtbar sein. Die Erklärung für dieses Phänomen geht aus dem Video klar hervor.

Schauen Sie sich den Boden des Stausees an und versuchen Sie, seine Tiefe abzuschätzen. Meistens ist es nicht möglich, dies richtig zu machen.

Lassen Sie uns genauer verfolgen, wie und inwieweit uns die Tiefe des Stausees verringert erscheint, wenn wir ihn von oben betrachten.

Sei H (Abb. 17) die wahre Tiefe des Reservoirs, auf dessen Boden ein kleiner Gegenstand, beispielsweise ein Kieselstein, liegt. Das von ihm reflektierte Licht divergiert in alle Richtungen. Ein bestimmtes Strahlenbündel fällt im Punkt O von unten im Winkel a 1 auf die Wasseroberfläche, wird an der Oberfläche gebrochen und gelangt in das Auge. Gemäß dem Brechungsgesetz können wir schreiben:

aber da n 2 = 1, dann n 1 sin a 1 = sin ϒ 1.

Der gebrochene Strahl tritt am Punkt B in das Auge ein. Beachten Sie, dass nicht ein Strahl in das Auge eintritt, sondern ein Strahlenbündel, dessen Querschnitt durch die Pupille des Auges begrenzt ist.

In Abbildung 17 ist der Strahl mit dünnen Linien dargestellt. Dieser Strahl ist jedoch schmal und wir können seinen Querschnitt vernachlässigen und ihn als Linie AOB betrachten.

Das Auge projiziert A zum Punkt A 1, und die Tiefe des Reservoirs scheint uns gleich h zu sein.

Die Abbildung zeigt, dass die scheinbare Tiefe des Reservoirs h vom wahren Wert von H und vom Betrachtungswinkel ϒ 1 abhängt.

Lassen Sie uns diese Abhängigkeit mathematisch ausdrücken.

Aus den Dreiecken AOC und A 1 OC ergibt sich:

Wenn wir OS aus diesen Gleichungen ausschließen, erhalten wir:

Unter Berücksichtigung von a = ϒ 1 und sin ϒ 1 = n 1 sin a 1 = n sin a erhalten wir:

In dieser Formel kommt die Abhängigkeit der scheinbaren Tiefe des Reservoirs h von der wahren Tiefe H und dem Beobachtungswinkel nicht explizit vor. Um diese Abhängigkeit deutlicher darzustellen, wollen wir sie grafisch darstellen.

In der Grafik (Abb. 18) sind auf der Abszissenachse die Werte der Beobachtungswinkel in Grad und auf der Ordinatenachse die entsprechenden scheinbaren Tiefen h in Bruchteilen der tatsächlichen Tiefe H aufgetragen. Die resultierende Kurve zeigt dies bei kleinen Beobachtungswinkeln die scheinbare Tiefe

beträgt etwa ¾ des tatsächlichen Wertes und nimmt mit zunehmendem Betrachtungswinkel ab. Bei einem Betrachtungswinkel von a = 47° kommt es zur Totalreflexion und der Strahl kann nicht aus dem Wasser entweichen.

Trugbilder

In einem inhomogenen Medium breitet sich Licht nichtlinear aus. Wenn wir uns ein Medium vorstellen, in dem sich der Brechungsindex von unten nach oben ändert, und es gedanklich in dünne horizontale Schichten aufteilen,

Wenn wir dann die Bedingungen für die Lichtbrechung beim Übergang von Schicht zu Schicht betrachten, stellen wir fest, dass der Lichtstrahl in einem solchen Medium allmählich seine Richtung ändern sollte (Abb. 19, 20).

Der Lichtstrahl erfährt in der Atmosphäre eine solche Biegung, bei der sich aus dem einen oder anderen Grund, hauptsächlich aufgrund seiner ungleichmäßigen Erwärmung, der Brechungsindex der Luft mit der Höhe ändert (Abb. 21).

Die Luft wird normalerweise durch den Boden erwärmt, der die Energie der Sonnenstrahlen aufnimmt. Daher nimmt die Lufttemperatur mit der Höhe ab. Es ist auch bekannt, dass die Luftdichte mit der Höhe abnimmt. Es wurde festgestellt, dass mit zunehmender Höhe der Brechungsindex abnimmt, sodass Strahlen, die die Atmosphäre durchdringen, in Richtung Erde gebeugt werden (Abb. 21). Dieses Phänomen wird als normale atmosphärische Brechung bezeichnet. Aufgrund der Lichtbrechung erscheinen uns die Himmelskörper etwas „erhöht“ (über ihre wahre Höhe) über dem Horizont.

Es wird berechnet, dass die atmosphärische Brechung Objekte „anhebt“, die sich in einer Höhe von 30° x 1"40", in einer Höhe von 15° x 3"ZO" und in einer Höhe von 5° x 9"45" befinden. Bei Körpern am Horizont erreicht dieser Wert 35 Zoll. Diese Zahlen weichen je nach Druck und Temperatur der Atmosphäre in die eine oder andere Richtung ab. Aus dem einen oder anderen Grund können sich jedoch in den oberen Schichten der Atmosphäre Massen befinden von Luft mit einer Temperatur, die höher ist als die der unteren Schichten. Sie können durch Winde aus heißen Ländern, zum Beispiel aus einem heißen Wüstengebiet, gebracht werden. Wenn zu diesem Zeitpunkt in den unteren Schichten kalte, dichte Luft eines Hochdruckgebiets herrscht, dann tritt das Phänomen auf Die Lichtbrechung kann sich erheblich verstärken und Lichtstrahlen, die von irdischen Objekten in einem bestimmten Winkel zum Horizont nach oben austreten, können zum Boden zurückkehren (Abb. 22).

Es kann jedoch vorkommen, dass die Luft an der Erdoberfläche aufgrund ihrer starken Erwärmung so heiß wird, dass der Brechungsindex des Lichts in Bodennähe kleiner wird als in einer bestimmten Höhe über dem Boden. Bei ruhigem Wetter kann dieser Zustand recht lange anhalten. Dann können die Strahlen von Objekten, die in einem ziemlich großen Winkel auf die Erdoberfläche fallen, so stark gebogen werden, dass sie, nachdem sie einen Bogen in der Nähe der Erdoberfläche beschrieben haben, von unten nach oben verlaufen (Abb. 23a). Auch der in Abbildung 236 dargestellte Fall ist möglich.

Die oben beschriebenen Bedingungen in der Atmosphäre erklären das Auftreten interessanter Phänomene – atmosphärische Fata Morgana. Diese Phänomene werden üblicherweise in drei Klassen eingeteilt. Die erste Klasse umfasst die häufigsten und einfachsten Ursprungs, die sogenannten See-(oder Unter-)Trugbilder, die bei Wüstenreisenden so viel Hoffnung und Enttäuschung hervorrufen.

Der französische Mathematiker Gaspard Monge, der am Ägyptenfeldzug von 1798 teilnahm, beschreibt seine Eindrücke von dieser Art von Fata Morgana:

„Wenn die Erdoberfläche durch die Sonne stark erhitzt wird und gerade vor Beginn der Dämmerung abzukühlen beginnt, erstreckt sich das vertraute Gelände nicht mehr wie tagsüber bis zum Horizont, sondern dreht sich, wie es scheint, um etwa eine Meile in eine Dauerflut.

Die weiter entfernten Dörfer wirken wie Inseln in einem riesigen See. Unter jedem Dorf befindet sich sein umgedrehtes Spiegelbild, nur ist es nicht scharf, kleine Details sind nicht sichtbar, wie ein Spiegelbild im vom Wind geschüttelten Wasser. Wenn Sie sich einem Dorf nähern, das von einer Überschwemmung umgeben zu sein scheint, entfernt sich das Ufer des imaginären Wassers, der Wasserarm, der uns vom Dorf trennte, wird allmählich schmaler, bis er vollständig verschwindet, und der See ... beginnt jetzt dahinter Dieses Dorf spiegelt in sich die weiter entfernten Dörfer wider“ (Abb. 24).

Die Erklärung für dieses Phänomen ist einfach. Die vom Boden erwärmten unteren Luftschichten hatten noch keine Zeit, nach oben zu steigen; Ihr Lichtbrechungsindex ist geringer als der der oberen. Daher dringen Lichtstrahlen, die von Objekten ausgehen (z. B. von Punkt B auf einer Palme, Abb. 23a), in der Luft gebogen werden, von unten in das Auge ein. Das Auge projiziert einen Strahl auf Punkt B 1. Das Gleiche geschieht mit Strahlen, die von anderen Punkten des Objekts kommen. Für den Betrachter scheint das Objekt umgekippt zu sein.

Woher kommt das Wasser? Wasser ist ein Spiegelbild des Himmels.

Um eine Fata Morgana zu sehen, muss man nicht nach Afrika reisen. Es kann an einem heißen, ruhigen Sommertag über der erhitzten Oberfläche einer Asphaltstraße beobachtet werden.

Fata Morganas der zweiten Klasse werden als Fata Morgana der Ober- oder Fernsicht bezeichnet. Das von N.V. Gogol beschriebene „unerhörte Wunder“ ist ihnen am ähnlichsten. Hier finden Sie Beschreibungen mehrerer solcher Fata Morgana.

Von der Côte d'Azur in Frankreich erhebt sich an einem frühen klaren Morgen aus den Gewässern des Mittelmeers jenseits des Horizonts eine dunkle Bergkette, in der die Bewohner Korsika erkennen. Die Entfernung nach Korsika beträgt mehr als 200 km, eine Sichtverbindung ist daher ausgeschlossen.

An der englischen Küste, in der Nähe von Hastings, können Sie die französische Küste sehen. Wie der Naturforscher Nie Digue berichtet, „sind in der Nähe von Reggio in Kalabrien, gegenüber der sizilianischen Küste und der Stadt Messina, manchmal ganze unbekannte Gebiete mit grasenden Herden, Zypressenhainen und Burgen in der Luft sichtbar.“ Nach kurzem Aufenthalt in der Luft verschwinden die Fata Morgana.“

Fata Morganas in der Ferne treten auf, wenn sich herausstellt, dass die oberen Schichten der Atmosphäre aus irgendeinem Grund besonders dünn sind, beispielsweise wenn dort erhitzte Luft eindringt. Dann werden die von irdischen Objekten ausgehenden Strahlen stärker gebogen und erreichen die Erdoberfläche, wobei sie in einem großen Winkel zum Horizont verlaufen. Das Auge des Betrachters projiziert sie in die Richtung, in die sie eintreten.

Offenbar ist die Sahara-Wüste dafür verantwortlich, dass an der Mittelmeerküste eine Vielzahl von Fernsicht-Trugbildern beobachtet werden. Darüber steigen heiße Luftmassen auf, werden dann nach Norden getragen und schaffen günstige Bedingungen für die Entstehung von Fata Morgana.

Überlegene Luftspiegelungen werden auch in nördlichen Ländern beobachtet, wenn warme Südwinde wehen. Die oberen Schichten der Atmosphäre werden erhitzt und die unteren Schichten werden aufgrund der Anwesenheit großer Mengen schmelzenden Eises und Schnees abgekühlt.

Manchmal werden Vorwärts- und Rückwärtsbilder von Objekten gleichzeitig beobachtet. Die Abbildungen 25-27 zeigen genau solche Phänomene, die in arktischen Breiten beobachtet wurden. Anscheinend gibt es über der Erde abwechselnd dichtere und verdünntere Luftschichten, die die Lichtstrahlen ungefähr so beugen, wie in Abbildung 26 dargestellt.

Trugbilder der dritten Klasse – Ultra-Fernsicht – sind schwer zu erklären. Hier finden Sie eine Beschreibung einiger davon.

„Basierend auf den Aussagen mehrerer vertrauenswürdiger Personen“, schreibt K. Flamarion in dem Buch „Atmosphere“, „kann ich über eine Fata Morgana berichten, die im Juni 1815 in der Stadt Verviers (Belgien) gesehen wurde.“ Eines Morgens sahen die Bewohner der Stadt eine Armee am Himmel und es war so klar, dass sie die Kostüme der Artilleristen erkennen konnten, eine Kanone mit einem kaputten Rad, die kurz davor war, abzufallen ... Es war der Morgen der Schlacht von Waterloo!“ Die Entfernung zwischen Waterloo und Verviers in einer Luftlinie beträgt 105 km.

Es gibt Fälle, in denen Fata Morganas in einer Entfernung von 800, 1000 oder mehr Kilometern beobachtet wurden.

Lassen Sie uns einen weiteren bemerkenswerten Fall nennen. In der Nacht des 27. März 1898 wurde die Besatzung des Bremer Schiffes Matador mitten im Pazifischen Ozean von einer Vision erschreckt. Gegen Mitternacht entdeckte die Besatzung etwa 3,2 km entfernt ein Schiff, das mit einem starken Sturm zu kämpfen hatte.

Dies war umso überraschender, als rundherum Ruhe herrschte. Das Schiff kreuzte den Kurs der Matador, und es gab Momente, in denen es schien, als sei eine Kollision zwischen den Schiffen unvermeidlich ... Die Besatzung der Matador sah, wie während einer starken Welle, die auf ein unbekanntes Schiff traf, das Licht im Kapitänsschiff erlosch Die Kabine ging aus, was in zwei Bullaugen jederzeit sichtbar war. Nach einiger Zeit verschwand das Schiff und nahm Wind und Wellen mit sich.

Die Angelegenheit wurde später geklärt. Es stellte sich heraus, dass dies alles mit einem anderen Schiff geschah, das sich zum Zeitpunkt der „Vision“ 1.700 km vom Matador entfernt befand.

Welche Wege nimmt das Licht in der Atmosphäre, damit klare Bilder von Objekten in so großen Entfernungen erhalten bleiben? Auf diese Frage gibt es noch keine genaue Antwort. Es wurden Vorschläge über die Bildung riesiger Luftlinsen in der Atmosphäre gemacht, die Verzögerung einer sekundären Fata Morgana, also einer Fata Morgana aus einer Fata Morgana. Möglicherweise spielt dabei die Ionosphäre* eine Rolle, die nicht nur Radiowellen, sondern auch Lichtwellen reflektiert.

Anscheinend haben die beschriebenen Phänomene denselben Ursprung wie andere auf den Meeren beobachtete Fata Morgana, die sogenannte „Fliegende Holländer“ oder „Fata Morgana“, wenn Seeleute geisterhafte Schiffe sehen, die dann verschwinden und abergläubischen Menschen Angst einjagen.

REGENBOGEN

Regenbogen ist ein wunderschönes Himmelsphänomen, das schon immer die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen hat. In früheren Zeiten, als die Menschen noch sehr wenig über die Welt um sie herum wussten, galt der Regenbogen als „himmlisches Zeichen“. Die alten Griechen dachten also, der Regenbogen sei das Lächeln der Göttin Iris.

Ein Regenbogen wird in entgegengesetzter Richtung zur Sonne vor dem Hintergrund von Regenwolken oder Regen beobachtet. Ein mehrfarbiger Bogen befindet sich normalerweise in einer Entfernung von 1–2 km vom Beobachter, manchmal kann er in einer Entfernung von 2–3 m vor dem Hintergrund von Wassertropfen beobachtet werden, die durch Fontänen oder Wasserspritzer gebildet werden.

Das Zentrum des Regenbogens liegt auf der Fortsetzung der Geraden, die die Sonne und das Auge des Beobachters verbindet – auf der Antisolarlinie. Der Winkel zwischen der Richtung zum Hauptregenbogen und der Antisolarlinie beträgt 41-42° (Abb. 28).

Im Moment des Sonnenaufgangs liegt der Antisolarpunkt (Punkt M) auf der Horizontlinie und der Regenbogen sieht aus wie ein Halbkreis. Wenn die Sonne aufgeht, verschiebt sich der Antisolarpunkt unter den Horizont und die Größe des Regenbogens nimmt ab. Es stellt nur einen Teil eines Kreises dar. Für einen hoch oben befindlichen Beobachter, zum Beispiel auf. In einem Flugzeug wird der Regenbogen als vollständiger Kreis mit dem Schatten des Beobachters in der Mitte gesehen.

Oft wird ein sekundärer Regenbogen beobachtet, der konzentrisch zum ersten ist, einen Winkelradius von etwa 52° hat und dessen Farben umgekehrt sind.

Bei einer Sonnenhöhe von 41° ist der Hauptregenbogen nicht mehr sichtbar und nur ein Teil des Nebenregenbogens ragt über den Horizont. Bei einer Sonnenhöhe von mehr als 52° ist auch der Nebenregenbogen nicht sichtbar. Daher wird dieses Naturphänomen in mittleren und äquatorialen Breiten in den Mittagsstunden nie beobachtet.

Der Regenbogen besteht wie das Spektrum aus sieben Grundfarben, die fließend ineinander übergehen. Die Art des Bogens, die Helligkeit der Farben und die Breite der Streifen hängen von der Größe der Wassertropfen und ihrer Anzahl ab. Große Tropfen erzeugen einen schmaleren Regenbogen mit deutlich hervortretenden Farben; kleine Tropfen erzeugen einen vagen, verblassten und sogar weißen Bogen. Deshalb ist im Sommer nach einem Gewitter, bei dem große Tropfen fallen, ein heller schmaler Regenbogen sichtbar.

Die Theorie des Regenbogens wurde erstmals 1637 von R. Descartes aufgestellt. Er erklärte Regenbögen als ein Phänomen, das mit der Reflexion und Brechung von Licht in Regentropfen zusammenhängt.

Die Entstehung von Farben und ihre Abfolge wurden später erklärt, nachdem die komplexe Natur des weißen Lichts und seine Streuung im Medium entschlüsselt wurden. Die Beugungstheorie des Regenbogens wurde von Ehry und Pertner entwickelt.

Betrachten wir den einfachsten Fall: Lassen Sie einen Strahl paralleler Sonnenstrahlen auf einen kugelförmigen Tropfen fallen (Abb. 29). Ein auf die Oberfläche eines Tropfens am Punkt A einfallender Strahl wird in seinem Inneren nach dem Brechungsgesetz gebrochen: n 1 sin a = n 2 sin β, wobei n 1 = 1, n 2 ≈ 1,33 die Brechungsindizes von Luft und sind Wasser bzw. a ist der Einfallswinkel, β ist der Brechungswinkel des Lichts.

Im Inneren des Tropfens bewegt sich der Strahl entlang der Geraden AB. Am Punkt B wird der Strahl teilweise gebrochen und teilweise reflektiert. Beachten Sie, dass die Intensität des reflektierten Strahls umso geringer und die Intensität des gebrochenen Strahls umso größer ist, je kleiner der Einfallswinkel am Punkt B und damit am Punkt A ist.

Strahl AB verläuft nach der Reflexion am Punkt B in einem Winkel β 1 " = β 1 und erreicht Punkt C, wo auch Teilreflexion und Teilbrechung des Lichts auftreten. Der gebrochene Strahl verlässt den Tropfen in einem Winkel y2 und der reflektierte Strahl kann weiter zum Punkt D usw. wandern. Somit wird ein Lichtstrahl in einem Tropfen wiederholt reflektiert und gebrochen. Bei jeder Reflexion treten einige der Lichtstrahlen aus und ihre Intensität innerhalb des Tropfens nimmt ab. Der intensivste der Strahlen tritt aus In die Luft gelangt der Strahl, der den Tropfen am Punkt B verlässt. Es ist jedoch schwierig, ihn zu beobachten, da er vor dem Hintergrund des hellen, direkten Sonnenlichts verloren geht. Die am Punkt C gebrochenen Strahlen erzeugen einen primären Regenbogen vor dem Hintergrund a dunkle Wolke, und die Strahlen werden am Punkt D gebrochen

ergeben einen sekundären Regenbogen, der, wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, weniger intensiv ist als der primäre.

Für den Fall K=1 erhalten wir Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".

Daher ist der Betrachtungswinkel eines Regenbogens erster Ordnung:

φ 1 =180° - 137°30" = 42°30"

Für den Strahl DE", der einen Regenbogen zweiter Ordnung ergibt, d. h. im Fall K = 2, gilt:

Θ = 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".

Betrachtungswinkel zweiter Ordnung eines Regenbogens φ 2 = 180° - 234°38" = - 56°38".

Daraus folgt (dies ist auch aus der Abbildung ersichtlich), dass im betrachteten Fall ein Regenbogen zweiter Ordnung vom Boden aus nicht sichtbar ist. Damit es sichtbar ist, muss Licht von unten in den Tropfen eindringen (Abb. 30, b).

Aus den Bildern ist ersichtlich, dass die Farbfolge in diesen Bögen entgegengesetzt ist.

Am häufigsten sehen wir einen Regenbogen. Es kommt häufig vor, dass zwei Regenbogenstreifen gleichzeitig übereinander am Himmel erscheinen; Sie beobachten jedoch recht selten und eine noch größere Anzahl von Regenbogen-Himmelsbögen – drei, vier und sogar fünf gleichzeitig. Dieses interessante Phänomen wurde von Leningradern am 24. September 1948 beobachtet, als am Nachmittag vier Regenbögen zwischen den Wolken über der Newa auftauchten. Es stellt sich heraus, dass Regenbögen nicht nur durch direktes Sonnenlicht entstehen können; Es erscheint oft in den reflektierten Sonnenstrahlen. Dies ist an den Ufern von Meeresbuchten, großen Flüssen und Seen zu beobachten. Drei oder vier solcher Regenbögen – gewöhnlich und reflektiert – ergeben manchmal ein wunderschönes Bild. Da die von der Wasseroberfläche reflektierten Sonnenstrahlen von unten nach oben verlaufen, kann der in diesen Strahlen entstehende Regenbogen manchmal völlig ungewöhnlich aussehen.

Sie sollten nicht glauben, dass Regenbögen nur tagsüber zu sehen sind. Es passiert auch nachts, obwohl es immer schwach ist. Sie können einen solchen Regenbogen nach einem Nachtregen sehen, wenn der Mond hinter den Wolken hervorkommt.

Eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Regenbogen kann im folgenden Experiment erhalten werden. Nehmen Sie eine Flasche Wasser und beleuchten Sie sie mit Sonnenlicht oder einer Lampe durch ein Loch in einer weißen Tafel. Dann wird auf der Tafel deutlich ein Regenbogen sichtbar (Abb. 31, a), und der Divergenzwinkel der Strahlen gegenüber der ursprünglichen Richtung beträgt etwa 41-42° (Abb. 31,6). Unter natürlichen Bedingungen gibt es keinen Bildschirm; das Bild erscheint auf der Netzhaut des Auges und das Auge projiziert dieses Bild auf die Wolken.

Wenn am Abend vor Sonnenuntergang ein Regenbogen erscheint, ist ein roter Regenbogen zu beobachten. In den letzten fünf oder zehn Minuten vor Sonnenuntergang verschwinden alle Farben des Regenbogens außer Rot und er wird auch zehn Minuten nach Sonnenuntergang sehr hell und sichtbar.

Ein Regenbogen auf dem Tau ist ein wunderschöner Anblick.

Es kann bei Sonnenaufgang auf dem mit Tau bedeckten Gras beobachtet werden. Dieser Regenbogen hat die Form einer Hyperbel.

HALMOS

Wenn Sie einen Regenbogen auf einer Wiese betrachten, werden Sie unwillkürlich einen erstaunlichen ungefärbten Lichtschein bemerken – einen Heiligenschein, der den Schatten Ihres Kopfes umgibt. Dies ist keine optische Täuschung oder ein Kontrastphänomen. Wenn der Schatten auf die Straße fällt, verschwindet der Heiligenschein. Was ist die Erklärung für dieses interessante Phänomen? Dabei spielen Tautropfen sicherlich eine wichtige Rolle, denn wenn der Tau verschwindet, verschwindet das Phänomen.

Um die Ursache des Phänomens herauszufinden, führen Sie das folgende Experiment durch. Nehmen Sie einen mit Wasser gefüllten Kugelkolben und stellen Sie ihn ins Sonnenlicht. Lass sie einen Tropfen darstellen. Legen Sie ein Stück Papier hinter die Flasche, das als Gras dient. Schauen Sie in einem kleinen Winkel relativ zur Richtung der einfallenden Strahlen auf die Glühbirne. Sie werden es durch die vom Papier reflektierten Strahlen hell erleuchtet sehen. Diese Strahlen verlaufen fast genau in Richtung der Sonnenstrahlen, die auf die Glühbirne fallen. Wenn Sie den Blick ein wenig zur Seite richten, ist das helle Leuchten der Glühbirne nicht mehr sichtbar.

Hier handelt es sich nicht um einen gestreuten, sondern um einen gerichteten Lichtstrahl, der von einem hellen Fleck auf dem Papier ausgeht. Die Glühbirne fungiert als Linse und lenkt das Licht auf uns.

Ein Strahl paralleler Sonnenstrahlen ergibt nach der Brechung in einer Glühbirne auf dem Papier ein mehr oder weniger fokussiertes Bild der Sonne in Form eines hellen Flecks. Ein großer Teil des vom Fleck emittierten Lichts wiederum wird von der Glühbirne eingefangen und nach der Brechung darin zurück zur Sonne geleitet, auch in unsere Augen, da wir mit dem Rücken zur Sonne stehen. Die optischen Nachteile unserer Linse – der Glühbirne – sorgen für einen gewissen Streulichtfluss, aber dennoch ist der Hauptlichtfluss, der von einem hellen Fleck auf dem Papier ausgeht, auf die Sonne gerichtet. Aber warum ist das von den Grashalmen reflektierte Licht nicht grün?

Es weist zwar einen leichten Grünstich auf, ist aber im Wesentlichen weiß, genau wie Licht, das von glatten, gestrichenen Oberflächen gerichtet reflektiert wird, beispielsweise die Reflexionen einer grünen oder gelben Tafel oder eines Buntglases.

Aber Tautröpfchen sind nicht immer kugelförmig. Sie können verzerrt sein. Dann richten einige von ihnen das Licht zur Seite, aber es geht an den Augen vorbei. Andere Tröpfchen, wie die in Abbildung 33 gezeigten, haben eine solche Form, dass das auf sie fallende Licht nach ein oder zwei Reflexionen zurück zur Sonne gelenkt wird und in die Augen eines mit dem Rücken zu ihr stehenden Beobachters gelangt.

Abschließend sei noch auf eine weitere geniale Erklärung dieses Phänomens hingewiesen: Nur die Grasblätter, auf die das direkte Licht der Sonne fällt, d. h. diejenigen, die nicht von anderen Blättern der Sonne verdeckt werden, reflektieren das Licht gerichtet. Wenn wir bedenken, dass die Blätter der meisten Pflanzen ihre Ebene immer der Sonne zuwenden, ist es offensichtlich, dass es eine ganze Reihe solcher reflektierenden Blätter geben wird (Abb. 33, e). Daher können Halos auch ohne Tau auf der Oberfläche einer glatt gemähten Wiese oder eines komprimierten Feldes beobachtet werden.

Wir präsentieren Ihnen eine Auswahl der 20 schönsten Naturphänomene rund um das Lichtspiel. Wahre Naturphänomene sind unbeschreiblich – das muss man gesehen haben! =)

Teilen wir alle Lichtmetamorphosen bedingt in drei Untergruppen ein. Das erste sind Wasser und Eis, das zweite sind Strahlen und Schatten und das dritte sind Lichtkontraste.

Wasser und Eis

„Annähernd horizontaler Bogen“

Dieses Phänomen wird auch „Feuerregenbogen“ genannt. Entsteht am Himmel, wenn Licht durch Eiskristalle in Zirruswolken gebrochen wird. Dieses Phänomen ist sehr selten, da sowohl die Eiskristalle als auch die Sonne genau auf einer horizontalen Linie liegen müssen, damit eine solch spektakuläre Lichtbrechung auftritt. Dieses besonders gelungene Beispiel wurde 2006 am Himmel über Spokane in Washington, D.C. aufgenommen.

Noch ein paar Beispiele für Feuerregenbögen

Wenn die Sonne von oben auf einen Kletterer oder ein anderes Objekt scheint, wird ein Schatten auf den Nebel projiziert, wodurch eine seltsam vergrößerte dreieckige Form entsteht. Dieser Effekt wird von einer Art Halo um das Objekt begleitet – farbige Lichtkreise, die direkt gegenüber der Sonne erscheinen, wenn Sonnenlicht von einer Wolke aus identischen Wassertröpfchen reflektiert wird. Dieses Naturphänomen erhielt seinen Namen aufgrund der Tatsache, dass es am häufigsten auf den niedrigen deutschen Brockengipfeln beobachtet wurde, die aufgrund des häufigen Nebels in dieser Gegend für Kletterer gut zugänglich sind

Kurz gesagt: Es ist ein auf dem Kopf stehender Regenbogen =) Es ist wie ein riesiges buntes Smiley-Gesicht am Himmel. Dieses Wunder wird durch die Brechung der Sonnenstrahlen durch horizontale Eiskristalle in Wolken einer bestimmten Form erreicht. Das Phänomen konzentriert sich im Zenit, parallel zum Horizont, die Farbpalette reicht von Blau im Zenit bis Rot zum Horizont hin. Dieses Phänomen hat immer die Form eines unvollständigen Kreisbogens; Der Kreis dieser Situation schließt sich durch den außergewöhnlich seltenen Infantry Arc, der erstmals 2007 auf Film festgehalten wurde

Misty Arc

Dieser seltsame Heiligenschein wurde von der Golden Gate Bridge in San Francisco aus gesichtet – er sah aus wie ein rein weißer Regenbogen. Wie ein Regenbogen entsteht dieses Phänomen durch die Lichtbrechung durch Wassertröpfchen in den Wolken, aber im Gegensatz zu einem Regenbogen scheint es aufgrund der geringen Größe der Nebeltröpfchen an Farbe zu mangeln. Daher erweist sich der Regenbogen als farblos – nur weiß.) Seeleute bezeichnen sie oft als „Seewölfe“ oder „Nebelbögen“.

Regenbogen-Heiligenschein

Wenn Licht zurück zu seiner Quelle, den Wassertröpfchen in den Wolken, gestreut wird (eine Mischung aus Reflexion, Brechung und Beugung), kann der Schatten eines Objekts zwischen der Wolke und der Quelle in Farbbänder unterteilt werden. Ruhm wird auch als überirdische Schönheit übersetzt – ein ziemlich treffender Name für ein so schönes Naturphänomen.) In einigen Teilen Chinas wird dieses Phänomen sogar das Licht Buddhas genannt – es wird oft vom Brockengeist begleitet. Auf dem Foto umgeben wunderschöne Farbstreifen effektvoll den Schatten des Flugzeugs gegenüber der Wolke.

Halos sind eines der bekanntesten und häufigsten optischen Phänomene und treten in vielen Erscheinungsformen auf. Das häufigste Phänomen ist das Solar-Halo-Phänomen, das durch die Lichtbrechung von Eiskristallen in Zirruswolken in großer Höhe verursacht wird. Die spezifische Form und Ausrichtung der Kristalle kann das Erscheinungsbild des Halos verändern. Bei sehr kaltem Wetter reflektieren Lichthöfe, die von Kristallen in Bodennähe gebildet werden, das Sonnenlicht zwischen ihnen und senden es gleichzeitig in mehrere Richtungen – dieser Effekt wird als „Diamantstaub“ bezeichnet.

Wenn die Sonne genau im richtigen Winkel hinter den Wolken steht, brechen die Wassertropfen darin das Licht und erzeugen eine intensive Spur. Die Färbung wird wie bei einem Regenbogen durch unterschiedliche Wellenlängen des Lichts verursacht – unterschiedliche Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen, wodurch sich der Brechungswinkel und damit die Farben des Lichts, wie wir sie wahrnehmen, verändern. Auf diesem Foto wird das Schillern der Wolke von einem kräftig gefärbten Regenbogen begleitet.

Noch ein paar Fotos von diesem Phänomen

Durch die Kombination eines tiefstehenden Mondes und eines dunklen Himmels entstehen oft Mondbögen, im Wesentlichen Regenbögen, die durch das Licht des Mondes erzeugt werden. Sie erscheinen am anderen Ende des Himmels als der Mond und erscheinen aufgrund der schwachen Färbung normalerweise völlig weiß, aber Langzeitbelichtungsaufnahmen können die wahren Farben einfangen, wie auf diesem Foto, das im Yosemite-Nationalpark in Kalifornien aufgenommen wurde.

Noch ein paar Fotos vom Mondregenbogen

Dieses Phänomen erscheint als weißer Ring, der den Himmel umgibt und sich immer auf der gleichen Höhe über dem Horizont wie die Sonne befindet. Normalerweise ist es möglich, nur Fragmente des Gesamtbildes einzufangen. Millionen vertikal angeordneter Eiskristalle reflektieren die Sonnenstrahlen am Himmel und erzeugen so dieses wunderschöne Phänomen.

An den Seiten der resultierenden Kugel erscheinen oft sogenannte falsche Sonnen, wie auf diesem Foto

Regenbögen können viele Formen annehmen: mehrere Bögen, sich kreuzende Bögen, rote Bögen, identische Bögen, Bögen mit farbigen Kanten, dunkle Streifen, „Speichen“ und viele andere, aber was ihnen gemeinsam ist, ist, dass sie alle in Farben unterteilt sind – Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Erinnern Sie sich aus Ihrer Kindheit an die „Erinnerung“ an die Anordnung der Farben in einem Regenbogen – jeder Jäger möchte wissen, wo der Fasan sitzt? =) Regenbogen entstehen, wenn Licht durch Wassertropfen in der Atmosphäre gebrochen wird, am häufigsten aber bei Regen Auch Dunst oder Nebel können ähnliche Effekte hervorrufen und sind viel seltener als man denkt. Zu allen Zeiten haben viele verschiedene Kulturen Regenbögen viele Bedeutungen und Erklärungen zugeschrieben, zum Beispiel glaubten die alten Griechen, dass Regenbögen der Weg zum Himmel seien, und die Iren glaubten, dass der Kobold an der Stelle, wo der Regenbogen endete, seinen Topf vergrub Gold =)

Weitere Informationen und schöne Fotos zum Regenbogen finden Sie hier

Strahlen und Schatten

Eine Korona ist eine Art Plasmaatmosphäre, die einen astronomischen Körper umgibt. Das bekannteste Beispiel für ein solches Phänomen ist die Korona um die Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis. Es erstreckt sich über Tausende von Kilometern im Weltraum und enthält ionisiertes Eisen, das auf fast eine Million Grad Celsius erhitzt ist. Während einer Sonnenfinsternis umgibt sein helles Licht die verdunkelte Sonne und es scheint, als ob eine Lichtkrone um den Stern herum erscheint

Wenn dunkle Bereiche oder durchlässige Hindernisse wie Äste oder Wolken die Sonnenstrahlen filtern, erzeugen die Strahlen ganze Lichtsäulen, die von einer einzigen Quelle am Himmel ausgehen. Dieses in Horrorfilmen oft verwendete Phänomen wird normalerweise im Morgen- oder Abendlicht beobachtet und kann sogar unter dem Meer beobachtet werden, wenn die Sonnenstrahlen durch Streifen gebrochenen Eises dringen. Dieses wunderschöne Foto wurde im Utah-Nationalpark aufgenommen

Noch ein paar Beispiele

Fata Morgana

Die Wechselwirkung zwischen kalter Luft in Bodennähe und warmer Luft direkt darüber kann als Brechungslinse wirken und das Bild von Objekten am Horizont auf den Kopf stellen, entlang dessen das eigentliche Bild zu oszillieren scheint. Auf diesem in Thüringen, Deutschland, aufgenommenen Foto scheint der Horizont in der Ferne völlig verschwunden zu sein, obwohl der blaue Teil der Straße lediglich eine Spiegelung des Himmels über dem Horizont ist. Die Behauptung, dass es sich bei Fata Morganas um völlig inexistente Bilder handelt, die nur den in der Wüste verirrten Menschen erscheinen, ist falsch und wird wahrscheinlich mit den Auswirkungen extremer Dehydrierung verwechselt, die Halluzinationen hervorrufen können. Fata Morganas basieren immer auf realen Objekten, auch wenn sie aufgrund des Fata Morgana-Effekts näher erscheinen können

Die Lichtreflexion durch Eiskristalle mit nahezu perfekt horizontalen flachen Oberflächen erzeugt einen starken Strahl. Die Lichtquelle kann die Sonne, der Mond oder auch künstliches Licht sein. Ein interessantes Merkmal ist, dass die Säule die Farbe dieser Quelle haben wird. Auf diesem in Finnland aufgenommenen Foto erzeugt das orangefarbene Sonnenlicht bei Sonnenuntergang eine ebenso orangefarbene, wunderschöne Säule

Noch ein paar „Solarsäulen“)

Leichte Kontraste

Die Kollision geladener Teilchen in der oberen Atmosphäre erzeugt in den Polarregionen oft prächtige Lichtmuster. Die Farbe hängt vom Elementgehalt der Partikel ab – die meisten Polarlichter erscheinen aufgrund von Sauerstoff grün oder rot, aber Stickstoff erzeugt manchmal ein tiefblaues oder violettes Aussehen. Auf dem Foto - das berühmte Aurora Borilis oder Nordlicht, benannt nach der römischen Göttin der Morgendämmerung Aurora und dem antiken griechischen Gott des Nordwinds Boreas

So sehen die Nordlichter aus dem Weltraum aus

Kondensstreifen

Die Dampfspuren, die einem Flugzeug über den Himmel folgen, gehören zu den beeindruckendsten Beispielen menschlichen Eingriffs in die Atmosphäre. Sie entstehen entweder durch Flugzeugabgase oder durch Luftwirbel an den Tragflächen und treten nur bei kalten Temperaturen in großen Höhen auf und kondensieren zu Eiströpfchen und Wasser. Auf diesem Foto kreuzen mehrere Kondensstreifen den Himmel und sind ein bizarres Beispiel für dieses unnatürliche Phänomen.

Winde in großer Höhe verbiegen das Kielwasser von Raketen, und ihre kleinen Abgaspartikel verwandeln das Sonnenlicht in helle, schillernde Farben, die manchmal von denselben Winden Tausende von Kilometern getragen werden, bevor sie sich schließlich auflösen. Das Foto zeigt Spuren einer Minotaurus-Rakete, die vom US-Luftwaffenstützpunkt in Vandenberg, Kalifornien, abgefeuert wurde.

Der Himmel streut, wie viele andere Dinge um uns herum, polarisiertes Licht mit einer bestimmten elektromagnetischen Ausrichtung. Die Polarisation verläuft immer senkrecht zum Lichtweg selbst, und wenn das Licht nur eine Polarisationsrichtung aufweist, spricht man von linear polarisiertem Licht. Dieses Foto wurde mit einem polarisierten Weitwinkelfilterobjektiv aufgenommen, um zu zeigen, wie aufregend die elektromagnetische Ladung am Himmel aussieht. Achten Sie darauf, welchen Schatten der Himmel in Horizontnähe hat und welche Farbe er ganz oben hat.

Dieses für das bloße Auge technisch unsichtbare Phänomen kann erfasst werden, indem man die Kamera mindestens eine Stunde oder sogar über Nacht bei geöffnetem Objektiv lässt. Die natürliche Rotation der Erde führt dazu, dass sich die Sterne am Himmel über den Horizont bewegen und dabei bemerkenswerte Spuren hinterlassen. Der einzige Stern am Abendhimmel, der immer an einem Ort ist, ist natürlich der Polaris, da er tatsächlich auf der gleichen Achse mit der Erde steht und seine Schwingungen nur am Nordpol wahrnehmbar sind. Dasselbe gilt auch für den Süden, aber dort gibt es keinen Stern, der hell genug ist, um einen ähnlichen Effekt zu beobachten

Und hier ist ein Foto von der Stange)

Das Tierkreislicht ist ein schwaches dreieckiges Licht, das am Abendhimmel zu sehen ist und sich in Richtung Himmel erstreckt. Es kann leicht durch leichte Luftverschmutzung oder Mondlicht verdeckt werden. Dieses Phänomen wird durch die Reflexion des Sonnenlichts von Staubpartikeln im Weltraum, bekannt als kosmischer Staub, verursacht und sein Spektrum ist daher absolut identisch mit dem des Sonnensystems. Sonnenstrahlung lässt Staubpartikel langsam wachsen und erzeugt eine majestätische Konstellation von Lichtern, die anmutig über den Himmel gestreut werden

Wie zwischen durchsichtigen Wolkentüchern

Über der Zwiebel befindet sich ein Blütenstand und eine runde Zwiebel

Gepriesen durch den Boten der Juno,

Und durch das Innere Außen geformt.

Der Regenbogen ist gut sichtbar – er wird normalerweise in Form von zwei farbigen Bögen beobachtet (zwei Blütenbögen, über die Dante schreibt), und im oberen Bogen sind die Farben in dieser Reihenfolge von oben nach unten angeordnet: Violett, Blau, Hell Blau, Grün, Gelb, Orange, Rot und im unteren Bogen hingegen von Rot nach Lila. Um sich an ihre Reihenfolge zu erinnern, gibt es mnemonische Phrasen, bei denen die Anfangsbuchstaben jedes Wortes den Anfangsbuchstaben des Namens der Farbe entsprechen. Dies ist zum Beispiel die Phrase „Jeder Jäger möchte wissen, wo der Fasan sitzt“ oder eine andere , nicht weniger berühmt, „Wie Jean der Beller einst eine Laterne mit dem Kopf umschlug“. Zwar ist die Tradition, die sieben Farben im Regenbogen zu identifizieren, nicht universell. Beispielsweise haben die Bulgaren 6 Farben in ihrem Regenbogen.

Der Regenbogen bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Zerlegung von weißem Licht in ein Spektrum unter natürlichen Bedingungen zu beobachten.

Regenbögen erscheinen normalerweise nach Regen, wenn die Sonne ziemlich tief steht. Irgendwo zwischen der Sonne und dem Beobachter regnet es immer noch. Sonnenlicht, das durch Wassertropfen fällt, wird in ihnen wiederholt reflektiert und gebrochen, wie in kleinen Prismen, und Strahlen unterschiedlicher Farbe treten in verschiedenen Winkeln aus den Tropfen aus. Dieses Phänomen wird als Streuung (d. h. Zersetzung) des Lichts bezeichnet. Dadurch entsteht ein leuchtend farbiger Bogen (und tatsächlich ist er steil; man kann ihn vollständig von einem Flugzeug aus sehen).

Manchmal werden zwei, seltener drei mehrfarbige Bögen gleichzeitig beobachtet. Der erste Regenbogen entsteht durch Strahlen, die einmal in den Tropfen reflektiert werden, der zweite durch Strahlen, die zweimal reflektiert werden usw. Im Jahr 1948 erschienen in Leningrad (heute St. Petersburg) vier Regenbögen zwischen den Wolken über der Newa.

Das Aussehen des Regenbogens, die Helligkeit der Farben und die Breite der Streifen hängen von der Größe und Anzahl der Wassertropfen in der Luft ab. Ein heller Regenbogen entsteht im Sommer nach einem Gewitter, bei dem große Tropfen fallen. In der Regel deutet ein solcher Regenbogen auf gutes Wetter hin.

In einer hellen Mondnacht können Sie einen Regenbogen vom Mond aus sehen. Wenn es regnet, erscheint im Licht des Vollmondes ein Regenbogen. Da das menschliche Sehen so konzipiert ist, dass bei schwachem Licht die empfindlichsten Rezeptoren des Auges – die „Stäbchen“ – keine Farbe wahrnehmen, sieht der Mondregenbogen weißlich aus; Je heller das Licht, desto „farbiger“ wird der Regenbogen (Farbrezeptoren – „Zapfen“) in seine Wahrnehmung einbezogen.

Feuerregenbogen

Der in Schweden lebende Marian Erikson hatte das Glück, sie zu sehen. Ein Regenbogen erstreckte sich über den Nachthimmel und stand eine Minute lang unter dem Vollmond.

Zeichen und Legenden.

Es war einmal, als sich ein Mensch fragte, warum Regenbögen am Himmel erscheinen. Damals hatte man noch nie von Optik gehört. Deshalb entstanden Mythen und Legenden, aber auch viel Aberglaube. Hier sind einige davon:

In der skandinavischen Mythologie ist der Regenbogen die Bifrost-Brücke, die Midgard (die Welt der Menschen) und Asgard (die Welt der Götter) verbindet.
In der alten indischen Mythologie - der Bogen von Indra, dem Gott des Donners und des Blitzes.
In der antiken griechischen Mythologie - der Weg der Iris, der Botin zwischen den Welten der Götter und der Menschen.
Nach slawischem Glauben trinkt ein Regenbogen wie eine Schlange Wasser aus Seen, Flüssen und Meeren, das dann regnet.
Der irische Kobold versteckt einen Topf voll Gold an der Stelle, an der der Regenbogen den Boden berührte.
Nach tschuwaschischem Glauben kann man sein Geschlecht ändern, wenn man durch einen Regenbogen geht.
In der Bibel erschien der Regenbogen nach der globalen Flut als Symbol der Vergebung für die Menschheit.
Abergläubische Menschen glaubten, dass Regenbögen ein schlechtes Omen seien. Sie glaubten, dass die Seelen der Toten entlang eines Regenbogens in die andere Welt gelangten, und wenn ein Regenbogen erschien, bedeutete dies den bevorstehenden Tod einer Person.

Die Geschichte der Erklärung des Regenbogens.

Bereits Aristoteles, der antike griechische Philosoph, versuchte, die Ursache des Regenbogens zu erklären. Und der persische Astronom Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) und vielleicht sein Schüler Kamal al-din al-Farisi (1260-1320) waren offenbar die ersten, die das Phänomen einigermaßen genau erklärten.

Das allgemeine physikalische Bild des Regenbogens wurde bereits von Mark Antony de Dominis (1611) klar beschrieben.

M.A. de Dominis

Basierend auf experimentellen Beobachtungen kam er zu dem Schluss, dass ein Regenbogen durch Reflexion an der Innenoberfläche eines Regentropfens und Doppelbrechung entsteht – am Eingang des Tropfens und am Ausgang. Eine ausführlichere Erklärung des Regenbogens gab René Descartes in seinem Werk „Meteora“ im Kapitel „Über den Regenbogen“ (1635).

René Descartes

Descartes schreibt:

„Erstens, als ich bedachte, dass ein Regenbogen nicht nur am Himmel, sondern auch in der Luft in unserer Nähe erscheinen kann, wenn darin von der Sonne beleuchtete Wassertropfen vorhanden sind, wie man sie manchmal in Springbrunnen sehen kann, fühle ich mich unwohl Man kam zu dem Schluss, dass es von der Art und Weise abhängt, wie die Lichtstrahlen auf diese Tropfen einwirken und von ihnen aus unsere Augen erreichen; ferner, wenn man weiß, dass diese Tropfen kugelförmig sind und dass sowohl bei großen als auch bei kleinen Tropfen immer der Regenbogen erscheint Ebenso habe ich mir zum Ziel gesetzt, einen sehr großen Tropfen zu erzeugen, um ihn besser untersuchen zu können. Dazu füllte ich ein großes Glasgefäß, völlig rund und völlig durchsichtig, mit Wasser und kam zum folgende Schlussfolgerung ...“

Diese Schlussfolgerung wiederholt und verfeinert das von Dominis erzielte Ergebnis. Insbesondere entdeckte Descartes, dass der zweite (äußere) Regenbogen aus zwei Brechungen und zwei Reflexionen resultiert. Er erklärte auch qualitativ das Aussehen der Farben des Regenbogens, indem er die Lichtbrechung in einem Tropfen mit der Brechung in einem Glasprisma verglich. Abbildung 1, die den Weg eines Strahls in einem Tropfen erklärt, ist dem oben erwähnten Werk von Descartes entnommen. Aber Descartes‘ größtes Verdienst bestand darin, dass er dieses Phänomen quantitativ erklärte, indem er zum ersten Mal das Gesetz der Lichtbrechung verwendete:

„Ich wusste immer noch nicht, warum Farben nur in bestimmten Winkeln erscheinen, bis ich einen Stift nahm und detailliert den Weg aller Strahlen berechnete, die auf verschiedene Punkte eines Wassertropfens fallen, um herauszufinden, in welchen Winkeln sie in unseren eindringen können.“ Auge nach zwei Brechungen und einer oder zwei Reflexionen. Dann fand ich heraus, dass nach einer Reflexion und zwei Brechungen viel mehr Strahlen in einem Winkel von 41° bis 42° (in Bezug auf den Sonnenstrahl) sichtbar sind als diejenigen, die dies können in einem kleineren Winkel gesehen werden, und es gibt keinen, der in einem größeren Winkel sichtbar wäre. Außerdem habe ich auch herausgefunden, dass nach zwei Reflexionen und zwei Brechungen viel mehr Strahlen in einem Winkel von 51° bis 52° in das Auge fallen ° als diejenigen, die in einem größeren Winkel fallen würden, und es gibt überhaupt keine, die in einem kleineren Winkel fallen würden.

So berechnet Descartes nicht nur den Strahlengang, sondern bestimmt auch die Winkelverteilung der Intensität des von den Tropfen gestreuten Lichts.

Bezüglich der Farben wurde die Theorie von Isaac Newton erweitert.

Isaac Newton

Obwohl das Mehrfarbenspektrum des Regenbogens kontinuierlich ist, ist es der Überlieferung nach in 7 Farben unterteilt. Es wird angenommen, dass Isaac Newton der erste war, der die Zahl 7 wählte, für den die Zahl 7 eine besondere symbolische Bedeutung hatte (aus pythagoräischen, theologischen oder Deathologischen Gründen).

In den berühmten „Lectures on Optics“, die in den 70er Jahren des 16. Jahrhunderts verfasst, aber nach Newtons Tod im Jahr 1729 veröffentlicht wurden, wird folgende Zusammenfassung gegeben:
„Von den Strahlen, die in den Ball eindringen, verlassen einige ihn nach einer Reflexion, andere nach zwei Reflexionen; es gibt Strahlen, die nach drei Reflexionen und noch mehr Reflexionen austreten. Da Regentropfen im Verhältnis zum Abstand zum Auge des Beobachters sehr klein sind, lohnt es sich nicht.“ Es berücksichtigt überhaupt ihre Größe, sondern nur die Winkel, die die einfallenden Strahlen mit den austretenden bilden. Wo diese Winkel am größten oder kleinsten sind, sind die austretenden Strahlen am stärksten konzentriert. Da verschiedene Arten von Strahlen (Strahlen unterschiedlicher Farbe) unterschiedliche Größte ergeben und kleinste Winkel, dann sind die Strahlen am dichtesten. Wer sich an verschiedenen Orten versammelt, verspürt den Wunsch, seine eigenen Farben zu zeigen.“

Newtons Aussage über die Möglichkeit, die Tropfengröße nicht zu berücksichtigen, sowie Descartes‘ Worte, dass der Regenbogen bei großen und kleinen Tropfen immer gleich erscheint, erwiesen sich als unzutreffend. Eine vollständige Theorie des Regenbogens, die die Lichtbeugung berücksichtigt, die vom Verhältnis der Lichtwellenlänge zur Tropfengröße abhängt, wurde erst im 19. Jahrhundert von J.B. aufgestellt. Erie (1836) und J.M. Pernter (1897).

Brechung und Reflexion eines Strahls in einem Wassertropfen.

Die Zeichnung von Descartes, die wir als Reliquie reproduziert haben, weist eine „methodische“ Unvollkommenheit auf. Für einen ungeübten Leser mag es scheinen, dass beide Regenbögen, der äußere und der innere, durch unterschiedliche Reflexionsarten im selben Tropfen verursacht werden. Es wäre besser, zwei Tropfen darzustellen: einer gehört zum unteren Regenbogen, der andere zum oberen, so dass jeder eine Reflexionsmethode hat, wie in Abb. 2. Um die Wahrnehmung zu erleichtern, wird in beiden Fällen die Richtung des auf den Tropfen einfallenden Sonnenstrahls als Abszissenachse verwendet. Die y-Koordinate, die den Auftreffpunkt des Strahls auf dem Tropfen charakterisiert, wird als Aufprallparameter bezeichnet.

Aus Abb. Aus 2, a ist ersichtlich, dass ein einfallender Strahl mit einer Reflexion von einem Beobachter wahrgenommen werden kann, wenn sich nur der Einfallspunkt auf die Tropfenoberseite bezieht (y > 0). Im Gegenteil, mit zwei Reflexionen ist dies für diejenigen Strahlen möglich, die auf den unteren Teil des Tropfens (y) fallen< 0).

Nehmen wir zunächst an, dass sich der Tropfen in einer vertikalen Ebene befindet, die durch den Sonnenstand und die Augen des Beobachters verläuft. Dann liegen die einfallenden, gebrochenen und reflektierten Strahlen in derselben Ebene. Wenn α 1 der Einfallswinkel und α 2 der Brechungswinkel ist, dann ergibt sich aus Abb. 2, a und b, der Winkel des austretenden Strahls relativ zum einfallenden Strahl ist im ersten Fall gleich φ 1 = 4α 2 -2α 1 (1)
und im zweiten - φ 2 = π - 6α 2 + 2α 1 (2)
und nach dem Brechungsgesetz: sin α 2 = sin α 1 /n
wobei n in unserem Fall der Brechungsindex von Wasser ist. Wenn wir außerdem den Radius eines Tropfens als Längeneinheit nehmen, erhalten wir:

Dementsprechend im ersten und zweiten Fall. Daher erhalten wir aus (1) und (2).
φ 1 =4 arcsin(y/n) - 2 arcsin y, y>0 (3)
φ 2 = π+6 arcsin(y/n) - 2 arcsin y, y<0 (4)

Diese beiden Gleichungen sind die wichtigsten für die weitere Betrachtung. Es ist nicht schwierig, die Winkel φ 1 und φ 2 als Funktionen von y darzustellen. Sie sind in Abb. dargestellt. 3 für Brechungsindex n=1,331 (rot). Wir sehen, dass bei einem Aufprallparameter von y≈0,85 der maximale Winkel φ 1 erreicht wird, der ungefähr 42° entspricht, und dass der Winkel bei y≈-0,95 ein Minimum von ~53° aufweist. Zeigen wir, dass diese Extrempunkte der maximalen Intensität des vom Tropfen reflektierten Lichts entsprechen.

Betrachten wir ein bestimmtes kleines Variationsintervall des Einflussparameters (genauer gesagt im ersten Fall) y, y + Δy. Anhand des Diagramms können Sie die Änderung des Winkels φ über dieses Intervall Δφ ermitteln. In Abb. Aus 3 ist ersichtlich, dass Δφ=Δy*tg β, wobei β der Winkel ist, den die Tangente an den Graphen an einem bestimmten Punkt mit der Abszissenachse bildet. Der Wert Δy ist proportional zur Lichtintensität ΔI, die in diesem Aufprallparameterintervall auf den Tropfen fällt. Die gleiche Lichtintensität (genauer gesagt ein dazu proportionaler Wert) wird durch einen Abfall im Winkelintervall Δφ gestreut. Wir können ΔI ~ Δy =Δy*ctg β schreiben. Daher kann die Intensität des von einem Tropfen gestreuten Lichts pro Streuwinkeleinheit ausgedrückt werden als I(φ) = ΔI/Δφ ~ cot β (5)

Da an den Extrempunkten ctg β = ∞ ist, geht die Größe (5) ins Unendliche. Beachten Sie, dass die Positionen dieser Extrempunkte für verschiedene Farben leicht unterschiedlich sind, was uns die Beobachtung eines Regenbogens ermöglicht.

Wie zeichnet man einen Regenbogen?

Jetzt können wir ein Diagramm zur Beobachtung eines Regenbogens zeichnen. Diese Konstruktion ist in Abb. dargestellt. 4. Zuerst zeichnen wir die Erdoberfläche und den darauf stehenden Beobachter. Vor dem Betrachter liegt ein Regenvorhang (grau schattiert). Dann stellen wir die Sonnenstrahlen dar, deren Richtung von der Höhe der Sonne über dem Horizont abhängt. Durch das Auge des Beobachters leiten wir rote und violette Strahlen in den oben genannten Winkeln zu den Sonnenstrahlen. Aus den Ergebnissen des vorherigen Abschnitts können wir sicher sein, dass diese Strahlen durch Streuung durch die entsprechenden Regentropfen entstehen. Gleichzeitig, wie aus Abb. 2, der untere Regenbogen wird durch Streuprozesse mit einer Reflexion und der obere durch Streuprozesse mit zwei Reflexionen verursacht. Beachten Sie den Farbwechsel: Die violetten Strahlen sind äußerlich und die roten sind innerlich. Offensichtlich werden die Strahlen anderer Farben in jedem Regenbogen entsprechend den Werten der Brechungsindizes zwischen Rot und Violett platziert.

Erinnern wir uns daran, dass wir bisher das Bild eines Regenbogens in einer vertikalen Ebene betrachtet haben, die durch das Auge des Beobachters und den Stand der Sonne verläuft. Zeichnen wir eine gerade Linie, die parallel zum Sonnenstrahl durch das Auge des Beobachters verläuft. Wenn die vertikale Ebene um die angezeigte Gerade gedreht wird, entspricht ihre neue Position zur Beobachtung des Regenbogens vollständig der ursprünglichen. Daher hat ein Regenbogen die Form eines Kreisbogens, dessen Mittelpunkt auf der konstruierten Achse liegt. Der Radius dieses Kreises (wie in Abb. 4 zu sehen) entspricht ungefähr der Entfernung des Beobachters zum Regenvorhang.

Beachten Sie, dass die Sonne bei der Beobachtung eines Regenbogens nicht zu hoch über dem Horizont stehen sollte – nicht mehr als 53,48°. Andernfalls dreht sich das Strahlenmuster in der Abbildung im Uhrzeigersinn, sodass nicht einmal der violette Strahl des oberen Regenbogens das Auge eines auf der Erde stehenden Beobachters erreichen kann. Dies ist zwar möglich, wenn der Beobachter beispielsweise in einem Flugzeug eine bestimmte Höhe erreicht. Wenn der Beobachter hoch genug steigt, kann er den Regenbogen in Form eines vollen Kreises sehen.

Diagramm der Regenbogenbildung

Diagramm der Regenbogenbildung
1) sphärisch ein Tropfen 2) intern Betrachtung 3) primärer Regenbogen
4) Brechung 5) sekundärer Regenbogen 6) einfallender Lichtstrahl
7) der Strahlenverlauf während der Entstehung des Primärregenbogens

8) der Strahlenverlauf bei der Bildung eines sekundären Regenbogens
9) Beobachter 10) Entstehungsbereich des Primärregenbogens
11) Bereich der sekundären Regenbogenbildung 12) Tröpfchenwolke

Diese Beschreibung des Regenbogens sollte unter Berücksichtigung der Tatsache präzisiert werden, dass die Sonnenstrahlen nicht streng parallel verlaufen. Dies liegt daran, dass die von verschiedenen Punkten der Sonne auf den Tropfen einfallenden Strahlen leicht unterschiedliche Richtungen haben. Die maximale Winkeldivergenz der Strahlen wird durch den Winkeldurchmesser der Sonne bestimmt, der bekanntermaßen etwa 0,5° beträgt. Wozu führt das? Jeder Tropfen sendet ein Licht in das Auge des Betrachters, das nicht so monochromatisch ist, wie es der Fall wäre, wenn die einfallenden Strahlen streng parallel wären. Wenn der Winkeldurchmesser der Sonne deutlich größer wäre als der Winkelabstand zwischen den violetten und roten Strahlen, wären die Farben des Regenbogens nicht zu unterscheiden. Glücklicherweise ist dies nicht der Fall, obwohl die Überlappung von Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge zweifellos den Kontrast der Farben des Regenbogens beeinflusst. Interessant ist, dass der endliche Winkeldurchmesser der Sonne bereits in Descartes‘ Werk berücksichtigt wurde.

Wir bitten Sie, keine Artikel aus dem Internet zu versenden – diese können von Suchmaschinen gefunden werden. Schreiben Sie Ihren eigenen, interessanten und einzigartigen Artikel. Machen Sie ein Foto und beschreiben Sie die Laborarbeit in Physik oder Chemie, senden Sie Fotos Ihres selbstgemachten Produkts....
Artikel an senden [email protected]

Regenbogen

Der grundlegende Prozess, durch den ein Regenbogen entsteht, ist die Brechung (Brechung) oder „Biegung“ von Licht. Licht biegt sich, oder besser gesagt, ändert seine Richtung, wenn es sich von einer Umgebung in eine andere bewegt. Regenbögen entstehen, weil sich Licht in verschiedenen Umgebungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet.

Um zu verstehen, wie sich Licht beugt, geben wir ein einfaches Beispiel. Stellen Sie sich vor, Sie schieben einen Einkaufswagen über einen Parkplatz. Der Parkplatz ist eine der „Umgebungen“ für den Wagen. Wenn Sie einen Karren mit konstanter Kraft bewegen, hängt seine Geschwindigkeit von der Umgebung ab, in der er sich bewegt – in diesem Fall vom Asphalt eines Parkplatzes. Aber wie verändert sich die Geschwindigkeit, wenn dieser Wagen in einer anderen Umgebung platziert wird, beispielsweise wenn er über einen Bordstein und auf Gras fährt? Gras ist eine andere „Umgebung“ für den Wagen. Auf Gras bewegt sich der Wagen deutlich langsamer als auf Asphalt. Es kommt auf den Widerstand an, und da der Widerstand auf Gras viel höher ist als auf dem Gehweg, müssen Sie mehr Kraft aufwenden, um den Wagen zu bewegen.

Wenn Sie den Wagen jedoch schräg über das Gras schieben, ändert sich seine Rollbewegung. Trifft das rechte Rad zuerst auf das Gras, wird es langsamer, während sich das linke Rad auf dem Bürgersteig noch schneller bewegt. Aus diesem Grund beginnt sich der Wagen nach links zu neigen, während er über das Gras fährt. Doch sobald man den Karren von der Rasenfläche auf den Gehweg bewegt, beginnt sich ein Rad schneller zu drehen als das andere und der Karren dreht sich um.

Nach dem gleichen Prinzip wird ein Lichtstrahl gebogen, wenn er auf ein transparentes Prisma trifft. Eine Seite der Lichtwelle ist etwas langsamer als die andere, sodass der Strahl die Luft-Glas-Grenzfläche in einem anderen Winkel durchquert (im Wesentlichen wird der Lichtstrahl von der Oberfläche des Prismas reflektiert). Das Licht dreht sich erneut, wenn es das Prisma verlässt, da sich eine Seite des Lichts schneller bewegt als die andere.

Zusätzlich zum eigentlichen Prozess der Lichtbeugung zerlegt ein Prisma weißes Licht in seine Farbbestandteile. Jede Farbe des weißen Lichts hat ihre eigene charakteristische Frequenz, wodurch sich die Farben beim Durchgang durch das Prisma mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten.

Farbe, die sich in Glas langsam bricht, wird stärker gebogen, wenn sie aus der Luft in das Prisma eintritt, da sich die Farbe in verschiedenen Umgebungen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegt. Die Farbe, die sich im Glas schneller bewegt, wird nicht wesentlich schwächer, sodass es sich nicht so stark verbiegt. Dadurch werden alle Farben des Regenbogens, aus denen weißes Licht besteht, beim Durchgang durch das Glas frequenzgetrennt. Wenn Glas das Licht zweimal bricht, wie es bei einem Prisma der Fall ist, kann der Mensch alle getrennten Farben des weißen Lichts viel besser sehen. Dies nennt man Dispersion.

Regentropfen können Licht brechen und streuen, genau wie sie es im Inneren eines Prismas tun. Unter bestimmten Bedingungen erscheint infolge einer solchen Lichtbrechung ein Regenbogen am Himmel.

Im religiösen Glauben der alten Völker wurde dem Regenbogen die Rolle einer Brücke zwischen Erde und Himmel zugeschrieben. In der griechisch-römischen Mythologie ist sogar eine besondere Göttin des Regenbogens bekannt – Iris. Die griechischen Wissenschaftler Anaximenes und Anaxagoras glaubten, dass Regenbögen durch die Reflexion der Sonne in einer dunklen Wolke entstanden seien. Aristoteles skizzierte Ideen über den Regenbogen in einem speziellen Abschnitt seiner Meteorologie. Er glaubte, dass ein Regenbogen durch die Reflexion von Licht entsteht, aber nicht nur von der gesamten Wolke, sondern von ihren Tropfen.

Im Jahr 1637 stellte der berühmte französische Philosoph und Wissenschaftler Descartes eine mathematische Theorie des Regenbogens auf, die auf der Lichtbrechung basierte. Anschließend wurde diese Theorie von Newton anhand seiner Experimente zur Zerlegung von Licht in Farben mithilfe eines Prismas ergänzt. Die durch Newton ergänzte Theorie von Descartes konnte die gleichzeitige Existenz mehrerer Regenbögen, ihre unterschiedlichen Breiten, das obligatorische Fehlen bestimmter Farben in den Farbstreifen oder den Einfluss der Größe von Wolkentröpfchen auf das Erscheinungsbild des Phänomens nicht erklären. Die genaue Theorie des Regenbogens, basierend auf Ideen zur Lichtbeugung, wurde 1836 vom englischen Astronomen D. Airy aufgestellt. Airy betrachtete den Regenschleier als räumliche Struktur, die das Auftreten von Beugung gewährleistet, und erklärte alle Merkmale des Regenbogens. Seine Theorie hat ihre Bedeutung für unsere Zeit voll und ganz behalten.

Ein Regenbogen ist ein optisches Phänomen, das in der Atmosphäre auftritt und wie ein mehrfarbiger Bogen am Firmament aussieht. Es wird beobachtet, wenn die Sonnenstrahlen einen Regenvorhang auf der der Sonne gegenüberliegenden Seite des Himmels beleuchten. Das Zentrum des Regenbogenbogens liegt in der Richtung einer geraden Linie, die durch die Sonnenscheibe (auch wenn sie vor der Beobachtung durch Wolken verborgen ist) und das Auge des Beobachters verläuft, d. h. an einem Punkt gegenüber der Sonne. Der Bogen des Regenbogens ist Teil eines um diesen Punkt beschriebenen Kreises mit einem Radius von 42°30 Zoll (im Winkelmaß).

Ein Beobachter kann manchmal mehrere Regenbögen gleichzeitig sehen – den Haupt-, Neben- und Nebenregenbogen. Der Hauptregenbogen ist ein farbiger Bogen auf Tropfen der zurückweichenden Regendecke und erscheint immer auf der der Sonne gegenüberliegenden Seite des Himmels. Wenn die Sonne am Horizont steht, beträgt die Höhe der Oberkante des Hauptregenbogens im Winkel 42°30". Wenn die Sonne über dem Horizont aufgeht, nimmt der sichtbare Teil des Regenbogens ab. Wenn die Sonne eine Höhe von 42° erreicht 30", wird der Regenbogen für einen Beobachter auf der Erdoberfläche nicht sichtbar sein, aber wenn er in dem Moment, in dem er verschwindet, auf einen Turm oder den Mast eines Schiffes klettert, dann ist der Regenbogen wieder zu sehen.

Von einem hohen Berg oder aus einem Flugzeug aus betrachtet kann ein Regenbogen als vollständiger Kreis erscheinen. Aristoteles bewies mathematisch, dass die Sonne, der Standort des Beobachters und das Zentrum des Regenbogens auf derselben Geraden liegen. Je höher also die Sonne über den Horizont steigt, desto tiefer fällt die Mitte des Regenbogens. In unwegsamem Gelände sind auch Regenbögen vor dem Hintergrund der Landschaft zu sehen.

Interessant ist die Anordnung der Farben im Regenbogen. Es ist immer konstant. Die rote Farbe des Hauptregenbogens befindet sich am oberen Rand, die violette am unteren Rand. Zwischen diesen Extremfarben folgen die übrigen Farben in der gleichen Reihenfolge wie im Sonnenspektrum. Grundsätzlich enthält ein Regenbogen nie alle Farben des Spektrums. Am häufigsten fehlen blaue, dunkelblaue und satte reine Rottöne oder sind nur schwach ausgeprägt. Mit zunehmender Größe der Regentropfen werden die Farbstreifen des Regenbogens schmaler und die Farben selbst werden gesättigter. Das Vorherrschen von Grüntönen in diesem Phänomen weist normalerweise auf einen späteren Übergang zu gutem Wetter hin. Das Gesamtbild der Farben des Regenbogens ist unscharf, da es durch eine ausgedehnte Lichtquelle entsteht.

Oberhalb des Hauptregenbogens befindet sich ein Seitenregenbogen mit einem Farbwechsel gegenüber dem Hauptregenbogen. Die Winkelhöhe der Oberkante des Nebenregenbogens beträgt 53°32". Darüber hinaus sind vom violetten Ende des Hauptregenbogens aus manchmal Nebenregenbögen zu beobachten; ihre vorherrschenden Farben sind Grün und Rosa. In seltenen Fällen sind Nebenregenbögen zu beobachten werden auch am violetten Rand des Sekundärregenbogens beobachtet. Sekundärregenbögen sind in höheren Schichten der Regendecke breiter, wo die Regentropfen kleiner sind.

Bei der künstlichen Reproduktion des Phänomens im Labor konnten bis zu 19 Regenbögen erhalten werden. Über dem Stausee können weitere Regenbögen beobachtet werden, die nicht konzentrisch zueinander angeordnet sind. Für den einen ist die Lichtquelle die Sonne, für den anderen ihre Reflexion von der Wasseroberfläche. Unter diesen Bedingungen kann es auch zu „auf dem Kopf stehenden“ Regenbögen kommen.

Nachts, bei Mondlicht und Nebel, ist in den Bergen und an den Küsten der Meere ein weißer Regenbogen zu sehen. Diese Art von Regenbogen kann auch entstehen, wenn Nebel dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Es sieht aus wie ein glänzend weißer Bogen, der außen gelblich und orangerot und innen blauviolett bemalt ist.

Wenn durch die Einwirkung von Mondlicht auf Regentropfen ein Regenbogen entsteht, erscheint er weiß. In manchen Fällen erscheint es aufgrund der geringen Lichtintensität nur weiß. Diese Art von Regenbogen kann sich in einen farbigen Regenbogen verwandeln, wenn die Regentropfen größer werden. Umgekehrt kann ein bunter Regenbogen an Farbe verlieren, wenn sich der Regen in feinen Nebel verwandelt. In der Regel ist die Farbe des Regenbogens bei kleinen Tropfen schwach ausgeprägt.

Regenbogen sieht man nicht nur im Regenschleier. In kleinerem Maßstab ist es auf Wassertropfen in der Nähe von Wasserfällen, Springbrunnen und in der Brandung zu sehen. Als Lichtquelle können in diesem Fall nicht nur die Sonne und der Mond, sondern auch ein Scheinwerfer dienen.

Die Struktur des Regenbogens.

Man kann sich den Regenbogen als ein riesiges Rad vorstellen, dessen Achse an einer imaginären geraden Linie befestigt ist, die durch die Sonne und den Beobachter verläuft.

In der Figur wird diese Gerade als Gerade OO 1 bezeichnet; O ist der Beobachter, OCD ist die Ebene der Erdoberfläche, ?AOO 1 = j ist die Winkelhöhe der Sonne über dem Horizont. Um tan(j) zu ermitteln, genügt es, die Körpergröße des Beobachters durch die Länge des von ihm geworfenen Schattens zu dividieren. Punkt O 1 wird Antisolarpunkt genannt; er liegt unterhalb der Horizontlinie CD. Aus der Abbildung geht hervor, dass der Regenbogen den Kreis der Basis eines Kegels darstellt, dessen Achse OO 1 ist; j ist der Winkel, den die Achse des Kegels mit einem seiner Generatoren bildet (der Öffnungswinkel des Kegels). Natürlich sieht der Beobachter nicht den gesamten angezeigten Kreis, sondern nur den Teil davon (in der Abbildung Abschnitt SVD), der sich über der Horizontlinie befindet. Beachten Sie, dass?AOB = Ф der Winkel ist, in dem der Beobachter die Spitze des Regenbogens sieht, und?AOD = a der Winkel ist, in dem der Beobachter jede Basis des Regenbogens sieht. Es ist klar, dass

Ф + j = g (2.1).

Somit hängt die Position des Regenbogens im Verhältnis zur umgebenden Landschaft von der Position des Beobachters im Verhältnis zur Sonne ab, und die Winkelabmessungen des Regenbogens werden durch die Höhe der Sonne über dem Horizont bestimmt. Der Beobachter ist die Spitze eines Kegels, dessen Achse entlang der Linie gerichtet ist, die den Beobachter mit der Sonne verbindet. Der Regenbogen ist der Teil des Umfangs der Basis dieses Kegels, der über der Horizontlinie liegt. Wenn sich der Beobachter bewegt, bewegt sich der angegebene Kegel und damit der Regenbogen entsprechend.

Hier sind zwei Klarstellungen erforderlich. Erstens: Wenn wir von einer geraden Linie sprechen, die den Beobachter mit der Sonne verbindet, meinen wir nicht die wahre, sondern die beobachtete Richtung zur Sonne. Es unterscheidet sich vom echten durch den Brechungswinkel.

Zweitens: Wenn wir von einem Regenbogen über dem Horizont sprechen, meinen wir einen relativ weit entfernten Regenbogen – wenn der Regenvorhang mehrere Kilometer von uns entfernt ist.

Sie können auch einen nahegelegenen Regenbogen beobachten, beispielsweise einen Regenbogen, der vor dem Hintergrund eines großen Brunnens erscheint. In diesem Fall scheinen die Enden des Regenbogens in die Erde zu gehen. Der Grad der Entfernung des Regenbogens vom Beobachter hat offensichtlich keinen Einfluss auf seine Winkelabmessungen. Aus (2.1) folgt Ф = g - j.

Für den primären Regenbogen beträgt der Winkel y etwa 42° (für den gelben Teil des Regenbogens) und für den sekundären Regenbogen beträgt dieser Winkel 52°. Dies macht deutlich, warum ein irdischer Beobachter den primären Regenbogen nicht bewundern kann, wenn die Höhe der Sonne über dem Horizont 42° übersteigt, und warum er den sekundären Regenbogen nicht sehen wird, wenn die Höhe der Sonne 52° übersteigt.

Regenbogenbildung.

Der Hauptregenbogen entsteht durch die Reflexion von Licht in Wassertropfen. Durch die doppelte Lichtreflexion in jedem Tropfen entsteht ein seitlicher Regenbogen. In diesem Fall verlassen die Lichtstrahlen den Tropfen in anderen Winkeln als diejenigen, die den Hauptregenbogen erzeugen, und die Farben im Nebenregenbogen sind in umgekehrter Reihenfolge.

Strahlengang in einem Wassertropfen: a – mit einer Reflexion, b – mit zwei Reflexionen

Wir können uns den einfachsten Fall vorstellen: Lassen Sie einen Strahl paralleler Sonnenstrahlen auf kugelförmige Tropfen fallen. Ein auf die Oberfläche eines Tropfens einfallender Strahl wird im Inneren nach dem Brechungsgesetz gebrochen:

n1 sin b=n2 sin c

Wo N 1 =1,n 2 =1,33 - Brechungsindizes von Luft bzw. Wasser, B- Einfallswinkel und V- Lichtbrechungswinkel.

Innerhalb des Tropfens verläuft es in einer geraden Linie. Dann wird der Strahl teilweise gebrochen und teilweise reflektiert. Es ist zu beachten, dass die Intensität des reflektierten Strahls umso geringer und die Intensität des gebrochenen Strahls umso größer ist, je kleiner der Einfallswinkel ist. Nach der Reflexion erreicht der Strahl einen anderen Punkt, an dem ebenfalls eine teilweise Reflexion und teilweise Brechung des Lichts auftritt. Der gebrochene Strahl verlässt den Tropfen in einem bestimmten Winkel und der reflektierte Strahl kann sich weiter ausbreiten usw. Somit erfährt der Lichtstrahl im Tropfen eine mehrfache Reflexion und Brechung. Bei jeder Reflexion tritt ein Teil der Lichtstrahlen aus und ihre Intensität im Inneren des Tropfens nimmt ab. Der intensivste der in die Luft austretenden Strahlen ist der erste Strahl, der aus dem Tropfen austritt. Es ist jedoch schwierig, es zu beobachten, da es vor dem Hintergrund des hellen, direkten Sonnenlichts verloren geht.

Bei der Betrachtung der Entstehung eines Regenbogens muss noch ein weiteres Phänomen berücksichtigt werden – die ungleiche Brechung von Lichtwellen unterschiedlicher Länge, also Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe. Dieses Phänomen wird Dispersion genannt. Aufgrund der Dispersion sind die Brechungs- und Ablenkungswinkel der Strahlen in einem Tropfen für Strahlen unterschiedlicher Farbe unterschiedlich. Je mehr innere Reflexionen die Strahlen im Tropfen erfahren, desto schwächer ist der Regenbogen. Sie können einen Regenbogen beobachten, wenn die Sonne hinter dem Beobachter steht. Daher wird der hellste Primärregenbogen aus Strahlen gebildet, die eine interne Reflexion erfahren haben. Sie schneiden die einfallenden Strahlen in einem Winkel von etwa 42°. Der geometrische Ort von Punkten, die in einem Winkel von 42° zum einfallenden Strahl liegen, ist ein Kegel, der vom Auge an seiner Spitze als Kreis wahrgenommen wird. Bei Beleuchtung mit weißem Licht entsteht ein Farbstreifen, wobei der rote Bogen immer höher ist als der violette Bogen.