Feuerwerk der Natur - Faszinierende Lichterscheinungen

Wir schauen nach oben und sehen den Himmel - mal erscheint er uns grau, mal leuchtend blau, und die Sonne strahlt in ihrem allerschönsten Gelb. Für uns ist das ganz selbstverständlich, aber wieso ist der Himmel eigentlich blau und nicht gelb oder grün? Wie kommt es zur Morgen- und Abendröte? Wie entsteht ein Regenbogen? Was hat es mit zauberhaften Lichterscheinungen wie Halos und Polarlichtern auf sich? Und was genau ist eigentlich eine Fata Morgana - bei der uns ganze Häuser und Bäume erscheinen können, die sich dann in Nichts auflösen?

Unsere Atmosphäre ist von einem riesigen Magnetfeld umgeben. Sie ist in mehrere Schichten aufgeteilt und besteht aus Gasgemischen in unterschiedlichen Konzentrationen. Außerdem befinden sich Moleküle - Verbindungen aus verschiedenartigen Teilchen - in der Luft. Ein Lichtstrahl besteht aus winzig kleinen Teilchen, den Photonen. Eigentlich ist das Sonnenlicht weiß.

Weißes Licht enthält aber alle verschiedenen Farbtöne. Die einzelnen Farben entsprechen einer elektromagnetischen Strahlung mit bestimmter Wellenlänge. So ist langwelliges Licht rot, gefolgt von Orange, Gelb, Grün und Blau. Sehr kurzwelliges Licht ist schließlich violett. Wir nehmen den Lichtstrahl einer jeweiligen Wellenlänge schließlich als entsprechende Farbe wahr.

Die Moleküle, die sich in der Luft unserer Atmosphäre befinden, lassen die Anteile eines Lichtstrahls nicht vollständig durch, sondern zerstreuen sie. In der Atmosphäre wird Licht umso stärker gestreut, je kleiner seine Wellenlänge ist. Also wird blaues Licht mehr gestreut als rotes. Deshalb erscheint der Himmel in einer blauen Farbe. Wird zum Beispiel bei einem Sturm viel Sand oder Erde durch die Luft gewirbelt, werden vermehrt rote Photonen des Lichts gestreut - dann sieht der Himmel rot und die Sonne bläulich aus.

Wie kommt es zur Abendröte?

Morgens und am Abend erscheint uns das Sonnenlicht oft rötlich. Das hängt damit zusammen, dass die Sonne zu diesem Zeitpunkt in einem schrägen Winkel zu uns steht. Je schräger, desto größer ist die Strecke, die das Licht durch unsere Atmosphäre zurücklegt - und desto mehr blaue Photonen werden dem Licht entzogen. Dadurch erscheint uns das Sonnenlicht immer rötlicher - dem langwelligsten Licht.

Wirft man weißes Licht durch ein Prisma, werden die Strahlen zwei Mal gebrochen - dort wo sie eintreffen und wo sie wieder austreten. Ein Prisma ist ein Körper, der aus einem lichtbrechenden Material besteht und mindestens drei Kanten hat, meist handelt es sich um eine Glaspyramide. Dadurch, dass kurz- und langwellige Lichtstrahlen verschieden stark gebrochen werden, erscheinen auf der anderen Seite des Prismas die unterschiedlichen Farben. Das weiße Licht wurde in seine so genannten Spektralfarben - die reinen Farben - zerlegt.

Beeindruckende Lichtspiegelung: Regenbögen

Es regnet, der Himmel ist ganz düster und gerade scheint "die Welt unterzugehen". Aber schon im nächsten Moment blinzelt die Sonne durch ein Wolkenloch - wie von Geisterhand wird die Öffnung am Himmel immer größer, und die Sonnenstrahlen bahnen sich ihren Weg zu uns. Der Regen prasselt noch immer auf die Erde nieder - und dort hinten am Horizont erscheint ein wunderschöner Regenbogen.

Wüssten wir es nicht besser, kämen wir in Versuchung, an eine übernatürliche Erscheinung zu glauben. Heute wissen wir jedoch, dass es sich hierbei um eine Lichtbrechung handelt. Lichtstrahlen brechen dann, wenn auf ihrem Weg angrenzende Stoffe eine andere optische Dichte haben. Der Effekt ist derselbe wie bei einem Prisma: Bei einem Regenbogen wird das Sonnenlicht in den vielen Wassertropfen, die in der Luft herumschwirren, gebrochen. Anschließend werfen sie das Licht, das in seine einzelnen Farben zerlegt wurde, zur Erde - und wir nehmen es in Regenbogenfarben wahr. Du kannst den Regenbogen aber nur sehen, wenn sich die Sonne genau im richtigen Winkel hinter dir befindet.

Ein Regenbogen kommt selten alleine

Häufig kannst du beobachten, dass außer dem Hauptregenbogen ein zweiter vorhanden ist, der "Nebenregenbogen". Dieser erscheint viel blasser als der eigentliche Regenbogen. Das liegt daran, dass das Licht dort anders gebrochen wird. Im Normalfall tritt der Lichtstrahl in den Wassertropfen ein und wird dabei das erste Mal gebrochen.

Im Inneren des Wassertropfens wird der Strahl dann gespiegelt und von der Außenwand zurückgeworfen. Sobald er wieder aus dem Regentropfen austritt, wird er - wie bei einem Prisma - ein zweites Mal gebrochen. Die äußere Farbe des Regenbogens ist rot - das langwelligste Licht -, darauf folgen Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und im Inneren Violett.

Die Farben des Nebenregenbogens sind genau umgekehrt aufgebaut. Die äußere Farbe ist violett, die innere ist rot. Der Grund dafür ist, dass das Licht in dem Wassertropfen nicht nur ein, sondern zwei Mal gespiegelt wird. Dadurch wirkt der Nebenregenbogen auch breiter als der eigentliche und seine Farben weniger konzentriert. Er ist nur bei bestimmten Wetterbedingungen zu sehen.

Der Halo - weniger bekannt, aber öfter zu sehen

Kaum zu glauben! Da gibt es doch noch eine weitere Lichtspiegelung am Himmel - und diese ist sogar viel öfter zu sehen als ein Regenbogen, nur wird sie von vielen nicht bemerkt. Die Rede ist von so genannten Halos. Diese entstehen auf ähnliche Art wie Regenbögen, nur werden die Lichtstrahlen hier nicht in Wassertropfen, sondern in Eiskristallen gebrochen. Ein Halo erscheint dem Betrachter, wenn sich zwischen ihm und der Sonne Eisnebel oder Eiskristalle befinden.

Wenn die Strahlen der Sonne sich ihren Weg bahnen, werden sie von den Kristallen gebrochen. Ganz allgemein unterscheiden wir hier zwei Arten von Eiskristallen: säulen- und plättchenartige. Bei den säulenartigen Kristallen wird der Halo ringförmig um die Lichtquelle liegen. Bei plättchenartigen wird - wie von Zauberhand - eine zweite oder auch dritte Lichtquelle erscheinen. Diese stellen Reflektionen der eigentlichen Lichtquelle dar.

Wenn Lichter die Erde berühren…

Polarlichter beschäftigten die Menschen schon vor 2000 Jahren. Viele Sagen und Mythen ranken sich um diese zauberhaften Erscheinungen am Himmel. Waren es für die Inuit (Eskimo-Völker der Arktis) Geister, die auf der Erde erscheinen, um etwas vorauszusagen, sahen die Wikinger in ihnen Spiegelungen auf den Rüstungen ihrer gefallenen Helden. In Mitteleuropa galten die Lichter dagegen als schlechtes Omen - eine Warnung für eine nahende Seuche oder ein anderes Unglück.

Heute wissen wir, wie die Lichter entstehen, und können den faszinierenden Anblick der Polarlichter genießen. Fast das ganze Jahr über kann man die Lichterscheinungen an den Polen im ganz hohen Norden (Nordlichter) oder im tiefsten Süden der Erde (Südlichter) beobachten. Etwas weiter abseits der Pole können Polarlichter zwischen Herbst und Anfang Winter sowie vom späten Winter bis in den Frühling hinein gesichtet werden, da die Magnetfelder von Erde und Sonne dann parallel zueinander stehen. Im Jahr 2003 waren die Lichterscheinungen sogar in Norditalien sichtbar.

Polarlichter entstehen, wenn Sonnenwinde auf unsere Atmosphäre treffen. Sonnenwinde kommen durch Gasausbrüche auf der Sonnenoberfläche - so genannte Eruptionen - zustande. Bei diesen Erschütterungen löst sich Plasma - bestehend aus positiv und negativ geladenen Gasteilchen. Bei starken Sonnenwinden strömen die Gase durchs All und stoßen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr drei Millionen Kilometern pro Stunde auf die Erdatmosphäre oder auf andere Planeten unseres Sonnensystems. Polarlichter erscheinen zum Beispiel auch auf dem Saturn.

Faszinierende Leuchterscheinung: Polarlichter

Da das Magnetfeld der Erde in ständiger Bewegung ist, wird es durch den Sonnenwind beeinflusst. Magnetfeldlinien bilden den Abschluss unserer Atmosphäre. Sie verlaufen von Pol zu Pol - und haben dort jeweils den geringsten Abstand zur Erde. Der Teil des Magnetfelds, der sich auf der sonnenzugewandten Seite befindet, wird durch den Sonnenwind zusammengedrückt. Der Magnetfeld-Teil auf der anderen Seite, die sich im Windschatten der Erde befindet, vergrößert sich enorm.

Der Sonnenwind wird entlang der Magnetfeldlinien zu den Polen gelenkt. Denn hier verläuft das Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche der Erde - und die Teilchen können in die Atmosphäre eindringen. An dieser Stelle entstehen die Polarlichter. Das Plasma des Sonnenwindes regt die Sauerstoff- und Stickstoffteilchen in der Luft an. Diese fangen beim Auftreffen des elektrisch geladenen Windes an zu leuchten - und zeichnen bewegte Bilder an den Himmel.

Die Polarlichter können verschiedene Farben haben. Dies ist abhängig davon, welcher Stoff sich in welcher Höhe befindet. Stickstoff leuchtet in den Farben Blau bis Violett - Sauerstoff in Rot- oder Grüntönen - dies hängt wiederum entsprechend von der Entfernung zur Erdoberfläche ab. Außerhalb der Polargebiete dringen Sonnenwinde selten tief in die Atmosphäre ein, deshalb sind die Polarlichter bei uns im Allgemeinen rötlich.

Trügerische Luftspiegelung: Die Fata Morgana

Immer wieder berichteten Menschen davon, dass sie durstig durch die Wüste zogen und sich plötzlich vor ihnen eine verlockende Oase auftat - um sich beim Näherkommen in Luft aufzulösen. Man könnte dies als Hirngespinst abtun, gäbe es da nicht die Fata Morgana! Sie wurde schon manch einem verirrten Wüstenwanderer zum Verhängnis.

Die Bezeichnung kommt von dem italienischen Wort "Fata" (bedeutet Fee). Die Fee Morgana ist eine Figur aus der Artus-Sage. Im alten Volksglauben der Italiener schrieb man das Phänomen dieser Zauberin zu. Solche Erscheinungen wurden nämlich auch sehr häufig über der Straße von Messina zwischen dem italienischen Festland und der Insel Sizilien gesichtet.

Eine Fata Morgana können wir nicht nur in der Wüste oder einer Meerenge beobachten, sondern auch bei uns. Es handelt sich um eine Luftspiegelung. Dabei wird das Licht gebrochen oder reflektiert. Lichtbrechungen kennst du bereits von Regenbögen und Reflektionen eines Spiegels. In einem Spiegel wird das komplette Bild, das hineinfällt, wieder zurückgeworfen. Nur der Ein- und Ausfallswinkel wechselt.

Ursache: Heiße und kalte Luftschichten

Für eine Luftspiegelung sind Luftschichten von unterschiedlichen Temperaturen verantwortlich. Die Schichten haben dabei nicht dieselbe Dichte. Die Dichte eines Stoffes ergibt sich aus der Anzahl der Atome in einem bestimmten Raum. So sind einige Stoffe bei normaler Zimmertemperatur flüssig. Sinken die Temperaturen, verfestigen sie sich. Der Stoff zieht sich zusammen, die Teilchen befinden sich enger beieinander - und somit erhöht sich die Dichte.

Bei Erhitzung verdampfen viele Stoffe dann - sie werden gasförmig. Die Teilchen dehnen sich aus, schweben im Raum - und die Dichte nimmt ab. Eine heiße Luftschicht hat also eine geringere Dichte als eine kalte. Daher kann ein Lichtstrahl warme Luft mit weniger Widerstand durchdringen. Stößt er auf die Grenzschicht, an der heiße und kalte Luft aufeinander treffen, wird er gebrochen und reflektiert.

Scheint nun an besonders heißen Tagen das Wasser auf den Straßen zu stehen, dann liegt das daran, dass die unteren Luftschichten von der Sonne aufgeheizt wurden. Sie dehnen sich aus, treffen auf kältere Luft und werden gebrochen - denn die obere Luftschicht wirkt wie ein Spiegel. Wir sehen auf der Straße also nicht den dunklen Asphalt, sondern das Licht des hellen Himmels darüber, das reflektiert wurde.

Aus dem Nichts erscheinen Bäume und ganze Oasen

Das Flimmern entsteht durch Luftverwirblungen. Bekanntlich steigt heiße Luft nach oben - denken wir nur an einen Heißluftballon. Weiter oben vermischt sich die Luft mit kälteren Schichten. Kühlt sie ab, nimmt ihre Dichte wieder zu - und sie sinkt zurück zu Boden, um sich wieder zu erwärmen und nach oben zu steigen. So entstehen Luftverwirbelungen. Eine Totalreflektion kommt zustande, wenn es ganz windstill ist.

Trifft ein zurückgeworfener Lichtstrahl von einer warmen auf eine kalte Luftschicht, macht das Licht einen Bogen, um möglichst in der wärmeren Schicht zu bleiben - denn Dichte und somit auch Widerstand sind dort geringer. So erscheint dem Betrachter der Gegenstand, der das Licht zurückwirft, näher. Deshalb sehen wir auf dem heißen Asphalt häufig nicht nur "flimmerndes Wasser", sondern es scheinen sich auch die Autos darin zu spiegeln. Durch extrem aufgeheizte Unterschichten der Luft - wie in der Wüste - werden sogar weit entfernte Objekte in die Nähe übertragen. Wüstenvölkern erscheinen oft nicht nur Wasserflächen, dort können sich sogar umliegende Berge oder Bäume spiegeln.

Kein Geisterschiff, sondern eine optische Täuschung

Befindet sich dagegen unten eine kalte Luftschicht und weiter oben eine heiße, ist der Effekt genau umgekehrt. Dies geschieht oft über dem Meer, da die untere Luft vom Wasser gekühlt und die obere von der Sonne aufgeheizt wird. Hier nimmt man ein Objekt häufig über dem Horizont, also praktisch am Himmel, wahr. Das Licht steigt nach oben in die wärmere Schicht, macht einen Bogen - und erscheint dem Betrachter.

An der Straße von Messina zum Beispiel sind immer wieder in die Luft gehobene Häuser und Bäume am gegenüber liegenden Ufer zu beobachten. Aus solchen Erscheinungen haben sich schon viele Sagen entwickelt - wie die von Geisterschiffen und Seeungeheuern. Oder Seeleute dachten, es wäre Land in Sicht, dabei handelte es sich um eine Fata Morgana. Gesehen haben die Menschen die Erscheinungen also wirklich, nur oft falsch gedeutet - denn wenn man es nicht besser weiß, können solche optischen Täuschungen einen in Angst und Schrecken versetzen - oder in die Irre führen.