Feldführer · Atmosphärische Optik

Licht nimmt einen ungewöhnlichen Weg

Von Halos aus Diamantstaub bis zu hoch aufragenden Küstenspiegelungen: Optische Wetterereignisse zeigen die Kristallformen, Tröpfchengrößen und Dichtegradienten, die entlang der Sichtlinie verborgen sind.

Was das Foto zeigt im Vergleich zur Kristallgeometrie

Wenn ein Weitwinkelfoto zwei helle leuchtende Flecken neben einer tief stehenden Wintersonne zeigt – verbunden durch einen schwachen Ring und überragt von einem umgekehrten Lächeln aus reinen Spektralfarben – nennen gewöhnliche Bildunterschriften das oft „drei Sonnen“. Physikalisch existiert nur eine Lichtquelle. Millionen treibender sechseckiger Eiskristalle in Cirrostratus oder polarem Diamantstaub wirken als winzige Glasprismen.

Wie Marcel Minnaert in seinem klassischen Werk Light and Color in the Outdoors und moderne Strahlverfolgungssimulationen belegen, wachsen Eiskristalle in der oberen Troposphäre je nach Temperatur und Übersättigung überwiegend in zwei Formen: flache sechseckige Plättchen und längliche sechseckige Säulen. Der Luftwiderstand richtet größere fallende Plättchen waagerecht aus, wie flatternde Blätter (etwa 100 bis 500 Mikrometer im Durchmesser), während winzige Kristalle unter 20 Mikrometern aufgrund der Brownschen Bewegung und Mikroturbulenzen zufällig taumeln.

  • 60°-Prismenkeil (22°-Halo & Nebensonnen)

    Licht, das durch eine Seitenfläche eines sechseckigen Kristalls eintritt und durch eine gegenüberliegende Seitenfläche austritt, durchläuft einen wirksamen Keil von 60 Grad. Die minimale Ablenkung für gelb-rotes Licht in Eis (Brechungsindex 1,31) beträgt 21,8 Grad. Zufällige Ausrichtungen ergeben einen vollständigen Kreis; waagerechte Plättchen bündeln das Licht links und rechts der Sonne zu Nebensonnen (Parhelien).

  • 90°-Rechtwinkelflächen (Zirkumzenitalbogen & 46°-Bögen)

    Strahlen, die durch die flache Basisfläche eines waagerechten Plättchens eintreten und durch eine senkrechte Seitenfläche austreten, durchlaufen ein 90-Grad-Prisma. Dies erzeugt die bemerkenswert reinen Farben des Zirkumzenitalbogens hoch über dem Kopf – sofern die Sonnenhöhe unter 32,3 Grad bleibt.

Klarer 22-Grad-Eishalo, flankiert von hellen Nebensonnen und einem oberen Berührungsbogen über einer raureifbedeckten Ebene
Was die Kamera zeigt: symmetrische Nebensonnen und ein oberer Berührungsbogen. Was allein aus dem Erscheinungsbild nicht abgeleitet werden kann: ob die Kristalle 8 km hoch im Cirrostratus liegen oder 30 Meter entfernt im bodennahen Diamantstaub – es sei denn, Kristallfunkeln erscheint vor Bäumen im Vordergrund.

Strahlengang: 60°-Sechseck-Eisplättchen

Incident Sunlight ~22° Deviation Hexagonal Basal View (n = 1.31)
Brechung ohne Eis

Thermische Inversionen, Spiegelungen & der grüne Blitz

Die Luftdichte nimmt mit steigender Temperatur ab, wodurch sich der Brechungsindex der Luft um Bruchteile eines Prozents ändert. Über lange, horizontnahe Strecken biegen diese winzigen Gradienten Lichtstrahlen über Dutzende von Kilometern.

Bei einer unteren Spiegelung über sonnenverbranntem Asphalt krümmen sich die Strahlen nach oben, sodass das Himmelslicht wie schimmerndes Wasser auf der Straße erscheint. Umgekehrt biegt eine steile thermische Inversion die Strahlen nach unten, wenn warme Luft über eisige Polarmeere oder frühlingshafte Oberflächen der Großen Seen gleitet, und zwar so stark, dass sie der Erdkrümmung entspricht oder sie übertrifft. Wenn sich mehrere abwechselnd warme und kühle Luftschichten übereinander stapeln, werden ein einzelner Schiffsrumpf oder eine Felsklippe einer Insel abwechselnd gestaucht, umgekehrt und gestreckt zu einer Fata Morgana – das erklärt Jahrhunderte alter Karten mit Phantominseln und Fotos von „schwebenden Schiffen“.

Bei Sonnenuntergang über einem ungehinderten Meereshorizont trennt die atmosphärische Dispersion den grünen/smaragdfarbenen oberen Rand der Sonne etwas höher vom roten Rand, während die Rayleigh-Streuung die violetten Wellenlängen entfernt. Eine Kanalisierung durch Inversion vergrößert diesen oberen Rand für ein bis zwei Sekunden und erzeugt einen deutlichen grünen Blitz.

Teleobjektiv-Horizontfoto eines fernen Frachtschiffs, das durch eine superiore thermische Inversion an der Küste vertikal gestreckt und übereinandergestapelt wird
Überhöhte Kanalspiegelung über kaltem Küstenwasser. Das Schiff ruht physikalisch auf dem Meer jenseits des geometrischen Horizonts; umgekehrte Luftdichteschichten erzeugen die Illusion, es schwebe in der Luft.
Sicherheitshinweis für Kameras Betrachten Sie die untergehende Sonne oder helle Nebensonnen niemals direkt durch einen ungefilterten optischen Sucher einer Spiegelreflexkamera oder ein Teleobjektiv; verwenden Sie Live-View-Sensoren mit Graufilterschutz und verdecken Sie die Sonnenscheibe hinter einem Mast oder Dachfirst, wenn Sie schwache Halobögen fotografieren.

Diagnostischer Vergleich der Himmelsoptik

Nutzen Sie Sonnenstand, Blickrichtung und Winkelradius, um optische Fotos im Feld genau einzuordnen.

Phänomen Erforderliches Medium Blickrichtung Winkelradius / Sonnengrenze Wichtiges visuelles Merkmal
22°-Halo Zufällig ausgerichtetes sechseckiges Eis Zur Sonne oder zum Mond 22° Radius; beliebige Sonnenhöhe Dunklerer Himmel innerhalb des Rings (alexandersche Schattenzone); roter innerer Rand
Zirkumhorizontalbogen Waagerecht ausgerichtete Eisplättchen Unterhalb der hohen Sonne 46° unterhalb der Sonne; Sonne > 57,8° hoch Parallel zum Horizont; im Winter in hohen Breiten unmöglich
Zirkumzenitalbogen Waagerecht ausgerichtete Eisplättchen Hoch über dem Kopf in Richtung Sonne Nahe dem Zenit; Sonne < 32,3° hoch Umgekehrtes Regenbogenlächeln; roter Außenrand zur Sonne hin
Sonnenglorie Gleichmäßige flüssige Wolkentröpfchen (10–25 µm) Gegensonnenpunkt (Sonne hinter dem Beobachter) 1° bis 5° konzentrische Ringe Immer zentriert auf den Schatten des Flugzeugs oder den Kopfschatten des Beobachters
Wolkenirisieren Frisch kondensierte gleichmäßige Tröpfchen Innerhalb von etwa 15°–30° um die Sonne Unregelmäßige pastellfarbene Flecken Perlmutterfarbene Bänder, die den Konturen linsen- oder hutförmiger Wolken folgen

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