Ein Regenbogen ist ein meteorologisches Phänomen, das durch Reflexion, Brechung und Dispersion von Licht in Wassertröpfchen verursacht wird, was zu einem Lichtspektrum am Himmel führt. Es hat die Form eines mehrfarbigen Kreisbogens. Regenbogen, die durch Sonnenlicht verursacht werden, erscheinen immer in dem Abschnitt des Himmels direkt gegenüber der Sonne.

Regenbogen können volle Kreise sein. Der Beobachter sieht jedoch normalerweise nur einen Bogen, der von beleuchteten Tröpfchen über dem Boden gebildet wird und auf einer Linie von der Sonne zum Auge des Beobachters zentriert ist.

In einem primären Regenbogen zeigt der Bogen auf der Außenseite Rot und auf der Innenseite Violett. Dieser Regenbogen wird dadurch verursacht, dass Licht beim Eintritt in ein Wassertröpfchen gebrochen wird, dann auf der Rückseite des Tröpfchens reflektiert und beim Verlassen wieder gebrochen wird.

In einem doppelten Regenbogen ist ein zweiter Bogen außerhalb des primären Bogens zu sehen, und die Reihenfolge seiner Farben ist umgekehrt, mit Rot auf der Innenseite des Bogens. Dies wird dadurch verursacht, dass das Licht zweimal an der Innenseite des Tröpfchens reflektiert wird, bevor es es verlässt.

Überblick
Ein Regenbogen befindet sich nicht in einer bestimmten Entfernung vom Beobachter, sondern kommt von einer optischen Täuschung, die durch irgendwelche Wassertröpfchen verursacht wird, die aus einem bestimmten Winkel relativ zu einer Lichtquelle betrachtet werden. Ein Regenbogen ist also kein Objekt und kann nicht physisch angegangen werden. In der Tat ist es für einen Beobachter unmöglich, einen Regenbogen aus Wassertröpfchen in einem anderen Winkel als dem üblichen von 42 Grad von der der Lichtquelle gegenüberliegenden Richtung zu sehen. Selbst wenn ein Beobachter einen anderen Beobachter sieht, der „unter“ oder „am Ende“ eines Regenbogens zu sein scheint, wird der zweite Beobachter einen anderen Regenbogen – weiter entfernt – in dem gleichen Winkel sehen wie der erste Beobachter.

Regenbogen überspannen ein kontinuierliches Farbspektrum. Jedes einzelne wahrgenommene Band ist ein Artefakt des menschlichen Farbsehens, und in einem Schwarz-Weiß-Foto eines Regenbogens ist keine Streifenbildung zu sehen, nur eine glatte Intensitätsabstufung bis zum Maximum, dann zur anderen Seite hin verblassend. Für Farben, die vom menschlichen Auge gesehen werden, ist die am häufigsten zitierte und in Erinnerung gebliebene Sequenz Newtons siebenfaches Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett, erinnert an das Kürzel Richard of York Gave Battle In Vain (ROYGBIV).

Regenbogen können durch viele Formen von Luft in der Luft verursacht werden. Dazu gehören nicht nur Regen, sondern auch Nebel, Spray und Lufttau.

Sichtweite
Regenbögen können beobachtet werden, wenn Wassertropfen in der Luft sind und das Sonnenlicht in einem niedrigen Winkel hinter dem Beobachter scheint. Aus diesem Grund werden Regenbögen normalerweise am Morgen im westlichen Himmel und am frühen Abend im östlichen Himmel gesehen. Die spektakulärsten Regenbogen-Displays finden statt, wenn der halbe Himmel noch dunkel ist mit wolkenverhangenen Wolken und der Beobachter sich an einem Ort mit klarem Himmel in Richtung Sonne befindet. Das Ergebnis ist ein leuchtender Regenbogen, der mit dem dunklen Hintergrund kontrastiert. Bei solch guten Sichtbedingungen ist oft der größere aber schwächere sekundäre Regenbogen sichtbar. Es erscheint etwa 10 ° außerhalb des primären Regenbogens, mit umgekehrter Reihenfolge der Farben.

Der Regenbogen-Effekt wird auch häufig in der Nähe von Wasserfällen oder Springbrunnen gesehen. Zusätzlich kann der Effekt künstlich erzeugt werden, indem Wassertröpfchen an einem sonnigen Tag in die Luft verteilt werden. Selten kann ein Mondbogen, Mond-Regenbogen oder nächtlicher Regenbogen in stark mondhellen Nächten gesehen werden. Da die menschliche visuelle Wahrnehmung für Farbe bei schwachem Licht schlecht ist, werden Mondbögen oft als weiß wahrgenommen.

Es ist schwierig, den vollständigen Halbkreis eines Regenbogens in einem Bild zu fotografieren, da dies einen Blickwinkel von 84 ° erfordern würde. Für eine 35-mm-Kamera wäre ein Weitwinkelobjektiv mit einer Brennweite von 19 mm oder weniger erforderlich. Nun, da Software zum Zusammenfügen mehrerer Bilder in ein Panorama zur Verfügung steht, können Bilder des gesamten Bogens und sogar sekundäre Bögen ziemlich einfach aus einer Reihe sich überlappender Rahmen erzeugt werden.

Über der Erde wie in einem Flugzeug ist es manchmal möglich, einen Regenbogen als vollen Kreis zu sehen. Dieses Phänomen kann mit dem Ruhmphänomen verwechselt werden, aber ein Ruhm ist normalerweise viel kleiner und bedeckt nur 5-20 °.

Der Himmel in einem primären Regenbogen ist heller als der Himmel außerhalb des Bogens. Das liegt daran, dass jeder Regentropfen eine Kugel ist und Licht über eine ganze Kreisscheibe am Himmel streut. Der Radius der Scheibe hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, wobei rotes Licht über einen größeren Winkel gestreut wird als blaues Licht. Über den größten Teil der Scheibe überlappt gestreutes Licht bei allen Wellenlängen, was zu weißem Licht führt, das den Himmel erhellt. Am Rand entsteht durch die Wellenlängenabhängigkeit der Streuung der Regenbogen.

Das Licht des primären Regenbogenbogens ist zu 96% tangential zum Bogen polarisiert. Licht des zweiten Bogens ist zu 90% polarisiert.

Anzahl der Farben im Spektrum oder Regenbogen
Ein Spektrum, das unter Verwendung eines Glasprismas und einer Punktquelle erhalten wird, ist ein Kontinuum von Wellenlängen ohne Bänder. Die Anzahl der Farben, die das menschliche Auge in einem Spektrum unterscheiden kann, liegt in der Größenordnung von 100. Demnach unterscheidet das Munsell-Farbsystem (ein System des 20. Jahrhunderts zur numerischen Beschreibung von Farben, basierend auf gleichen Schritten für die menschliche visuelle Wahrnehmung) 100 Farben. Die scheinbare Diskretion der Hauptfarben ist ein Artefakt der menschlichen Wahrnehmung und die genaue Anzahl der Hauptfarben ist eine willkürliche Wahl.

Newton, der einräumte, dass seine Augen bei der Unterscheidung der Farben nicht sehr kritisch waren, teilte ursprünglich (1672) das Spektrum in fünf Hauptfarben: Rot, Gelb, Grün, Blau und Violett. Später fügte er Orange und Indigo hinzu und gab sieben Hauptfarben analog zur Anzahl der Noten in einer Tonleiter. Newton entschied sich dafür, das sichtbare Spektrum in sieben Farben zu teilen, aus einer Überzeugung, die aus den Überzeugungen der antiken griechischen Sophisten stammte, die dachten, dass es eine Verbindung zwischen den Farben, den Musiknoten, den bekannten Objekten im Sonnensystem und den Tagen von die Woche.

Nach Isaac Asimov: „Es ist üblich, Indigo als eine Farbe zwischen Blau und Violett aufzulisten, aber es schien mir nie, dass Indigo die Würde wert ist, als separate Farbe betrachtet zu werden. Für meine Augen sieht es nur tiefblau aus. “

Das Farbmuster eines Regenbogens unterscheidet sich von einem Spektrum und die Farben sind weniger gesättigt. Es gibt ein spektrales Verschmieren in einem Regenbogen aufgrund der Tatsache, dass für eine bestimmte Wellenlänge eine Verteilung von Austrittswinkeln statt eines einzigen unveränderlichen Winkels existiert. Darüber hinaus ist ein Regenbogen eine unscharfe Version des Bogens, die von einer Punktquelle erhalten wird, da der Scheibendurchmesser der Sonne (0,5 °) nicht vernachlässigt werden kann verglichen mit der Breite eines Regenbogens (2 °). Die Anzahl der Farbbänder eines Regenbogens kann daher von der Anzahl der Bänder in einem Spektrum verschieden sein, insbesondere wenn die Tröpfchen besonders groß oder klein sind. Daher ist die Anzahl der Farben eines Regenbogens variabel. Wenn jedoch das Wort Regenbogen ungenau verwendet wird, um das Spektrum zu bezeichnen, ist es die Anzahl der Hauptfarben im Spektrum.

Die Frage, ob alle sieben Farben in einem Regenbogen sehen, hängt mit der Idee der linguistischen Relativität zusammen. Es wurden Vorschläge gemacht, dass es eine Universalität in der Art gibt, wie ein Regenbogen wahrgenommen wird. Jüngere Forschungsergebnisse legen jedoch nahe, dass die Anzahl der beobachteten Farben und deren Bezeichnung von der Sprache abhängen, die man für Menschen verwendet, deren Sprache weniger Farbwörter hat und weniger diskrete Farbbänder aufweist.

Erläuterung
Wenn Sonnenlicht auf einen Regentropfen trifft, wird ein Teil des Lichts reflektiert und der Rest tritt in den Regentropfen ein. Das Licht wird an der Oberfläche des Regentropfens gebrochen. Wenn dieses Licht auf die Rückseite des Regentropfens trifft, wird ein Teil davon von der Rückseite reflektiert. Wenn das intern reflektierte Licht die Oberfläche wieder erreicht, wird wieder etwas intern reflektiert und einige werden gebrochen, wenn es den Tropfen verlässt. (Das Licht, das vom Tropfen reflektiert wird, vom Rücken austritt oder nach der zweiten Begegnung mit der Oberfläche weiter im Tropfen herumspringt, ist für die Bildung des Primärregenbogens nicht relevant.) Der Gesamteffekt ist der Teil des einfallendes Licht wird über den Bereich von 0 ° bis 42 ° zurückreflektiert, wobei das intensivste Licht bei 42 ° liegt. Dieser Winkel ist unabhängig von der Größe des Tropfens, hängt jedoch von seinem Brechungsindex ab. Meerwasser hat einen höheren Brechungsindex als Regenwasser, daher ist der Radius eines „Regenbogens“ im Meeresspray kleiner als ein echter Regenbogen. Dies ist für das bloße Auge durch eine Fehlausrichtung dieser Bögen sichtbar.

Der Grund dafür, dass das zurückkehrende Licht am intensivsten bei etwa 42 ° ist, ist, dass dies ein Wendepunkt ist – Licht, das den äußersten Ring des Tropfens trifft, wird bei weniger als 42 ° zurückgeführt, ebenso wie das Licht den Tropfen näher zu seinem Zentrum trifft. Es gibt ein rundes Lichtband, das alle um 42 ° zurückkehrt. Wenn die Sonne ein Laser wäre, der parallele, monochromatische Strahlen aussendet, dann würde die Helligkeit (Helligkeit) des Bogens in diesem Winkel gegen unendlich gehen (ohne Interferenzeffekte zu ignorieren). (Siehe Ätzend (Optik).) Aber da die Luminanz der Sonne endlich ist und ihre Strahlen nicht alle parallel sind (sie bedeckt ungefähr ein halbes Grad des Himmels), geht die Luminanz nicht ins Unendliche. Darüber hinaus hängt der Betrag, um den Licht gebrochen wird, von seiner Wellenlänge und daher von seiner Farbe ab. Dieser Effekt wird als Dispersion bezeichnet. Blaues Licht (kürzere Wellenlänge) wird unter einem größeren Winkel als rotes Licht gebrochen, aber aufgrund der Reflexion von Lichtstrahlen von der Rückseite des Tröpfchens tritt das blaue Licht aus dem Tröpfchen in einem kleineren Winkel zu dem ursprünglichen einfallenden weißen Lichtstrahl aus das rote Licht. Aufgrund dieses Winkels ist Blau auf der Innenseite des Bogens des primären Regenbogens und rot auf der Außenseite zu sehen. Das Ergebnis ist nicht nur, dass verschiedene Teile des Regenbogens unterschiedliche Farben erhalten, sondern auch die Helligkeit verringert wird. (Ein „Regenbogen“ aus Tröpfchen einer Flüssigkeit ohne Dispersion wäre weiß, aber heller als ein normaler Regenbogen.)

Das Licht auf der Rückseite des Regentropfens unterliegt keiner totalen inneren Reflexion, und etwas Licht tritt von hinten aus. Das aus dem Regentropfen austretende Licht erzeugt jedoch keinen Regenbogen zwischen dem Beobachter und der Sonne, da die von der Rückseite des Regentropfens emittierten Spektren kein Maximum an Intensität haben, wie dies bei den anderen sichtbaren Regenbögen der Fall ist zusammen statt einen Regenbogen zu bilden.

Ein Regenbogen existiert nicht an einem bestimmten Ort. Viele Regenbogen existieren; Je nach Standpunkt des jeweiligen Beobachters kann jedoch nur eine als von der Sonne beleuchtete Lichttröpfchen gesehen werden. Alle Regentropfen brechen und reflektieren das Sonnenlicht auf die gleiche Weise, aber nur das Licht von einigen Regentropfen erreicht das Auge des Betrachters. Dieses Licht bildet den Regenbogen für diesen Beobachter. Das ganze System aus Sonnenstrahlen, dem Kopf des Beobachters und den (kugelförmigen) Wassertropfen hat eine axiale Symmetrie um die Achse durch den Kopf des Beobachters und parallel zu den Sonnenstrahlen. Der Regenbogen ist gekrümmt, weil die Menge aller Regentropfen, die den rechten Winkel zwischen dem Beobachter, dem Tropfen und der Sonne haben, auf einem Kegel liegt, der mit dem Beobachter an der Spitze zur Sonne zeigt. Die Basis des Kegels bildet einen Kreis in einem Winkel von 40-42 ° zur Linie zwischen dem Kopf des Beobachters und ihrem Schatten, aber 50% oder mehr des Kreises liegen unterhalb des Horizonts, es sei denn, der Beobachter befindet sich ausreichend weit über der Erdoberfläche Sehen Sie alles, zum Beispiel in einem Flugzeug (siehe oben). Alternativ kann ein Beobachter mit dem richtigen Blickwinkel den vollen Kreis in einem Springbrunnen oder Wasserfallspray sehen.

Mathematische Herleitung
Wir können den wahrgenommenen Winkel, den der Regenbogen einnimmt, wie folgt bestimmen.

Bei einem sphärischen Regentropfen, der den wahrgenommenen Winkel des Regenbogens als 2φ und den Winkel der internen Reflexion als 2β definiert, ist der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen in Bezug auf die Oberflächennormale des Tropfens 2β – φ. Da der Brechungswinkel β ist, gibt Snell’s Gesetz uns

sin (2β – φ) = n sin β,
wo n = 1,333 ist der Brechungsindex von Wasser. Lösen für φ, wir bekommen

φ = 2β – Arcsin (n sin β).
Der Regenbogen tritt dort auf, wo der Winkel φ bezüglich des Winkels β maximal ist. Daher können wir aus dem Kalkül dφ / dβ = 0 setzen und nach β auflösen, was ergibt

Das Wiedereinsetzen in die frühere Gleichung für φ ergibt 2φmax ≈ 42 ° als Radiuswinkel des Regenbogens.

Variationen

Mehrere Regenbögen
Sekundäre Regenbögen werden durch eine doppelte Reflexion des Sonnenlichts in den Regentropfen verursacht und sind auf die Sonne selbst zentriert. Sie sind etwa 127 ° (violett) bis 130 ° (rot) breit. Da dies mehr als 90 ° beträgt, werden sie auf der gleichen Seite des Himmels wie der primäre Regenbogen gesehen, ungefähr 10 ° darüber bei scheinbaren Winkeln von 50-53 °. Da das „Innere“ des Sekundärbogens für den Beobachter „hoch“ ist, erscheinen die Farben umgekehrt zum Primärbogen. Der sekundäre Regenbogen ist schwächer als der primäre, weil mehr Licht aus zwei Reflexionen als aus einem heraustritt und weil der Regenbogen selbst über einen größeren Bereich des Himmels verteilt ist. Jeder Regenbogen reflektiert weißes Licht innerhalb seiner farbigen Bänder, aber das ist „down“ für das primäre und „up“ für das sekundäre. Der dunkle Bereich des unbeleuchteten Himmels, der zwischen dem primären und sekundären Bogen liegt, wird Alexanders Band genannt, nach Alexander von Aphrodisias, der es zuerst beschrieb.

Twinned-Regenbogen
Im Gegensatz zu einem doppelten Regenbogen, der aus zwei getrennten und konzentrischen Regenbogenbögen besteht, erscheint der sehr seltene Zwillings-Regenbogen als zwei Regenbogenbögen, die sich von einer einzigen Basis trennen. Die Farben in der zweiten Schleife erscheinen nicht wie in einem sekundären Regenbogen, sondern in der gleichen Reihenfolge wie der primäre Regenbogen. Ein „normaler“ sekundärer Regenbogen kann ebenfalls vorhanden sein. Zwillings-Regenbögen können ähnlich aussehen, sollten aber nicht mit überzähligen Bändern verwechselt werden. Die zwei Phänomene können durch ihr unterschiedliches Farbprofil unterschieden werden: Überzählige Bänder bestehen aus gedämpften Pastelltönen (hauptsächlich Rosa, Violett und Grün), während der Zwillings-Regenbogen das gleiche Spektrum wie ein regulärer Regenbogen zeigt. Die Ursache für einen Zwillings-Regenbogen ist die Kombination verschiedener Größen von Wassertropfen, die vom Himmel fallen. Aufgrund des Luftwiderstandes fallen die Regentropfen flach, wenn sie fallen, und die Abflachung tritt bei größeren Wassertropfen stärker hervor. Wenn sich zwei Regenschauer mit unterschiedlich großen Regentropfen verbinden, erzeugen sie jeweils leicht unterschiedliche Regenbögen, die sich miteinander verbinden und einen Zwillings-Regenbogen bilden können. Eine numerische Ray-Tracing-Studie zeigte, dass ein Zwillings-Regenbogen auf einem Foto durch eine Mischung von 0,40 und 0,45 mm Tröpfchen erklärt werden könnte. Dieser kleine Unterschied in der Tröpfchengröße führte zu einem kleinen Unterschied in der Abflachung der Tröpfchenform und zu einem großen Unterschied in der Abflachung des Regenbogenoberteils.

Unterdessen wurde der noch seltenere Fall eines Regenbogens, der in drei Zweige gespalten war, in der Natur beobachtet und fotografiert.

Vollkreis-Regenbogen
In der Theorie ist jeder Regenbogen ein Kreis, aber vom Boden aus ist nur seine obere Hälfte zu sehen. Da das Zentrum des Regenbogens der Position der Sonne im Himmel diametral gegenübersteht, kommt ein größerer Teil des Kreises in Sicht, wenn sich die Sonne dem Horizont nähert, was bedeutet, dass der größte Teil des Kreises normalerweise etwa 50% während des Sonnenuntergangs oder Sonnenaufgangs beträgt. Die Betrachtung der unteren Hälfte des Regenbogens erfordert das Vorhandensein von Wassertröpfchen unter dem Horizont des Beobachters sowie das Sonnenlicht, das sie erreichen kann. Diese Anforderungen werden normalerweise nicht erfüllt, wenn sich der Betrachter auf Bodenhöhe befindet, entweder weil an der gewünschten Position keine Tropfen vorhanden sind oder weil das Sonnenlicht durch die Landschaft hinter dem Beobachter behindert wird. Von einem hohen Standpunkt, wie einem hohen Gebäude oder einem Flugzeug, können jedoch die Anforderungen erfüllt werden und der Vollkreis-Regenbogen kann gesehen werden. Wie ein partieller Regenbogen kann der kreisförmige Regenbogen auch einen sekundären Bogen oder überzählige Bögen haben. Es ist möglich, den vollen Kreis zu erzeugen, wenn man auf dem Boden steht, zum Beispiel indem man einen Wassernebel von einem Gartenschlauch wegsprüht, während er von der Sonne abgewandt ist.

Ein kreisförmiger Regenbogen sollte nicht mit dem Ruhm verwechselt werden, der im Durchmesser viel kleiner ist und durch verschiedene optische Prozesse erzeugt wird. Unter den richtigen Umständen können ein Ruhm und ein (kreisförmiger) Regenbogen- oder Nebelbogen zusammen auftreten. Ein anderes atmosphärisches Phänomen, das mit einem „kreisförmigen Regenbogen“ verwechselt werden kann, ist der 22 ° Halo, der eher durch Eiskristalle als durch flüssige Wassertröpfchen verursacht wird und sich um die Sonne (oder den Mond) herum befindet.

Überzählige Regenbögen
Unter bestimmten Umständen können ein oder mehrere schmale, schwach gefärbte Bänder gesehen werden, die an den violetten Rand eines Regenbogens angrenzen; dh innerhalb des primären Bogens oder, viel seltener, außerhalb des sekundären Bogens. Diese zusätzlichen Bänder werden überzählige Regenbögen oder überzählige Bänder genannt; zusammen mit dem Regenbogen selbst wird das Phänomen auch als Stapler-Regenbogen bezeichnet. Die überzähligen Bögen sind leicht vom Hauptbogen gelöst, werden mit ihrem Abstand immer schwächer und haben eher Pastellfarben (hauptsächlich rosa, lila und grün) als das übliche Spektrum. Der Effekt wird offensichtlich, wenn Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 1 mm oder weniger beteiligt sind; Je kleiner die Tröpfchen sind, desto breiter werden die überzähligen Banden und desto weniger gesättigt sind ihre Farben. Aufgrund ihres Ursprungs in kleinen Tröpfchen neigen überzählige Bänder dazu, in Fogbows besonders hervorstechend zu sein.

Überzählige Regenbögen können mit klassischen geometrischen Optiken nicht erklärt werden. Die abwechselnden schwachen Bänder werden durch Interferenz zwischen Lichtstrahlen verursacht, die leicht unterschiedlichen Pfaden mit leicht variierenden Längen innerhalb der Regentropfen folgen. Einige Strahlen sind in Phase, verstärken sich gegenseitig durch konstruktive Interferenz und erzeugen ein helles Band; andere sind um bis zu einer halben Wellenlänge phasenverschoben, heben sich durch destruktive Interferenz auf und schaffen eine Lücke. Angesichts der unterschiedlichen Brechungswinkel für Strahlen unterschiedlicher Farben sind die Interferenzmuster für Strahlen verschiedener Farben leicht unterschiedlich, so dass jedes helle Band farblich differenziert ist, wodurch ein kleiner Regenbogen entsteht. Überzählige Regenbögen sind am deutlichsten, wenn Regentropfen klein und von einheitlicher Größe sind. Die Existenz überzähliger Regenbogen war historisch gesehen ein erster Hinweis auf die Wellennatur des Lichts, und die erste Erklärung lieferte Thomas Young 1804.

Reflektierter Regenbogen, Reflexionsregenbogen
Wenn ein Regenbogen über einem Wasserkörper erscheint, können zwei komplementäre Spiegelbögen unter und über dem Horizont gesehen werden, die von verschiedenen Lichtpfaden ausgehen. Ihre Namen sind etwas anders.

Ein reflektierter Regenbogen kann in der Wasseroberfläche unter dem Horizont erscheinen. Das Sonnenlicht wird zuerst von den Regentropfen abgelenkt und dann vom Wasser reflektiert, bevor es den Beobachter erreicht. Der reflektierte Regenbogen ist häufig, zumindest teilweise, sogar in kleinen Pfützen sichtbar.

Ein Reflexionsregenbogen kann entstehen, wenn Sonnenlicht von einem Wasserkörper reflektiert wird, bevor es die Regentropfen erreicht (siehe Diagramm und), wenn der Wasserkörper groß ist, auf seiner gesamten Oberfläche ruhig ist und sich in der Nähe des Regenvorhangs befindet. Der Reflexionsregenbogen erscheint über dem Horizont. Es schneidet den normalen Regenbogen am Horizont, und sein Bogen reicht höher in den Himmel, mit seinem Zentrum so hoch über dem Horizont, wie das Zentrum des normalen Regenbogens darunter ist. Aufgrund der Kombination von Anforderungen ist ein Reflexions-Regenbogen nur selten sichtbar.

Bis zu acht separate Bögen können unterschieden werden, wenn die reflektierten und reflektierten Regenbogen gleichzeitig auftreten: Die normalen (nicht reflektierten) Primär- und Sekundärbögen über dem Horizont mit ihren reflektierten Gegenstücken darunter und die Reflexions- Primär- und Sekundärbögen über dem Horizont mit ihren reflektierten Gegenstücken darunter.

Einfarbiger Regenbogen
Gelegentlich kann es bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang zu einer Dusche kommen, bei der die kürzeren Wellenlängen wie Blau und Grün gestreut und im Wesentlichen aus dem Spektrum entfernt wurden. Durch den Regen kann es zu weiterer Streuung kommen, und das Ergebnis kann der seltene und dramatische monochrome oder rote Regenbogen sein.

Regenbogen höherer Ordnung
Neben den üblichen primären und sekundären Regenbögen können sich auch Regenbögen höherer Ordnung bilden. Die Ordnung eines Regenbogens wird durch die Anzahl der Lichtreflexionen in den Wassertröpfchen bestimmt, die ihn erzeugen: Eine Reflexion führt zum ersten oder primären Regenbogen; Zwei Reflexionen erzeugen den Regenbogen zweiter oder höherer Ordnung. Mehr innere Reflexionen verursachen Bögen höherer Ordnung – theoretisch bis ins Unendliche. Da mit jeder internen Reflexion jedoch mehr und mehr Licht verloren geht, wird jeder nachfolgende Bogen zunehmend dunkler und daher zunehmend schwieriger zu erkennen. Eine zusätzliche Herausforderung bei der Beobachtung der Regenbögen dritter Ordnung (oder tertiärer Ordnung) und vierter Ordnung (quaternärer Ordnung) ist ihre Anordnung in Richtung der Sonne (etwa 40 ° bzw. 45 ° von der Sonne), wodurch sie ertrinken seine Blendung.

Aus diesen Gründen sind natürlich vorkommende Regenbögen in einer Größenordnung von mehr als 2 mit bloßem Auge kaum sichtbar. Dennoch wurde in der Natur von Sichtungen des Bogens dritter Ordnung berichtet, und 2011 wurde er zum ersten Mal definitiv fotografiert. Kurz darauf wurde auch der Regenbogen der vierten Ordnung fotografiert, und 2014 wurden die ersten Bilder des Regenbogens der fünften Ordnung (oder des Quinärs) zwischen dem Primär- und dem Sekundärbogen veröffentlicht.

In einer Laborumgebung ist es möglich, Bögen mit viel höheren Ordnungen zu erstellen. Felix Billet (1808-1882) stellte Winkelpositionen bis zum Regenbogen der 19. Ordnung dar, ein Muster, das er „Regenbogenrose“ nannte. Im Labor ist es möglich, Regenbögen höherer Ordnung zu beobachten, indem extrem helles und gut kollimiertes Licht, das von Lasern erzeugt wird, verwendet wird. Bis zum Regenbogen 200. Ordnung wurde von Ng et al. im Jahr 1998 mit einer ähnlichen Methode, aber ein Argon-Ionen-Laserstrahl.

Tertiäre und quartäre Regenbögen sollten nicht mit „dreifachen“ und „vierfachen“ Regenbögen verwechselt werden – Begriffe, die manchmal irrtümlich verwendet werden, um sich auf die viel häufiger vorkommenden Bogen- und Reflexionsregenbogen zu beziehen.

Regenbogen unter Mondlicht
Wie die meisten atmosphärischen optischen Phänomene können Regenbögen durch Licht von der Sonne, aber auch vom Mond verursacht werden. Im letzteren Fall wird der Regenbogen als Mondregenbogen oder Mondbogen bezeichnet. Sie sind viel dunkler und seltener als Sonnenregenbogen und erfordern, dass der Mond fast voll ist, damit sie gesehen werden können. Aus dem gleichen Grund werden Moorbögen oft als weiß wahrgenommen und können als monochrom betrachtet werden. Das volle Spektrum ist jedoch vorhanden, aber das menschliche Auge ist normalerweise nicht empfindlich genug, um die Farben zu sehen. Langzeitbelichtung Fotos zeigen manchmal die Farbe in dieser Art von Regenbogen.

Fogbow
Oogbows bilden sich wie Regenbögen, werden aber von viel kleineren Wolken- und Nebeltröpfchen gebildet, die das Licht stark beugen. Sie sind fast weiß mit schwachen Rottönen auf der Außenseite und Blues im Inneren; oft können ein oder mehrere breite überzählige Bänder innerhalb der inneren Kante wahrgenommen werden. Die Farben sind schwach, weil der Bogen in jeder Farbe sehr breit ist und die Farben sich überlappen. Wenn Luft, die mit dem kühleren Wasser in Kontakt kommt, abgekühlt ist, werden Nebel gewöhnlich über Wasser gesehen, aber sie können überall gefunden werden, wenn der Nebel dünn genug ist, damit die Sonne hindurch scheint und die Sonne ziemlich hell ist. Sie sind sehr groß – fast so groß wie ein Regenbogen und viel breiter. Sie erscheinen manchmal mit einer Pracht in der Mitte des Bogens.

Nebelbögen sollten nicht mit Eishalos verwechselt werden, die auf der ganzen Welt sehr häufig vorkommen und viel häufiger als Regenbögen (beliebiger Ordnung) sichtbar sind, aber nichts mit Regenbögen zu tun haben.

Zirkumhorizontale und zirkumsenitale Bögen
Zirkumsenitale und zirkumhorizontale Bögen sind zwei verwandte optische Phänomene, die ähnlich aussehen wie ein Regenbogen, aber im Gegensatz zu den letzteren liegt ihr Ursprung in der Lichtbrechung durch hexagonale Eiskristalle anstelle von flüssigen Wassertröpfchen. Dies bedeutet, dass sie keine Regenbögen sind, sondern Mitglieder der großen Familie der Halos.

Beide Bögen sind leuchtend farbige Ringsegmente, die auf dem Zenit zentriert sind, aber an verschiedenen Positionen im Himmel: Der zirkumsenitale Bogen ist deutlich gekrümmt und liegt hoch über der Sonne (oder Mond) mit seiner nach unten gerichteten konvexen Seite (der Eindruck einer „Oberseite“) runter Regenbogen „); Der circumhorizontale Bogen verläuft viel näher zum Horizont, ist geradliniger und befindet sich in beträchtlicher Entfernung unterhalb der Sonne (oder des Mondes). Beide Bögen haben ihre rote Seite zur Sonne und ihren violetten Teil von ihr weg, was bedeutet, dass der zirkumsenitale Bogen unten rot ist, während der zirkumhorizontale Bogen oben rot ist.

Der circumhorizontale Bogen wird manchmal mit dem falschen Namen „Feuerregenbogen“ bezeichnet. Um sie zu betrachten, muss die Sonne oder der Mond mindestens 58 ° über dem Horizont sein, was sie in höheren Breiten selten macht. Der zirkumzenitale Bogen, der nur bei einer Sonnen- oder Mondhöhe von weniger als 32 ° sichtbar ist, ist viel häufiger, wird aber oft übersehen, da er fast direkt über der Oberfläche auftritt.

Regenbogen auf Titan
Es wurde vermutet, dass Regenbogen auf dem Saturnmond Titan existieren könnten, da er eine feuchte Oberfläche und feuchte Wolken hat. Der Radius eines Titan-Regenbogens würde etwa 49 ° anstelle von 42 ° betragen, da die Flüssigkeit in dieser kalten Umgebung Methan statt Wasser ist. Obwohl sichtbare Regenbögen aufgrund des trüben Himmels von Titan selten sind, sind Infrarot-Regenbögen zwar häufiger, aber ein Beobachter benötigt eine Infrarot-Nachtsichtbrille, um sie zu sehen.

Regenbogen mit verschiedenen Materialien
Tröpfchen (oder Kugeln), die aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes als reines Wasser bestehen, erzeugen Regenbogen mit unterschiedlichen Radiuswinkeln. Da Salzwasser einen höheren Brechungsindex hat, stimmt ein Meeressprühbogen nicht perfekt mit dem gewöhnlichen Regenbogen überein, wenn er an der gleichen Stelle gesehen wird. Winzige Plastik- oder Glasmurmeln können in der Straßenmarkierung als Reflektoren verwendet werden, um ihre Sichtbarkeit bei Nachtfahrern zu verbessern. Aufgrund eines viel höheren Brechungsindex haben Regenbogen, die auf solchen Murmeln beobachtet werden, einen merklich kleineren Radius. Man kann solche Phänomene leicht reproduzieren, indem man Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Brechzahlen in die Luft streut, wie auf dem Foto dargestellt.

Die Verschiebung des Regenbogens aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes kann auf eine spezielle Grenze gedrückt werden. Für ein Material mit einem Brechungsindex größer als 2 gibt es keinen Winkel, der die Anforderungen für den Regenbogen erster Ordnung erfüllt. Zum Beispiel beträgt der Brechungsindex von Diamant etwa 2,4, so dass Diamantkugeln Regenbögen erzeugen würden, die von der zweiten Ordnung ausgehen, wobei die erste Ordnung weggelassen wird. Im Allgemeinen, wenn der Brechungsindex eine Zahl n + 1 übersteigt, wobei n eine natürliche Zahl ist, tritt der kritische Einfallswinkel für n-mal intern reflektierte Strahlen aus dem Bereich . Dies führt dazu, dass ein Regenbogen der n-ten Ordnung zum Antisolarpunkt schrumpft und verschwindet.

Experimente

Experimente zum Regenbogenphänomen mit künstlichen Regentropfen, also wassergefüllten Kugelflaschen, gehen im 14. Jahrhundert zumindest auf Theoderich von Freiberg zurück. Später untersuchte auch Descartes das Phänomen mit einer Florentiner Flasche. Ein Flaschenexperiment, bekannt als der Regenbogen von Florence, wird heute noch oft als eindrucksvolles und intuitiv zugängliches Demonstrationsexperiment des Regenbogenphänomens verwendet. Es besteht darin, (mit parallelem weißem Licht) eine wassergefüllte kugelförmige Flasche durch ein Loch in einem Bildschirm zu beleuchten. Ein Regenbogen erscheint dann zurückgeworfen / auf den Bildschirm projiziert, vorausgesetzt der Bildschirm ist groß genug. Aufgrund der endlichen Wanddicke und des makroskopischen Charakters des künstlichen Regentropfens gibt es im Vergleich zum Naturphänomen einige feine Unterschiede, einschließlich leicht veränderter Regenbogenwinkel und einer Aufspaltung der Regenbogenordnungen.

Ein sehr ähnliches Experiment besteht darin, ein zylindrisches Glasgefäß zu verwenden, das mit Wasser oder einem festen transparenten Zylinder gefüllt ist und entweder parallel zur kreisförmigen Basis (dh Lichtstrahlen, die auf einer festen Höhe verbleiben, während sie den Zylinder durchqueren) oder unter einem Winkel zur Basis beleuchtet wird. Unter diesen letzteren Bedingungen ändern sich die Regenbogenwinkel relativ zu dem natürlichen Phänomen, da sich der effektive Brechungsindex von Wasser ändert (der Bravais-Brechungsindex für geneigte Strahlen gilt).

Andere Experimente verwenden kleine Flüssigkeitstropfen, siehe obigen Text.

Kultur

Regenbögen treten häufig in der Mythologie auf und wurden in der Kunst verwendet. Eines der frühesten literarischen Ereignisse eines Regenbogens ist im Buch Genesis, Kapitel 9, als Teil der Flutgeschichte von Noah, wo es ein Zeichen von Gottes Bund ist, nie wieder alles Leben auf der Erde mit einer globalen Flut zu zerstören. In der nordischen Mythologie verbindet die Regenbogenbrücke Bifröst die Welt der Menschen (Midgard) und das Reich der Götter (Asgard). Cuchavira war der Gott des Regenbogens für die Muisca im heutigen Kolumbien und als die regelmäßigen Regenfälle in der Bogotá-Savanne vorüber waren, dankte das Volk ihm, Gold, Schnecken und kleine Smaragde anzubieten. Das geheime Versteck des irischen Kobolds für seinen Goldschatz wird normalerweise als Ende des Regenbogens bezeichnet. Dieser Ort ist entsprechend unmöglich zu erreichen, da der Regenbogen ein optischer Effekt ist, der nicht angegangen werden kann.

Regenbögen erscheinen manchmal auch in der Heraldik, auch wenn die Charakteristik mehrerer Farben nicht wirklich in den üblichen heraldischen Stil passt.

Regenbogenflaggen werden seit Jahrhunderten verwendet. Es war ein Symbol der Genossenschaftsbewegung im deutschen Bauernkrieg im 16. Jahrhundert, des Friedens in Italien und der sozialen Bewegungen von Schwulenstolz und LGBT seit den 1970er Jahren. Im Jahr 1994 beschrieben Erzbischof Desmond Tutu und Präsident Nelson Mandela das neudemokratische Südafrika nach der Apartheid als Regenbogennation. Der Regenbogen wurde sogar in Technologie-Produktlogos einschließlich des Apple Computer-Logos verwendet. Viele politische Bündnisse, die mehrere politische Parteien umfassen, haben sich selbst als „Regenbogen-Koalition“ bezeichnet.