Leuchterscheinungen am Himmel über See und Land
Dr. rer. nat. Christian Wamser (TO-Mitglied) und Prof. Dr. Kristian Schlegel |
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Wir Segler sind zumeist Natur verbundene Menschen. Während unserer Fahrten auf allen Weltmeeren erleben und genießen wir Wolken, Wind und Wellen und erfreuen uns der Tatsache, dass unsere Boote uns unter Ausnutzung erneuerbarer Energien sicher und zumeist ohne störende Motorengeräusche über die Meere führen. Ständige Begleiter und angenehme Abwechslung auf unseren Fahrten sind häufig atmosphärische Erscheinungen, die gerade in den von Luftverschmutzungen weitgehend verschonten Meeresgebieten besonders klar und intensiv sind. Oft haben wir staunend, faszinierende Leuchterscheinungen am Himmel beobachtet und genossen, ohne genau zu wissen, wie sie entstehen. In diesem Artikel wollen wir als Autoren des Artikels der Seglergemeinde Beispiele ausgesucht schöner Farbfotos zeigen und in einfacher Weise die physikalischen Vorgänge erläutern, die diese Erscheinungen hervorrufen. Hierbei wollen wir näher auf all diejenigen optischen Erscheinungen eingehen, die am Himmel über dem Meer ganz besonders farbintensiv und klar zu beobachten sind. Es sind dies die Himmelsbläue, das Abend- und Morgenrot, leuchtende Nachtwolken, Regenbögen, farbige Kränze, Halos, die äußerst seltene Erscheinung des "Grünen Strahls" sowie Gewitter und Polarlichter. Dieser Artikel soll zum Beobachten und Staunen anregen, aber auch Fragen nach dem Entstehen der Phänomene beantworten. Wir möchten dabei auch ganz ausdrücklich die Leserin bzw. den Leser, deren Stärke in der Schule nicht gerade die Naturwissenschaften waren, bitten, nicht vorzeitig den Artikel beiseite zu legen. Wir haben uns bemüht, die z.T. recht komplizierten Zusammenhänge so einfach wie möglich darzustellen. Notwendige physikalische Begriffe aus der atmosphärischen Optik werden wir anhand von Meereswellen erläutern, da wir meinen, dass jeder Segler derartige Vorgänge auf seinen Segeltörns bereits vielfach selbst beobachten konnte.  Farbenprächtiger Sonnenuntergang nach dem Vulkanausbruch des Mt. St. Helen (USA) im Mai 1980. Foto: K. Schlegel, Katlenburg-LindauReflexion, Beugung, Brechung, Streuung und Extinktion Das von der Sonne ausgestrahlte Licht ist ein elektromagnetischer Wellenvorgang. Die Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit (ca.300000 km in der Sekunde) aus. Die Wellenlängen sind dabei unvorstellbar klein, sie passen etwa 2000 mal in einen Millimeter. Die Farben, die unser Auge unterscheiden kann, entsprechen unterschiedlichen Wellenlängen. Diese Farben werden Spektral- oder auch Regenbogenfarben genannt. Sind alle Farben gleichzeitig vorhanden, so ergibt sich ein Farbgemisch, das unser Auge als Weiß erkennt. Blaues Licht hat dabei deutlich kürzere Wellenlängen als rotes Licht. Als Farbnamen für einzelne Spektralbereiche hat man festgelegt (Angaben in Millionstel Millimetern) : 440 - 483 Ultramarinblau 483 - 492 Eisblau 492 - 542 Seegrün 542 - 571 Laubgrün 571 - 586 Gelb 586 - 610 Orange 610 - 700 Rot Lichtwellen verhalten sich nun ähnlich wie Meereswellen. Wenn Meereswellen z.B. auf eine Kaimauer treffen, werden sie zurückgeworfen, also reflektiert. Auch Lichtwellen unterliegen der Reflexion. Trifft Licht unter einem bestimmten Winkel auf eine glatte Oberfläche wie z.B. einen Spiegel oder eine Wasseroberfläche, wird ein mehr oder weniger großer Teil der Wellenenergie unter dem gleichen Winkel reflektiert. Hier gilt das bekannte Gesetz: Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel.  Leuchtende Nachtwolken über der Ostseeinsel Bornholm, fotografiert am 02. Juli 1987 am Flughafen Hannover (s. rote Landebahnbeleuchtung). Foto: © H. Kerner, HannoverAuch der Vorgang der Wellenbeugung kann anhand von Meereswellen erklärt werden. Treffen Meereswellen beispielsweise auf eine schmale Hafeneinfahrt, so werden die Wellen an den Molenköpfen umgelenkt. Dadurch verteilt sich die Wellenenergie zumeist im gesamten Hafengebiet. Das Phänomen der Beugung hat wohl schon so manchen Segler ereilt, der sich nach Erreichen eines sicheren Hafens trotz langer Schutzmolen vor der offenen See über beständige Bewegungen seiner Jacht gewundert hat. Wie Meereswellen werden auch Lichtwellen an winzigen Öffnungen und kleinsten Teilchen gebeugt und führen zu Lichterscheinungen, auf die später eingegangen wird.Brechende Meereswellen an den Küsten sind ein häufig auftretender Vorgang. Laufen Wellen auf die Küste zu, werden die tiefen Bereiche der Welle in der Nähe des Meeresgrundes gebremst, wodurch die Wellen an der Meeresoberfläche höher und steiler werden, was letztendlich zum Brechen der Wellen führt. Laufen Wellen parallel zur Küste ein, werden sie durch die stärkere Reibung in Küstennähe verlangsamt und damit zur Küste hin abgelenkt. Den Vorgang der Wellenbrechung gibt es natürlich auch im Bereich der Lichtwellen. Diesen Vorgang hat jeder von uns schon einmal beobachtet. Hält man z.B. einen Stab schräg in das Wasser, erscheint er unserem Auge geknickt. Hervorgerufen wird dieses Phänomen durch die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit im Wasser geringer ist als in der Luft. Hierdurch werden ähnlich wie bei den Wasserwellen die Lichtstrahlen abgelenkt. Eine Reihe von interessanten Lichterscheinungen in der Atmosphäre werden durch die Lichtbrechung hervorgerufen.  Haupt- und Nebenregenbogen in Nordnorwegen. Foto: © V. Thiel, NortheimUm den Begriff der Lichtstreuung anhand von Meereswellen zu erläutern, müssen wir eine Situation vorgeben, die in der Natur nicht oder nur bedingt anzutreffen ist. Wir stellen uns gedanklich einen absolut ruhigen Dorfteich vor, aus dem in kurzen Abständen voneinander Stäbe aus der Wasseroberfläche ragen. Durch einen Steinwurf erzeugen wir nun eine Wellenfront, die sich kreisförmig nach allen Seiten ausbreitet. Treffen die Wellen einen Stab, so werden von diesem weitere Wellenzüge angeregt, die wiederum mit anderen Stäben und Wellen reagieren. Es fällt nun nicht schwer sich vorzustellen, dass nach einer gewissen Zeit die gesamte Wasseroberfläche von verschiedenartigen Wellen überzogen ist. Ein derartiger Vorgang wird Streuung genannt. Auch Licht wird durch kleinste Partikeln wie Luftmoleküle, Nebeltröpfchen oder Staubteilchen zur Lichtstreuung angeregt und ruft bestimmte Erscheinungen in der Atmosphäre hervor. Farbige Kränze um die Sonne, fotografiert in Finnland. Foto: P. Parviainen, TurkuDer Vorgang der Lichtextinktion (lateinisch: extingere = auslöschen) kann beispielsweise dargestellt werden durch Meereswellen, die in ein an der Meeresoberfläche schwimmendes Algenfeld laufen. Hierdurch wird ein Teil der Wellenenergie aufgebraucht, wobei kurze Wellen stärker gedämpft werden als lange Wellen. Luftmoleküle und andere Teilchen in der Atmosphäre entnehmen den Lichtwellen kontinuierlich Energie. Durch den sehr langen Weg in der Atmosphäre bei tief stehender Sonne ist dieser Vorgang besonders am Morgen und am Abend ausgeprägt. 5. Sehr gut ausgebildeteSS25° - Halo, bei dem besonders der rötliche-braune Innenrand zu sehen ist. Foto: © M. Kosch, Katlenburg-LindauObwohl die oben angeführten optischen Vorgänge i.A. auf sehr komplizierten physikalischen Theorien beruhen, sollten die Beispiele aus dem Bereich der Meereswellen für ein allgemeines Verständnis der nachfolgend anhand von Farbfotos dargestellten atmosphärischen Lichterscheinungen ausreichen. Im Anhang haben wir einige neuere Bücher zitiert, die dem interessierten Leser verständliche und ausführlichere Erläuterungen bieten. Dort findet man weitere Hinweise auf Spezialliteratur. Dieser Artikel soll neben sehr einfach gehaltenen Erklärungen im Wesentlichen unser Auge öffnen für ästhetisch schöne und farbige Erscheinungen am Himmel, die besonders den Segler in Erstaunen setzen und uns bewusst werden lassen, welche Wunder die Natur immer wieder für uns bereit hält.Warum ist der Himmel blau? Treten Sonnenstrahlen nach ihrem langen Weg durch das Weltall nach gut 8 Minuten in die Atmosphäre ein, treffen sie erstmalig auf Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle. Diese werden nun von den Lichtwellen angeregt und sind wiederum Ausgangspunkt einer Welle. Dieser Streuvorgang ist umso intensiver, je kleiner die Wellenlänge ist. Das bedeutet nun, dass die blauen Anteile des Lichts stärker als die längeren Anteile gestreut werden. Das blaue Licht wird dadurch gewissermaßen verstärkt, wodurch unserem Auge der Himmel blau erscheint.  6. Verschiedene Halo-Phänomene. Es sind 22° - und 46° - Ring, sowie Nebensonnen zu sehen. Foto: © P. Parviainen, TurkuDas Abend- und Morgenrot Jeder Lichtstrahl, der durch ein Medium (wie die Luft) hindurchdringt, wird in seiner Intensität geschwächt. Die Lichtextinktion ist nun von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Blaues Licht wird stärker abgeschwächt als rotes Licht. Steht die Sonne tief über dem Horizont, ist dieser Vorgang auf Grund des langen Weges durch die Atmosphäre besonders wirkungsvoll. Aus diesem Grund erscheint uns die Sonnenscheibe dann rötlich bis blutrot.Warum sind aber Himmel und Wolken in der Umgebung der tief stehenden Sonne ebenfalls rötlich gefärbt? Wie bereits erwähnt, gibt es in der Atmosphäre neben den Luftmolekülen noch andere Teilchen, die man unter dem Begriff "Aerosole" zusammenfasst. Es sind dies: Salz- und Eiskristalle, Wassertröpfchen, Staub und Rauch. Diese Aerosole sind meist viel größer als die Luftmoleküle und auch deutlich größer als die Wellenlänge des Lichts. Sie streuen hauptsächlich die roten, also die langwelligen Anteile des Sonnenlichts und zwar umso stärker, je mehr Aerosole vorhanden sind. Besonders farbenprächtige Sonnenaufgänge und Untergänge kann man nach Stürmen über See beobachten, wenn sich viele Salzkristalle durch die Gischt in der Atmosphäre befinden. Doch auch nach starken Vulkanausbrüchen mit großen Eruptionen von Staubpartikeln in die hohe Atmosphäre sind die Dämmerungsfarben besonders intensiv wie im schönen Foto der Abbildung 1 dargestellt ist. Leuchtende Nachtwolken Häufige Begleiter am Himmel auf unseren Segeltörns sind Wolken. Wir unterscheiden hier drei Haupttypen: Die tiefen (bis 2,5 km), die mittelhohen (2,5 - 6,0 km) und die hohen (über 6,0 km) Wolken. Hohe Wolken sind z.B. die Zirren, deren zumeist faserige Struktur auf Eiskristalle als Bestandteile hinweist. Wolken werden von uns zumeist während der Tagesstunden oder bei besonders hellem Mondschein beobachtet. Da bekanntlich die Feuchte in der Atmosphäre mit zunehmender Höhe stark abnimmt, sollten Wolken in sehr großen Höhen in der Stratosphäre und darüber äußerst selten sein. Trotzdem bilden sich in den Monaten Juni und Juli über Norddeutschland in über 30 % der Nächte zirrenartige Bewölkung in großen Höhen, die in klaren Nächten bis weit nach Sonnenuntergang beobachtet werden können. Aus der Ähnlichkeit der leuchtenden Nachtwolken mit Zirruswolken wurde schon frühzeitig vermutet, dass auch diese aus Eispartikeln gebildet werden. Raketenmessungen in den sechziger Jahren bestätigten diese Vermutung. Der heutige wissenschaftliche Erkenntnisstand lässt sich wie folgt beschreiben: Die Höhe der leuchtenden Nachtwolken liegt bei typisch 80 km, also im Bereich der so genannten Mesopause, in der die Temperaturen auf -100 Grad Celsius und in den Sommermonaten sogar darunter absinken können. Da durch hochreichende Gewitter in den Tropen und Vulkaneruptionen Wasserdampf sowie kleinste Staubpartikeln als Kristallisationskerne für die Bildung von Eiskristallen in die hohe Atmosphäre gelangen, ist die Voraussetzung der Bildung von Eiswolken gegeben. Wegen der tiefen Temperaturen gerade in den Sommermonaten ist die Entstehung dieses Phänomens besonders begünstigt. Sehen kann man sie ca 1-2 Stunden vor Sonnenaufgang oder nach Sonnenuntergang, wenn die unter dem Horizont stehende Sonne die Wolken gegen den dunklen Nachthimmel beleuchtet. Auf dem Foto in der Abbildung 2 sind leuchtende Nachtwolken über der Ostseeinsel Bornholm dargestellt. Die Höhe beträgt etwa 80 km, die Entfernung vom Aufnahmepunkt (Flughafen Hannover) ca. 450 km.  Der "grüne" Strahl wenige Sekunden nach Sonnenaufgang. Foto: © P. Parviainen, TurkuDer RegenbogenRegenbögen sind wohl neben Sonnenuntergängen die am häufigsten beobachtete Leuchterscheinung am Himmel. Trotzdem hat der Regenbogen nichts von seiner Faszination eingebüßt und beeindruckt immer wieder durch seine ästhetische Farbkombination und seine harmonische Form. Voraussetzung für Regenbögen sind Wassertropfen in der unteren Atmosphäre, die man durch Versprühen von Wasser mit einem Gartenschlauch in einfacher Weise selbst erzeugen kann. Auch Gischt der Bugwelle von Schiffen und Wasserfälle sowie Springbrunnen führen zu Regenbogen ähnlichen Erscheinungen. Die farbintensivsten Regenbögen werden jedoch beobachtet, wenn bei gleichzeitigem Sonnenschein (möglichst tief stehende Sonne) gleichmäßig große Regentropfen fallen. Ein wunderschöner Haupt- und Nebenregenbogen zeigt das Foto in Abbildung 3, das im Ramfjord in Nordnorwegen aufgenommen wurde. Auf die Entstehung dieses Phänomens kann hier nur kurz eingegangen werden. Ein Regenbogen entsteht immer dann, wenn im Rücken des Beobachters die Sonne scheint und sich vor dem Beobachter eine Regenwand gebildet hat. Dann passiert Folgendes: Die von der Sonne parallel einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf die Regentropfen. Zur Vereinfachung stellen wir uns den Strahlengang eines einzelnen Sonnenstrahls am und im Regentropfen vor. Beim Eintritt der Stahls in den Tropfen wird er in den Tropfen hinein gebrochen. An der gegenüber liegenden Tropfenwand erfolgt Reflexion und beim Austritt aus dem Tropfen wiederum eine Strahlenbrechung in die Luft. Betrachtet man nun ein ganzes Bündel von Strahlen, so folgt aus der Geometrie dieses Vorgangs die Tatsache, dass ein großer Anteil der Sonnenstrahlen unser Auge unter einem Winkel von etwa 42° trifft. Da - wie bereits vorher erwähnt - der kurzwellige Anteil des Lichts stärker gebrochen wird, werden die Sonnenstrahlen ähnlich wie durch ein Prisma in ihre Regenbogenfarben zerlegt.  Ein Blitz, dessen Licht durch ein Prisma in seine Spektralfarben zerlegt wurde. Foto: © W.S. Bickel und L.E. Salanave, Tuscon/ArizonaManchmal tritt um den Hauptbogen ein zweiter Bogen, der so genannte Nebenregenbogen auf. Hierfür gibt es eine einfache Erklärung. Bevor der Sonnenstrahl den Regentropfen verlässt, wird er vor Austritt in die Luft zweimal im Tropfen reflektiert und bildet dann mit dem Auge des Beobachters einen Winkel von 51°. Durch diese zweimalige Reflexion werden die Regenbogenfarben im Vergleich zum Hauptbogen umgekehrt, was man deutlich in der Abbildung 3 erkennt. Eine exakte Beschreibung der Strahlengänge und damit zusammenhängender Fakten ist der im Anhang angegebenen Literatur zu entnehmen.Farbige Kränze Eine nicht selten zu beobachtende Erscheinung am Himmel ist der so genannte "Hof" um die Sonne oder den Mond. In seltenen Fällen kann man mehrere konzentrische, farbige Ringe erkennen, die den Hof umgeben. Man nennt sie Kränze oder auch Korona, der wissenschaftliche Name ist Aureole. Dieses Phänomen kommt durch Lichtbeugung zustande. Zur Veranschaulichung der Lichtbeugung kann man folgendes Experiment durchführen. Man betrachtet eine weit entfernte, möglichst punktförmige Lichtquelle durch eine Glasscheibe. Haucht man nun die Scheibe an, bilden sich auf ihr durch die feuchte Atemluft winzige Wassertröpfchen. An diesen werden die Lichtstrahlen gebeugt. Hierbei dringen die Lichtstrahlen nicht wie beim Regenbogen in die Tröpfchen ein, sondern werden gewissermaßen um das Teilchen herum gelenkt. Da rotes Licht eine größere Wellenlänge als blaues Licht hat, wird es an den Tröpfchen stärker als blaues Licht gebeugt. Es entstehen dadurch farbige Ringe, wobei die rötlichen einen größeren Durchmesser als die bläulichen haben.  Verformter Polarlichtbogen. Foto: © T. Ono, TokioEin wunderschönes Beispiel für farbige Kränze um die Sonne zeigt das Foto in Abbildung 4, in der man 3 Kränze erkennt. Meistens ist nur einer zu beobachten, es wurde allerdings auch schon über Erscheinungen mit 4 Kränzen berichtet. Die Zahl der Kränze und die Deutlichkeit dieser Erscheinung hängt wesentlich von einer möglichst großen Anzahl gleich großer Tröpfchen in der Atmosphäre ab, ein Ereignis, das selten auftritt.Halo-Erscheinungen Im Gegensatz zu kugelförmigen Regen- und Nebeltropfen, die keine besonders ausgezeichnete Lage im Raum einnehmen, haben Eiskristalle zumeist eine sechseckige Form, die aus Plättchen oder Säulen bestehen. Diese Kristalle können z.B. bei Aufwinden verschiedene Orientierungen im Raum einnehmen. Dringen Sonnenstrahlen in die Kristalle ein, werden sie in vielfacher Weise gespiegelt und gebrochen. Die dadurch entstehenden Leuchterscheinungen um die Sonne oder den Mond werden Halos genannt. Die Eiskristalle, die einen Halo hervorrufen, bilden sich meist in großen Höhen und bilden die schon angesprochenen Zirruswolken im typischen Höhenbereich von 6 - 10 km. Die Kristalle bilden sich durch Anlagerung von Wasserdampf an in der Luft schwebende Staubteilchen. Für deutliche Haloerscheinungen sind möglichst gleichmäßige Kristallformen erforderlich. Diese entstehen bei langsamem Wachstum der Kristalle, d. h. z.B. bei geringen, gleichmäßigen Aufwinden, die typisch für ein sich dem Ort des Beobachters näherndes Tiefdruckgebiet sind. Somit kündigen Halos am Himmel im allgemeinen den Übergang vom Hoch- zum Tiefdruck mit Durchzug einer Warmfront an. Vor Einsetzen des "schlechten Wetters" sind die Zirruswolken zumeist sehr dünn, so dass Sonne oder Mond hindurch scheinen können. Bei diesen Bedingungen entsteht in der Regel ein weißlicher, manchmal auch farbiger Ring, der einen Halbmesser von 22° hat. Dieser so genannte 22°-Ring ist die häufigste Haloerscheinung in der Atmosphäre. Ein schönes Beispiel ist in der Abbildung 5 dargestellt. Während deSS25°-Halo durch Brechung beim Ein- und Austritt des Sonnenstrahls durch eine liegende Eiskristallsäule entsteht, bildet sich (oft) gelegentlich ein weiterer Halo-Ring mit einem Halbmesser von 46° aus. Dieser entsteht, wenn ein Lichtstrahl eine Seitenfläche und eine Grundfläche des Kristalls durchkreuzt. Wegen seiner beträchtlichen Größe am Himmel ist er meistens nur stückweise zu sehen, denn es gibt selten Eiswolken, die gleichmäßig einen so großen Bereich des Himmels überdecken. Ein Beispiel für verschiedene Halo-Erscheinungen zeigt das Foto in Abbildung 6, in dem neben Haupt- und Nebenring auch so genannte Nebensonnen erkennbar sind. Diese liegen auf gleicher Höhe wie die Sonne und erscheinen häufig nur als Aufhellungen des 22°-Halo. Sie entstehen durch Eisplättchen, die fast genau horizontal ausgerichtet sind. Steht die Sonne nahe am Horizont, so fallen die Lichtstrahlen parallel zur Grundfläche des Plättchens ein. Weil die Plättchen dünn und horizontal ausgerichtet sind, sieht man in diesem Fall statt eines Bogens lediglich zwei helle Flecken rechts und links von der Sonne. "Der grüne Strahl" Gehören Sie vielleicht zu den wenigen Auserwählten, die ihn schon einmal gesehen haben? Vermutlich sind es nicht mehr als einer unter hunderttausend Westeuropäern, denen es in ihrem Leben vergönnt war, diese Lichterscheinung am weitgehend wolkenfreien, klaren Morgen- und Abendhimmel zu beobachten. Selbst den meisten Seglern ist die Existenz dieses Phänomens jedoch vollkommen unbekannt, obwohl sich ihnen durch die oft freie Sicht auf den Horizont häufiger einmal die Chance geboten hätte, den "grünen Strahl" mit eigenen Augen zu sehen. Der "grüne Strahl" ist, wie gesagt, ein äußerst seltenes Ereignis. Unter bestimmten Bedingungen kann man in dem Moment, in dem das letzte Segment der untergehenden Sonne unter dem Horizont verschwindet für einen kurzen Augenblick ein grünes Aufleuchten beobachten. Leider sind die dazu notwendigen Bedingungen, freier, wolkenloser Horizont und dunstfreie Sicht bis hinunter an den Horizont selten gegeben und am ehesten noch auf hoher See erfüllt.  Polarlicht, aufgenommen von SPACELAB III aus ca. 250 km HöheEine Erklärung für dieses seltene Phänomen ist einfacher als seine Beobachtung. Auch durch Luftmoleküle tritt bei den Sonnenstrahlen Lichtbrechung auf. Diese Art der Lichtablenkung ist jedoch viel geringer als z.B. bei Glas oder Wasser. Steht die Sonne jedoch ganz tief am Himmel, nimmt das Licht einen sehr weiten Weg durch unser Luftmeer. Die Lichtbrechung ist nicht für alle Wellenlängen gleich, blaues Licht wird stärker gebrochen als rotes Licht. Somit erscheinen vor unserem Auge Sonnen verschiedener Farben. Die "rote Sonne" verschwindet unter dem Horizont sehr kurz vor der "blauen Sonne". Da das blaue Sonnenlicht jedoch durch Bestandteile unserer Atmosphäre herausgefiltert wird, leuchtet unmittelbar nach Verschwinden des rot- glühenden Sonnenballs die "grüne Sonne", also der "grüne Strahl" kurz auf (s. Beispiel in der Abbildung 7)Falls Sie sich nun entschlossen haben, zu den Auserwählten zu gehören, hier einige Hinweise, die Ihnen das Aufspüren des grünen Strahls erleichtern. Der morgendliche grüne Strahl ist schwierig auszumachen, da man vor Sonnenaufgang nie ganz genau weiß, an welcher Stelle des Horizontes die Sonne auftauchen wird. Sie sollten sich also für Ihre zukünftigen Beobachtungen den Abendhimmel aussuchen. Wegen der Kürze und geringen Ausdehnung der Lichterscheinung ist ein gutes Fernglas hilfreich. Achtung: Beobachten Sie niemals einen Sonnenuntergang durch das Fernglas, Ihre Augen würden Schaden nehmen! Erst einige Sekunden vor dem Verschwinden der Sonne ist das Licht schwach genug für Ihre Beobachtung. Es bietet sich sowieso an, vor diesem Zeitpunkt nicht direkt in die untergehende Sonne zu schauen, da Ihre Augen dadurch geblendet werden und Ihnen der grüne Strahl dann mit Sicherheit "durch die Lappen geht". Die Formen und Farben der hier dargestellten Beispiele für Lichterscheinungen in der Atmosphäre entstehen wie gesagt durch Reflexion, Beugung, Brechung, Streuung und Extinktion von Lichtwellen in unterschiedlichen Medien. Das Entstehen dieser Phänomene wurde hier aus Gründen der Vereinfachung anhand des Ganges einzelner Strahlen beispielhaft erklärt. Zur vollständigen Beschreibung der Vorgänge muss man sich jedoch eine große Anzahl von Strahlengängen vorstellen. Auch hier möchten wir zum besseren Verständnis und für weitere Studien auf die Fachliteratur verweisen. Im Folgenden wollen wir noch auf zwei Lichterscheinungen eingehen, die nicht durch die o.a. optischen Vorgänge erklärt werden können. Es handelt sich hierbei um Gewittererscheinungen und Polarlichter, die im Wesentlichen mit elektrischen Phänomenen in der Atmosphäre zu erklären sind. Gewittererscheinungen Blitz und Donner haftet etwas Gewaltiges an, weshalb sie in nahezu allen Mythologien der Völker als das Attribut mächtiger Götter gelten. Wohl jeder Segler hat mit Blitz, Donner und damit häufig einher gehenden Gewitterstürmen und Regengüssen schon Erfahrungen gemacht und war sicher erleichtert, wenn sich ohne Schäden am Schiff die Gewitterwolken aus seinem Segelrevier verzogen hatten. Gewitter entstehen durch Aufgleitvorgänge von Luftmassen. Diese können durch Thermik an warmen Sommertagen oder durch das Zusammentreffen von kalten und warmen Luftmassen zustande kommen. Jahrhunderte gab es keine physikalisch korrekten Erklärungen für das Entstehen von Blitz und Donner. Erst in den letzten Jahrzehnten wurden plausible Theorien entwickelt. Diese wollen wir in Kürze und so einfach wie möglich darstellen. In größeren Höhen oberhalb von 2 - 3 km gefrieren die mit den Luftmassen aufsteigenden Regentropfen, so dass in der Wolke ein Gemisch aus Wassertropfen und Eiskristallen verschiedener Größe vorliegt. Durch komplizierte Prozesse, die denen der Entstehung von Reibungselektrizität ähneln, laden sich Tropfen und Kristalle elektrisch auf. Große Teilchen tragen dabei eine negative, kleine eine positive Ladung. Eine Ladungstrennung in der Gewitterwolke erfolgt nun dadurch, dass die kleineren Teilchen durch die aufsteigende Luft nach oben getragen werden, während die größeren im unteren Teil der Wolke verbleiben. So ein Ladungsungleichgewicht strebt immer nach Ausgleich, der in diesem Fall durch eine elektrische Entladung in Form eines Blitzes erreicht wird. Zwischen den negativen Ladungen im unteren Teil der Gewitterwolke und dem i.a. positiv aufgeladenen Erdboden können im Sonderfall durchaus Spannungen von mehr als 10 Millionen Volt herrschen. Die meisten Blitze springen innerhalb der Wolken über, die spektakulärsten sind jedoch jene, in denen sich die elektrische Ladung zum Erdboden hin entlädt. Der Donner nach einem Blitz entsteht durch die schlagartige Expansion der vom Blitz aufgeheizten Luft. Man hat erforscht, dass in einem solchen Blitzkanal der Überdruck bis zum Hundertfachen des Atmosphärendruckes am Boden betragen kann. Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass Gewitterdonner bis zu Entfernungen von 25 km hörbar ist. Da die Schallgeschwindigkeit in der Luft etwa 330 m in der Sekunde beträgt, ist die Entfernung des Blitzkanals zum Beobachter in einfacher Weise zu ermitteln. Zählt man die Sekunden zwischen Blitz und dazu gehörigem Donner und teilt diese durch die Zahl 3, so erhält man die Entfernung in Kilometern. Ein Beispiel eines Blitzes, dessen Licht durch ein Glasprisma in seine Spektralfarben zerlegt wurde, ist in Abbildung 8 dargestellt. Die blauen und grünen Lichtanteile stammen dabei hauptsächlich von Stickstoffatomen, während die roten Anteile von Sauerstoffatomen ausgesandt werden. Das Polarlicht Das Polarlicht ist eine gewaltige und beeindruckende Leuchterscheinung am nächtlichen Himmel. Seine volle Dynamik erschließt wohl sich nur durch persönliche Beobachtung. Da es sich bei Polarlichtern zumeist um bewegliche Vorgänge am Himmel wie wabernde und schillernde Lichtbänder handelt, können Videofilme ebenfalls einen Eindruck dieser wohl eindruckvollsten atmosphärischen Lichterscheinungen vermitteln. Im Anhang findet sich hierfür ein Bezugsnachweis. Nur die wenigsten Segler dürften auf ihren Fahrten über die Weltmeere einmal ein Polarlicht erlebt haben. Nur wenige von uns, die den Kurs in die hohen Breiten der Meere nicht gescheut haben, sind hier möglicherweise die Ausnahme. Die Bedingungen für ein derartiges beeindruckendes Erlebnis sind schon recht ungewöhnlich. Es sind nicht nur die hohen Breiten, sondern es ist auch die Bedingung der Dunkelheit, die in den Sommermonaten bekanntlicherweise dort nicht oder nur bedingt gegeben ist. In dem so genannten Polarlichtoval, einem schmalen ringförmigen Bereich um den magnetischen Pol, können Polarlichter bei Dunkelheit und wolkenfreiem Himmel praktisch in jeder Nacht beobachtet werden. Dieser Kreis hat nur eine Breite von wenigen hundert Kilometern und erstreckt sich von der Barentsee über die Kara- und Laptevsee, über Nordalaska, die Hudsonbai bis in den Nordatlantik südlich von Grönland und Island. Auf beiden Seiten dieses Ringes nimmt die Häufigkeit deutlich ab und liegt in unseren Breiten bei etwa einem Prozent. Die Entstehung des Polarlichts kann hier nur kurz dargestellt werden. Seine Ursachen liegen auf der Sonne. Die Sonne strahlt neben den Licht- und Wärmewellen auch einen Strom von elektrisch geladenen Teilchen ab. Das ist der bekannte Sonnenwind. Die Geschwindigkeit dieser Teilchen liegt typischerweise zwischen 300 und 800 km in der Sekunde, d. h. sie erreichen die Erde erst nach einigen Tagen. Treffen diese geladenen Teilchen auf das Magnetfeld der Erde, entsteht ein kompliziertes Wechselspiel zwischen Solarwind und Magnetfeldlinien. Auf der der Sonne zugewandten Seite wird das Magnetfeld stark gestaucht, auf der anderen Seite der Erde Millionen von Kilometern in das Weltall verschoben. Das Magnetfeld umgibt die Erde wie ein Schutzschild, die Sonnenwindteilchen fließen darum herum. Allerdings hat dieser Schild zwei Löcher in der Nähe der Magnetpole der Erde, dort können Teilchen in die Atmosphäre eindringen und - ähnlich wie der Vorgang in einer Neonröhre - die Luftatome und Moleküle zum Leuchten anregen. Dieser Prozess ereignet sich bereits in der hohen Atmosphäre im Höhenbereich zwischen 100 und 500 km. Unterschiedliche Farben (siehe das Spektrum eines Blitzes in Abb. 8) entstehen dabei durch Anregung der verschiedenen Luftbestandteile. Beeindruckende Beispiele für Polarlichter sind in den Abbildungen 9 und 10 zu sehen. Im ersten Beispiel wurde das Foto vom Boden aus aufgenommen, das zweite aus etwa 250 km Höhe von einem Satellit. Abschließende Bemerkungen Nicht alle Leuchterscheinungen, die in der Atmosphäre auftreten, konnten aus Platzgründen in dem vorliegenden Artikel behandelt werden. Wir haben uns jedoch bemüht, dem Leser und Segler die wesentlichen atmosphärischen Phänomene anhand von schönen Farbfotos und kurzen Erklärungen näher zu bringen. Wir hoffen, dass wir dadurch zum Beobachten, Schauen und Staunen anregen konnten. Vielleicht findet der eine oder andere Leser auf diese Weise zu einem neuen Hobby. Die Autoren dieses Artikels gehören schon seit vielen Jahren zur "Fan-Gemeinde" von Leuchterscheinungen in der Atmosphäre. Für die Zusendung von Fotos und Dias, die diesen Problemkreis betreffen, wären wir dankbar. Adresse: Dr. Christian Wamser, Kampstr. 11, 27616 Beverstedt Literatur: Schlegel, K. Vom Regenbogen zum Polarlicht, Leuchterscheinungen in der Atmosphäre . 1999, Spektrum Akademischer Verlag (Ausgabe vergriffen, Neuauflage Herbst 2001) Salanave, L.E. Lightning and its Spectrum. University of Arizona Press, Tuscon, 1980 Minnaert, M. Licht und Farbe in der Natur Birkhäuser Verlag, Basel, 1982 Videofilme und Dias von Polarlichtern sind zu erhalten bei: Geophysical Institute, University of Alaska, Fairbanks, Alaska, 99701, USA Anmerkung der Redaktion: Das Copyright © der Fotos in diesem Artikel liegt bei Spektrum Akademischer Verlag |
