AhA: Warum ist der Regenbogen rund?

Wenn irgendetwas in der Natur kreis- oder kugelrund ist, sind physikalische Kräfte am Werk. Die Schwerkraft hält einen Planeten in Form, die Oberflächenspannung eine Seifenblase. Was aber krümmt den Regenbogen?

Er entsteht nur, wenn es regnet und gleichzeitig die Sonne scheint. Stellen Sie sich vor, Sie schauen auf eine Regenwand, die Sonne im Rücken. Das Sonnenlicht trifft dort auf unzählige Regentropfen – schon kommt die Physik ins Spiel. Wassermoleküle werden durch starke Bindungskräfte zusammengehalten. Daher sind kleine Regentropfen kugelrund. Große Tropfen werden während des Falls durch den Luftwiderstand unten etwas eingedellt.

Ohne runde Tropfen wird’s nichts mit dem Regenbogen. Erstaunlich, dass sich die Symmetrie der kleinen Wasserkugeln in einem großen Gebilde spiegelt, das den ganzen Himmel überspannt. Zumal die Sonnenstrahlen in den Tropfen je nach Auftreffpunkt unterschiedliche Wege nehmen.

Beim Übergang von Luft zu Wasser wird Sonnenlicht vom Kurs abgebracht. Es wird nach innen gebrochen, durchquert den Tropfen, wird an dessen Rückwand wie an einem Spiegel reflektiert und beim Austritt in die Luft erneut gebrochen. „Die Lichtstrahlen treffen die Regentropfen an unterschiedlichen Randzonen“, sagt Tobias Haist vom Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart. „Deshalb werden sie unter verschiedenen Winkeln zurückgeworfen.“ Vor dem Auge des Beobachters öffnet sich ein Lichtkegel.

Diesen aufgehellten Bereich des Himmels umgrenzt ein strahlendes Band: der Regenbogen. Denn bei dem Zusammenspiel aus Brechung, Reflexion und nochmaliger Brechung kann der Rückstrahlwinkel einen Wert von 42 Grad nicht übersteigen. „Die meisten Strahlen werden gerade mit diesem Grenzwinkel zum Betrachter zurückgeworfen“, sagt der Physiker Haist. Daher ist die Lichtintensität bei 42 Grad am höchsten.

Das leuchtende Band ist außerdem farbig. Wie kleine Prismen zerlegen die Wassertröpfchen das weiße Sonnenlicht in verschiedene Spektralfarben. Blaues Licht wird stärker gebrochen als rotes. So erscheint der Regenbogen außen rot und innen violett.

Zugegeben: Es ist schwer einzusehen, warum das Licht nicht unter einem Winkel größer als 42 Grad zurückgestrahlt wird. Entscheidend dafür ist das spezielle Brechungsvermögen des Wassers. Der Rest ist Formsache. Und ein bisschen Geometrie.Thomas de Padova