Warum ist der Regenbogen gebogen?
Ein Regenbogen entsteht, wenn Sonnenlicht auf Regentropfen scheint und dabei in seine verschiedenen Farben zerlegt wird. Physiker nennen dieses Phänomen Lichtbrechung. Genau das gleiche passiert auch, wenn Licht durch Glas fällt. Medien wie Glas oder Wasser sind zwar durchsichtig, aber das Licht breitet sich in diesen Materialien langsamer aus als in der Luft der Umgebung. Trifft das Licht nun schräg auf die Grenze zwischen Luft und dem Material auf, dann ändert es seine Ausbreitungsrichtung. Der Lichtstrahl knickt ab: je mehr, desto größer der Unterschied der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Luft und dem anderen Material ist. Die Geschwindigkeit des Lichtes hängt von seiner Farbe ab, genauer gesagt von seiner Wellenlänge: blaues Licht ist etwas langsamer als grünes, grünes etwas langsamer als gelbes und gelbes etwas langsamer als rotes Licht. Sonnenlicht enthält alle diese Farben. Wenn das Licht auf einen Regentropfen fällt, wird es abgelenkt, je nach Farbe in eine geringfügig andere Richtung. So wird das weiße Licht in seine Farbbestandteile aufgefächert.
Warum ist der Regenbogen gebogen, also ein Teil eines Kreises? Das kommt daher, dass die Tropfen kleine Kügelchen sind. Beim Prisma, mit ebenen Grenzflächen, wird das Licht um einen bestimmten Winkel in eine bestimmte Richtung abgelenkt. Regentropfen dagegen haben runde Grenzflächen, sie sind also rotationssymmetrisch. Deshalb kann das Licht in alle gleichwertigen Richtungen abgelenkt werden. Das Licht bildet einen Kegelmantel mit einem bestimmten – für jede Farbe aber leicht unterschiedlichen - Winkel. Betrachtet man aus der Ferne die beleuchteten Regentropfen, so sind die verschiedenen Farben – ähnlich wie die verschiedenen Schichten einer Zwiebel – auf ineinander geschachtelten Kegelmänteln zu sehen. Der Betrachter sieht einen Schnitt durch diese Kegel: einen Kreisbogen.
Übrigens: Beleuchtet werden die Regentropfen von vorne. Will man einen Regenbogen sehen, muss man also zwischen Sonne und Regenbogen stehen. Das Sonnenlicht wird zunächst an der Vorderseite der Regentropfen gebrochen, dann an der inneren Rückwand der Tropfen reflektiert, bevor es nach vorne wieder aus dem Regentropfen austritt. Ganz ähnlich funktionieren auch Katzenaugen und Reflektoren.
Diese Frage wurde beantwortet von Prof. Dr. Norbert Esser vom ISAS - Institute for Analytical Sciences