Physik
Warum wird ein Regenbogen kreisrund, wenn man ihn vom Flugzeug aus sieht?
Ein Regenbogen ist eigentlich immer ein voller Kreis aus Licht um den Punkt genau gegenüber der Sonne. Vom Boden aus schneidet der Horizont die untere Hälfte ab, deshalb sieht man nur einen Bogen - aus großer Höhe wie im Flugzeug fehlt diese Kante, und der komplette Ring wird sichtbar.
Wie ein einzelner Regentropfen Licht in einen Kegel verwandelt
Ein Regenbogen entsteht nicht am Himmel, sondern in Millionen winzigen Regentropfen gleichzeitig. Trifft ein Sonnenstrahl auf einen Tropfen, wird er beim Eintritt gebrochen, an der Rückwand des Tropfens einmal reflektiert und beim Austritt noch einmal gebrochen. Insgesamt wird das Licht dabei um einen bestimmten Winkel von seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Bei den meisten Eintrittswinkeln verteilt sich das Licht breit und unauffällig. Aber es gibt einen Winkelbereich, bei dem besonders viele Strahlen im selben Ausgangswinkel gebündelt werden, nämlich bei rund 42 Grad zur Linie zwischen Sonne, Auge und Tropfen. Genau dort konzentriert sich das Licht so stark, dass wir es als hellen Streifen wahrnehmen. Weil dieser Effekt für Licht aus jeder Himmelsrichtung um den Beobachter herum gleichermaßen auftritt, entsteht kein einzelner Lichtpunkt, sondern ein kompletter Kegelmantel aus 42-Grad-Licht, der sich um die Blickachse legt.
Warum ausgerechnet 42 Grad - und warum der Bogen bunt ist
Der 42-Grad-Winkel ist kein Zufall, sondern das Ergebnis der Geometrie von Brechung und Reflexion in einer Kugel aus Wasser. Er ist außerdem nicht für jede Lichtfarbe exakt gleich. Weißes Sonnenlicht besteht aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen, und Wasser bricht kürzere Wellenlängen wie Violett etwas stärker als längere wie Rot. Dadurch verschiebt sich der Bündelungswinkel je nach Farbe minimal, Rot liegt bei etwa 42 Grad, Violett bei etwa 40 Grad. Diese kleine Verschiebung reicht aus, um das eintretende weiße Licht in seine Spektralfarben aufzufächern. Deshalb ist der Regenbogen kein weißer Ring, sondern zeigt außen Rot und innen Violett, mit den übrigen Farben des Spektrums dazwischen.
Der Regenbogen ist ein Kegel um den Schatten deines Kopfes
Damit dieser Effekt überhaupt sichtbar wird, muss die Sonne im Rücken des Beobachters stehen und Regen vor ihm fallen. Der Punkt am Himmel, der der Sonne genau gegenüberliegt, heißt Antisolarpunkt. Er liegt exakt dort, wo auch der Schatten deines eigenen Kopfes hinfällt, wenn du auf eine Fläche schaust. Der komplette Regenbogen ist ein Kreis aus 42-Grad-Licht rund um diesen Punkt, mit deinem Auge als Spitze des Kegels. Vom Boden aus liegt der Antisolarpunkt aber meist unterhalb der Horizontlinie, denn er ist der Gegenpunkt zur Sonne, die selbst über dem Horizont steht. Alles, was vom Kreis unterhalb des Horizonts liegen würde, wird vom Boden verdeckt oder fällt schlicht in den Erdboden statt in Regentropfen. Übrig bleibt nur der obere Teil des Kreises, den wir als Bogen sehen.
Warum aus dem Flugzeug der volle Kreis erscheint
Je höher der Beobachter über dem Boden steht, desto tiefer sinkt der Antisolarpunkt relativ zum sichtbaren Horizont, und desto mehr vom Lichtkegel liegt oberhalb dieser Kante. Vom Gipfel eines Bergs oder aus einem Hochhaus kann man deshalb schon deutlich mehr als einen Halbkreis sehen, wenn unterhalb genug Regentropfen in der Luft hängen. Aus einem Flugzeug in mehreren Kilometern Höhe verschwindet die Horizontkante praktisch komplett aus der relevanten Blickrichtung nach unten. Befinden sich dann Regentropfen oder feiner Sprühnebel unterhalb des Flugzeugs und scheint die Sonne von der anderen Seite, kann der gesamte 42-Grad-Kegel ungehindert auf Wassertröpfchen treffen. Das Ergebnis ist der volle, geschlossene Ring, der sich oft um den Schatten des Flugzeugs selbst legt.
Jeder Mensch sieht seinen eigenen, persönlichen Regenbogen
Ein Regenbogen hat keinen festen Ort in der Landschaft. Er ist eine Blickrichtung, keine Sache, die irgendwo steht. Der Kegel aus 42-Grad-Licht ist immer exakt auf die Linie zwischen Sonne, dem eigenen Auge und dem eigenen Antisolarpunkt zentriert. Bewegt sich der Kopf auch nur einen Meter zur Seite, verschiebt sich diese ganze Achse mit, und es sind andere Regentropfen, die jetzt im richtigen Winkel stehen, um Licht zurückzuwerfen. Zwei nebeneinanderstehende Menschen sehen deshalb streng genommen nie denselben Regenbogen, sondern zwei verschiedene, aus unterschiedlichen Tropfen gebaute Lichtkegel, die nur zufällig sehr ähnlich aussehen. Das erklärt auch, warum man einen Regenbogen nie erreichen kann: Läuft man auf ihn zu, wandert der Antisolarpunkt und damit der ganze Kegel exakt mit.
Häufige Fragen
Warum kann man einen Regenbogen nie erreichen, egal wie weit man läuft?
Weil der Regenbogen kein fester Ort ist, sondern ein Lichtkegel, der immer exakt um die Linie Sonne-Auge-Antisolarpunkt zentriert ist. Bewegt sich der Beobachter, wandert diese Achse und damit der ganze Bogen mit.
Was ist der schwächere, zweite Bogen über dem Hauptregenbogen?
Das ist der Nebenregenbogen. Er entsteht, wenn Licht im Tropfen zweimal statt einmal reflektiert wird, liegt bei einem größeren Winkel von etwa 51 Grad und zeigt die Farben in umgekehrter Reihenfolge. Weil bei jeder Reflexion Licht verloren geht, ist er deutlich lichtschwächer.
Warum sieht man einen Regenbogen nie mittags bei hochstehender Sonne?
Der Antisolarpunkt liegt der Sonne genau gegenüber. Steht die Sonne sehr hoch am Himmel, läge er weit unter dem Horizont, und der gesamte 42-Grad-Kegel würde in den Boden zeigen statt in die Luft.
