Lichtbrechung

 
Eine weitere Form der Wechselwirkung von Licht mit Materie ist die Lichtbrechung. In der Atmosphäre sind z.B. „Verformungen der Sonne“, „Luftspiegelungen“, „Grünes Leuchten“, „Regenbögen“, „Nebelbogen“, „Halos“, „Nebensonnen/Nebenmonde“, „Berührungsbögen“ sowie „Zirkumzenital- und Zirkumhorizontalbögen“ ganz oder teilweise auf Lichtbrechung zurückzuführen.

Lichtbrechung passiert überall dort, wo Licht von einem Medium in ein anderes übergeht. Dabei wird beim Übergang von einem optisch dünneren (kleinerer Brechungsindex) in ein optisch dichteres Medium (größerer Brechungsindex) ein „Lichtstrahl“ zum Lot hin gebrochen, in der Gegenrichtung vom Lot weg. Die Stärke der Lichtbrechung hängt dabei ausschließlich vom Verhältnis der beiden Brechungsindizes zueinander ab. Übersteigt beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium der Austrittswinkel an der Grenzfläche einen Wert von 90° zum Lot, so kann der „Lichtstrahl“ das optisch dichtere Medium nicht verlassen, es kommt zur „Totalreflexion“.

In der Atmosphäre sind optisch unterschiedlich dichte Luftmassen vorhanden. Die Brechungsindizes variieren dabei sowohl mit der Lufttemperatur und der Luftfeuchtigkeit als auch mit dem Luftdruck. Die optisch dichteste Luft ergibt sich bei niedriger Temperatur wenn gleichzeitig Dampfdruck (Kombination aus Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit) sowie Luftdruck relativ hoch sind. Die kleinsten Brechungsindizes weisen hingegen heiße Luftmassen bei einem relativ niedrigen Dampfdruck und Luftdruck auf. Betrachtet man den durchschnittlichen vertikalen Verlauf dieser Parameter in der Erdatmosphäre, so führen Luftdruck- und Dampfdruckabnahme mit der Höhe trotz des gleichzeitigen Rückgangs der Lufttemperatur zu einer kontinuierlichen Reduzierung des Brechungsindex mit steigender Höhe. Dadurch geraten „Lichtstrahlen“, die von außen in die Atmosphäre einfallen, in optisch zunehmend dichteres Medium und werden damit permanent, wenn auch nur geringfügig, zum Lot hin gebrochen. Diese „Krümmung der Lichtstrahlen“ hat demnach zur Folge, dass Sonne, Mond, Sterne und Planeten am Himmel stets etwas höher zu stehen scheinen als die Positionen, die sie tatsächlich einnehmen. Dieser Effekt macht sich in Horizontnähe, wo aufgrund des schrägen Lichteinfalls in die Atmosphäre die größten Winkeländerungen auftreten, und zudem die „Lichtstrahlen“ auch die relativ längste Wegstrecke durch unsere Lufthülle zurücklegen müssen, am deutlichsten bemerkbar (0‘ im Zenit; ~1‘ in 45°Höhe; ~4‘ in 15°Höhe; ~26‘ in 0.5°Höhe; ~35‘am Horizont).

Ähnlich der Lichtstreuung zeigt auch die Lichtbrechung eine Abhängigkeit von der Wellenlänge. Bei kurzwelligem Licht, violett und blau, nehmen dabei die Brechungsindizes stets höhere Werte ein als bei langwelligem Licht, orange und rot. Violettes Licht wird also stärker gebrochen als rotes Licht.
 
Bild rechts: Lichtbrechung durch ein Prisma
(Credit: LucasVB, Wikipedia, gemeinfrei)
Lichtbrechung durch ein Prisma

Andreas Pfoser, 26. Juli 2014

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