Das Sonnenlicht
Diese Seite beschäftigt sich mit besonders bunten Themen. Welche Farben enthält das Licht der Sonne? Warum ist der Himmel tagsüber oft blau und färbt sich bei Sonnenuntergang rötlich? Wie fächern Prismen Licht auf und warum sind Regenbogen immer rund?
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Die Farben der Sterne
Wenn man mit freiem Auge den Nachthimmel betrachtet, muss man schon ganz genau schauen (und wenig Umgebungslicht haben) um es zu erahnen: Nicht alle Sterne leuchten weiß. Ohne Fernrohr sieht man im Sternbild Leier den Stern Wega bläulich leuchten und Beteigeuze im Sternbild Orion erscheint uns in einem rötlichen Farbton. Mit Fernrohr zeigen weit noch mehr Sterne ihre Farbenpracht.
Welche Farben können Sterne „haben“ und warum sind sie so unterschiedlich? Alle Körper, also auch die Sterne, senden elektromagnetische Strahlung aus. Auch Menschen, Gegenstände, Tiere, Pflanzen, die Erde, Eiscreme, Tiefkühlpizza, rot glühendes Eisen, ... geben diese sogenannte Wärmestrahlung ab.
Die Temperatur des Körpers bestimmt, wie viel und in welchen Wellenlängen abgestrahlt wird. Das Gesamtbild dieser Abstrahlung nennt man das Spektrum (Mehrzahl: Spektren).
Wie liest man dieses Diagramm?
Die dargestellten idealen Spektren der Wärmestrahlung sehen wie rundliche Bergkuppen aus. Das Maximum ist jeweils die höchste Stelle des Berges. Die Kurve für die Sonnenstrahlung an der Sonnenoberfläche ist gelb, die für die Erde rot. Je heißer der Körper ist, desto höher ist der Berg und desto weiter links sein Maximum.
Fällt dir die merkwürdige Anordnung der Skalenunterteilung unten auf?
Wenn der nächstfolgende gleich große Abschnitt jeweils das
Wärmestrahlung
In der Simulation lässt sich das gut (mit idealisierten Werten) ausprobieren.
Bei welcher Farbe liegt das Maximum der Wärmestrahlung unserer Sonne? (Hinweis: Dabei ist es hilfreich, die Option „Werte in Grafik“ anzuhaken.)
Die Erde hat ihr Maximum im Bereich der Infrarotstrahlung, die viel heißere Sonne im Bereich des für Menschen sichtbaren Lichts.
Was denkst du, in welchem Wellenlängenbereich liegt bei dir das Maximum der Wärmestrahlung?
Ein großer Teil der von deinem Körper ausgesandten Wärmestrahlung liegt im infraroten Wellenlängenbereich. Das findet Anwendung bei dem berührungslosen Fiebermessen mit Infrarot Fieberthermometern, aber auch beim Erstellen von Wärmebildern.
Eine Wärmebildkamera wandelt die vom Objekt ausgehende Infrarotstrahlung in elektrische Signale bzw. in ein Bild in Falschfarben um.
Da wir von all den unterschiedlichen elektromagnetischen Wellenlängen mit unseren Augen nur das sichtbare Licht erfassen können, leuchtet die Sonne für uns weiß. Kleinere Sterne sind kühler und leuchten daher rötlich. Größere Sterne schauen für uns bläulich aus, da ihre Oberflächentemperatur viel höher ist, als die der Sonne.
Der genaue Farbeindruck eines Sterns hängt aber nicht nur von seiner Temperatur ab, sondern auch davon, welche chemischen Elemente er enthält. Die Elemente an der Oberfläche des Sterns nehmen einen Teil der Strahlung auf (Absorption) und entfernen sie somit aus dem Spektrum. Dadurch ergibt sich für unsere Sonne ein ganz minimaler Orangestich.
Lies dir den Text durch und mache die Übungen!
Sonnenlicht auf der Erde
Nicht der ganze Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung der Sonne kommt auch auf der Erde an. Einen Teil davon entfernt unsere Atmosphäre und verringert dadurch zum Beispiel den Anteil schädlicher UV-Strahlung. Die Abbildungen zeigen, welche Bereiche des Sonnenspektrums die Erdoberfläche erreichen und welche von den Molekülen in der Erdatmosphäre absorbiert werden:
Das menschliche Auge erfasst von all dem wiederum nur einen kleinen Bereich: Das für Menschen sichtbare Licht liegt im Wellenlängenbereich zwischen den energiereichen UV-Strahlen (ultravioletten Strahlen) und den IR-Strahlen (infraroten Strahlen). Das Lichtspektrum, also die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, liegt zwischen 380 Nanometer und 750 nm. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung. Normalsichtige Menschen nehmen Farbtöne von Violett, über Blau nach Grün zu Gelb und Rot war. Weiß erscheinendes Tageslicht besteht dabei aus der Überlagerung dieser Farben.
Elektromagnetische Strahlung
Bewege das Lichtspektrum an die richtige Stelle im elektromagnetischen Spektrum!
Der für uns sichtbare Teil erstreckt sich zwischen den kürzerwelligen UV-Strahlen und den längerwelligen IR-Strahlen.
Überlege, welches Licht energiereicher ist! Blaues oder rotes Licht?
Blaues Licht hat mehr Energie als rotes Licht.
Prisma
Mit Hilfe eines Prismas lässt sich das weiß erscheinende Sonnenlicht zerlegen und sein Farbspektrum wird sichtbar. Beim Auftreffen auf den Grenzflächen zwischen Luft und Glas werden die verschiedenen, überlagerten Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen und jede Farbe unter einem anderen Winkel abgelenkt. Dabei wird Licht der Spektralfarbe Blau (hohe Energie) viel stärker gebrochen als Licht der Spektralfarbe Grün, und dies wieder stärker als Rot (niedrige Energie). Dadurch werden die Farben aufgefächert. Dieses Auffächern des Lichts wird Dispersion genannt.
Der von uns wargenommene Farbton des aufgefächerten Lichts ändert sich dabei kontinuierlich von Violett über Blau nach Grün zu Gelb und Rot.
Regenbogen
Fast genauso wie im Prisma funktioniert es auch beim Regenbogen. Kleine Wassertröpfchen, die in der Luft schweben, wirken hier ähnlich wie viele kleine Prismen. Aber zusätzlich zur Lichtbrechung kommt es auch noch zur Spiegelung (Totalreflexion) des Sonnenlichts an der Rückseite der Tropfen.
Der Strahlengang in dieser Abbildung ist allerdings stark vereinfacht. Von jedem Tröpfchen gehen eigentlich kegelmantelförmige Strahlen aus. Das passiert, weil die Tropfen rund sind und daher runde Grenzflächen haben (nicht ebene Grenzflächen wie das Prisma). Das Licht wird in Form eines Kegelmantels mit einem bestimmten – für jede Farbe aber leicht unterschiedlichen – Winkel abgelenkt.
Das passiert mit all den Millionen Wassertröpfchen vor uns. Dadurch trifft die gleiche Farbe noch sehr oft unser Auge, von vielen verschiedenen Regentropfen aus.
Stell dir vor, du könntest einzelne Tropfen vergrößern. Bewege den Tropfen und beobachte die Farben!
Info für Lehrer*innen- In welcher Reihenfolge werden die Farben zum Raumschiff reflektiert?
- Was würdest du vom Raumschiff aus sehen, wenn du den Tropfen noch weiter nach unten bewegen könntest?
Jeder Mensch nimmt seinen bzw. ihren ganz individuellen Regenbogen war.
Um den Regenbogen sehen zu können, muss die Sonne im Rücken stehen (dein Schatten zeigt dann Richtung Regenbogen). Die persönliche Regenbogenwahrnehmung verändert sich, wenn man sich bewegt.
Sie unterscheidet sich von den Wahrnehmungen anderer Personen, da natürlich niemand seine Augen gleichzeitig an genau der gleichen Stelle wie eine andere Person haben kann.
Das Licht der Sonne wird an jedem einzelnen Regentropfen in das ganze Spektrum aufgefächert. Aber aufgrund der unterschiedlichen Streuwinkel (
Den ganzen Regenbogen kann man übrigens nur aus der Luft sehen. Am Boden stehend sieht man maximal den halben.
Ein doppelter Regenbogen entsteht durch mehrfache Brechung in den Wassertropfen. Der äußere Bogen zeigt die Farben dadurch in umgekehrter Reihenfolge und weniger lichtstark.
Vom blauen Himmel und dem Abendrot
Warum ist der Himmel tagsüber oft blau und färbt sich bei Sonnenuntergang rötlich? Warum erscheint uns die Sonne manchmal weiß, manchmal aber auch gelb oder rot?
Die Antwort liegt in der Zusammensetzung unserer Atmosphäre: Moleküle, winzige Wassertröpfchen und winzige Staubteilchen in unserer Atmosphäre lenken einen Teil des Sonnenlichts zur Seite ab. Dieser Vorgang wird Rayleigh-Streuung genannt. Dabei werden kurzwellige (blaue) Lichtanteile stärker abgelenkt als langwellige (rote) und der Himmel erscheint uns tagsüber blau, während die Sonne ganz leicht gelblich wirkt.
Beobachte, welche Farben die Beobachterin zu verschiedenen Tageszeiten in der Atmosphäre wahrnimmt!
Wenn die Sonne am Morgen oder am Abend tief am Horizont steht, hat das Licht einen längeren Weg durch die Atmosphäre, so dass beim Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang auch schon viel rotes Streulicht zu sehen ist. Je nachdem wie viele Staubpartikel, Wassertröpfchen, Wasserdampf etc. in der Atmosphäre sind, sehen Sonnenuntergänge unterschiedlich spektakulär aus.
Diese Form der Lichtstreuung in der Erdatmosphäre ist auch der Grund, warum Berge in der Ferne blau aussehen und auch der Mond nahe am Horizont rötlicher wirkt.
Im Gegensatz zur Erdatmosphäre enthält die dünne Atmosphäre am Mars viel mehr groben Staub, wodurch andere Streumechanismen in den Vordergrund rücken und den Himmel tagsüber beige-orange und bei Sonnenuntergang bläulich färben. Auf der Erde kann diese Situation gelegentlich auch auftreten, bei Sandstürmen oder Vulkanausbrüchen.
