Lichtstreuung

 
Lichtstreuung beschreibt eine Form der Wechselwirkung von Licht mit Materie. In der Atmosphäre sind z.B. „Diffuses Himmelsblau“, „Blaue Berge“, „Alpenglühen“, „Morgenrot/Abendrot“, „Gegendämmerung“, „Purpurlicht“, „Blaue Stunden“, „Dämmerungs-/Wolkenstrahlen“ und „Glorie“ ganz oder teilweise auf Lichtstreuung zurückzuführen.

Lichtstreuung passiert zunächst einmal überall dort, wo Licht auf eine raue Oberfläche trifft. Die unterschiedlich orientierten Flächenelemente verteilen nämlich dann das auftreffende Licht ungleichmäßig in alle möglichen Richtungen. Man spricht dabei von diffuser Streuung. In der Atmosphäre treten zwei andere Formen der Lichtstreuung auf, „Rayleigh-Streuung“ und „Mie-Streuung“, wobei der nach Baron John William Strutt Rayleigh (1842-1919) benannte Prozess die Lichtstreuung an den sehr kleinen Luftpartikeln bezeichnet, während es sich beim nach Gustav Adolf Feodor Mie (1868-1957) benannten Effekt um die Lichtstreuung an den weniger kleinen Staub- und Wolkenpartikeln (Wassertröpfchen und Eisteilchen) handelt.

Trifft Licht auf eines der sehr kleinen Luftpartikel (Moleküle und Atome), so wird von diesem zwar Licht mit gleicher Wellenlänge sofort wieder ausgesendet, allerdings nicht mehr „geradlinig“ weiter, sondern nun in alle möglichen Richtungen „gestreut“. Die Intensität, mit welcher das Licht jetzt in die unterschiedlichen Richtungen abgegeben wird, hängt dabei von der Größe des streuenden Partikels im Vergleich zur Wellenlänge der einfallenden Strahlung ab. Sehr kleine Teilchen (deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts) streuen etwa gleich viel Licht nach hinten, also in den Raum, aus dem der einfallende „Lichtstrahl“ kommt („Rückwärtsstreuung“) wie nach vorne („Vorwärtsstreuung“). Dabei sind auch die seitwärts gerichteten Anteile („Seitwärtsstreuung“) durchaus beachtlich und vergleichsweise hoch. Trifft hingegen Licht auf Staub- oder Wolkenteilchen, so führt der nun größere Radius der streuenden Partikel zu einer markanten Veränderung des Streubildes. Jetzt dominiert die Vorwärtsstreuung, während alle anderen Streurichtungen nur noch eine untergeordnete Rolle einnehmen. (Dieser Sachverhalt ist grafisch sehr gut dargestellt auf Hyper Physics von C.R. Nave)

Eine weitere Besonderheit der atmosphärischen Lichtstreuung ist ihre Wellenlängenabhängigkeit. Kurzwelliges Licht, violett und blau, wird stärker gestreut als langwelliges Licht, orange und rot, wobei der Unterschied umso größer ist je kleiner der Radius der streuenden Teilchen. Tatsächlich streuen die sehr kleinen Luftpartikel violettes Licht etwa 6 bis 12 mal so stark wie rotes. Bei den weniger kleinen Staubpartikeln (etwa in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge des Lichts) beträgt die Intensität des violetten Streulichts hingegen nur noch etwa das zweifache des roten Streulichts. Sind die Streuquerschnitte gar deutlich größer als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung, zum Beispiel bei Wolkenpartikeln mit Durchmessern zwischen etwa 1µm und 10µm, so verschwindet die Wellenlängenabhängigkeit. Violettes Licht wird hier etwa gleich stark gestreut wie rotes Licht.

Andreas Pfoser, 26. Juli 2014

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