Der Sommer kommt, es ist eine gute Zeit, die Sonne zu genießen

Der 16. Mai eines jeden Jahres ist der von der UNESCO ins Leben gerufene Internationale Tag des Lichts .

Dieser internationale Gedenktag ist noch recht jung und wurde erst 2018 ins Leben gerufen. Ursprünglich sollte er an die Geburtsstunde des Lasers am 16. Mai 1960 erinnern.

Im vorherigen Artikel wurde das Prinzip des Lasers vorgestellt. Gerade durch die Existenz von Lasern werden unsere Nächte strahlend hell und es sind hochtechnologische Industrieprodukte wie CDs, Chips, Glasfasern und Lasergravuren entstanden, die den Komfort des Lebens erheblich steigern.

Laser

Bildquelle: sztu.edu.cn

Obwohl Laser schön sind, wird es etwas eintönig, wenn man sie längere Zeit betrachtet.

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Licht und Schatten der Natur sind wirklich unvorhersehbar und faszinierend. Der leidenschaftliche Sommer steht vor der Tür. Lassen Sie uns heute eine Bestandsaufnahme der seltsamen optischen Phänomene im Sommer machen!

1. Schatten der Luft

Es ist allgemein bekannt, dass undurchsichtige Objekte im Sonnenlicht Schatten werfen. Dies ist ein klassisches Beispiel für „Licht breitet sich geradlinig aus“.

Aber wissen Sie es? Die unsichtbare und farblose Luft hat tatsächlich einen Schatten .

An einem sonnigen Morgen mit guten Lichtverhältnissen können wir eine weiße Wand mit direktem Sonnenlicht finden und sie sorgfältig beobachten.

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Wir werden höchstwahrscheinlich einige undeutliche Schatten auf der weißen Wand sehen. Sie ähneln Wasserströmen mit unregelmäßiger Form und kontinuierlichem Anstieg.

Dies ist der „Schatten“ der Luft, der es uns ermöglicht, den Luftstrom indirekt zu beobachten.

Luft strömt immer von Gebieten mit niedriger Temperatur (hoher Druck) zu Gebieten mit hoher Temperatur (niedriger Druck), und während des Strömens ändern sich Dichte und Temperatur der Luft ständig.

Da Luft unterschiedlicher Dichte und Temperatur einen unterschiedlichen Brechungsindex für Licht aufweist, kann ein Lichtstrahl, wenn er durch strömende Luft geht, aufgrund der Änderung des Brechungsindex keine geradlinige Bewegung beibehalten. Schließlich sind einige Teile des auf die Wand projizierten Lichts hell, während andere etwas dunkler sind, wodurch Muster entstehen, die Wellen auf der Wasseroberfläche ähneln.

Dieses Phänomen kann an sonnigen Tagen das ganze Jahr über beobachtet werden, doch im Sommer ist das Sonnenlicht intensiver und kann die Luft in Bodennähe in kurzer Zeit erwärmen, wodurch sie schnell nach oben strömt und daher leichter zu beobachten ist . Nach dem Mittag hat die Lufttemperatur in Bodennähe einen stabilen Zustand erreicht und es tritt keine starke Konvektion mehr auf, sodass sie nicht mehr gut zu erkennen ist.

Der Luftschatten über der Kerzenflamme

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Auch über Wärmequellen mit höheren Temperaturen können Luftschatten beobachtet werden. Beispielsweise führt ein wütendes Feuer zu einem schnellen Anstieg der Temperatur der umgebenden Luft, was zu deutlichen Lichtverzerrungen führt. Asphalt kann unter der sengenden Sonne große Mengen Wärme aufnehmen. Auf der Straße kann man nicht nur die heftige Verdunstung der Luft beobachten, sondern auch ein besonderes optisches Phänomen – eine Fata Morgana.

2. Fata Morgana auf der Straße

Wenn man von Luftspiegelungen spricht, denkt man vielleicht an illusorische Oasen in der Wüste, majestätische Wolkenkratzer auf dem Meer, schattenhafte Tempel im Wolkenmeer usw.

Obwohl diese Luftspiegelungen spektakulär sind, sieht man sie selten.

Im Gegensatz dazu sind Luftspiegelungen auf der Straße häufiger und bodenständiger .

Fata Morgana auf der Straße

Siehe Wasserzeichen für die Quelle

Wenn wir an einem heißen und sonnigen Sommertag unterwegs sind, finden wir vor uns auf der Straße eine große Wasserpfütze. Doch als sich das Auto näherte, verschwanden die Wasserflecken plötzlich und tauchten nicht weit entfernt wieder auf.

Als Kind habe ich in den Sommerferien ein Fahrradabenteuer unternommen. Ich war durstig und müde auf der Straße unter der sengenden Sonne. Ich bin immer wieder voller Hoffnung auf die Pfütze meiner Träume zugefahren, aber immer wieder bin ich mit leeren Händen zurückgekommen. Ich fühlte mich sehr entmutigt und verwirrt. Später, als ich erwachsen wurde, wurde mir klar, dass es sich dabei um eine Fata Morgana handelte, die durch die Brechung des Lichts verursacht wurde.

Lichtbrechung beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen kalter Luft (blau) und warmer Luft (rot)

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Wenn Licht von heißer in kalte Luft gelangt, wird es in Richtung des Bereichs mit niedrigerer Temperatur gebrochen. Wenn Licht nacheinander durch mehrere Temperaturschichten der Luft hindurchtritt, breitet es sich entlang einer Kurve aus.

Luftspiegelungen können in zwei Typen unterteilt werden: obere Luftspiegelung und untere Luftspiegelung. Obere Luftspiegelungen erscheinen hoch am Himmel, wenn die Lufttemperatur in Bodennähe (Meeresoberfläche) niedriger ist als die am Himmel und das Licht sich entlang einer nach oben gerichteten konvexen Kurve bewegt; Untere Luftspiegelungen hingegen treten auf dem Boden auf, wenn die Lufttemperatur in der Nähe der Oberfläche (Straßenoberfläche, Wüste usw.) höher ist als die am Himmel und das Licht eine nach unten gerichtete konvexe Kurve entlangläuft.

Obere Fata Morgana (links) und untere Fata Morgana (rechts). Beachten Sie, dass bei einer unteren Fata Morgana der Boden wie ein Spiegel erscheint, der den Himmel reflektiert.

Bildquelle: Referenz [1]

Daher bildet die sengend heiße Luft eine spiegelähnliche reflektierende Schnittstelle auf der Straßen- und Wüstenoberfläche, und die sogenannten Pfützen sind eigentlich nur Reflexionen des Himmels.

Fata Morgana im Qaidam-Becken

3. Schöner Regenbogen

Das Wetter im Sommer ist wechselhaft und es kommt häufig zu kurzzeitigen, heftigen Regenfällen. Wenn der Regen aufhört und der Himmel aufklart, können wir auf den seltenen Regenbogen warten.

Das schockierende und zugleich angenehme Gefühl, einen riesigen bunten Bogen zwischen Himmel und Erde stehen zu sehen, lässt sich kaum in Worte fassen.

Auch Regenbögen entstehen durch Lichtbrechung. Sonnenlicht besteht aus bunten monochromatischen Lichtern, die unterschiedliche Brechungsindizes haben und daher durch die dichten Wassertropfen in der Luft nach einem Regen durch einen Brechungs-Reflexions-Brechungsprozess leicht getrennt werden können. Das Prismen-Regenbogen-Experiment im Physikunterricht ist ein typisches Beispiel und dieses Wissen ist uns allen sehr vertraut.

Schematische Darstellung der Wassertropfenspektrometrie

Bildquelle: globalweatherclimatecenter.com

Lassen Sie uns als nächstes die blinden Flecken des Wissens weiter erforschen: Warum sind Regenbögen immer rund?

Die Antwort ist einfach:

Obwohl eine große Anzahl kleiner Wassertropfen das Sonnenlicht in alle Richtungen brechen, ist für uns nur das Regenbogenlicht in einem bestimmten Bereich sichtbar.

Dieser „spezifische Bereich“ ist ein kreisförmiger Ringbereich und seine Reichweite wird durch den Brechungsindex und das Reflexionsvermögen des Lichts an der Grenzfläche zwischen Luft und Wassertropfen bestimmt.

Zeichnen Sie zwei virtuelle Kegel mit dem menschlichen Auge als Scheitelpunkt. Der Kreis, der durch die Basis der beiden Kegel gebildet wird, ist der Regenbogen, den das menschliche Auge zu diesem Zeitpunkt sehen kann. In der Abbildung ist nur der virtuelle Kegel von 42° eingezeichnet.

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Licht unterschiedlicher Farben weist beim Durchgang durch die Luft-Wassertropfen-Grenzfläche unterschiedliche Brechungsindizes und Reflexionsgrade auf, sodass es sich schließlich in einem bestimmten Winkel von 40° (violettes Licht) bis 42° (rotes Licht) nach außen ausbreitet.

Zeichnen Sie mit dem menschlichen Auge als Scheitelpunkt zwei große virtuelle Kegel mit Halbscheitelwinkeln von 40° bzw. 42° in die Luft. Die kreisförmigen Ringe, die von den Basen dieser beiden Kegel umgeben sind, sind die kreisförmigen Regenbögen, die wir sehen.

Der aktuelle Sonneneinstrahlungswinkel führt dazu, dass sich die Mitte des Regenbogenrings unter der Erde befindet, sodass nur ein Teil des Regenbogens sichtbar ist.

Bildquelle: globalweatherclimatecenter.com

Vom Flugzeug aus ist ein kompletter Regenbogen zu sehen

Bildquelle: dailymail.co.uk

Die Position dieses virtuellen Rings ist je nach Standort des Beobachters unterschiedlich.

Wenn Xiao Ming also an Position A einen Regenbogen sieht, kann Xiao Hong auch an Position B einen weiteren Regenbogen sehen und Xiao Liang an Position C im Flugzeug hat sogar die Chance, einen komplett kreisförmigen Regenbogen zu sehen.

Wir können Shakespeares berühmtes Zitat verwenden: „In tausend Augen stecken tausend Regenbögen.“ Schätzen Sie also die Regenbögen, die Sie sehen, denn jeder Regenbogen ist eine Landschaft, die nur Ihnen gehört.

4. Starker Blitz

Sommergewitter zeichnen sich außerdem durch ein einzigartiges Naturphänomen aus: Blitze.

Genau genommen handelt es sich bei Blitzen nicht um ein optisches, sondern um ein elektrostatisches Phänomen. Dies hindert uns jedoch nicht daran, die enorme Energie des Blitzes in Licht und Schatten zu schätzen.

Blitze entstehen durch die Entladung geladener Materie in der Luft.

Aufgrund der gegenseitigen Reibung zwischen Wassertropfen, Staub und anderen Partikeln in der Luft kann eine Cumulonimbuswolke mit reichlich Wasserdampf leicht eine große Anzahl positiver und negativer Ladungen ansammeln. Im Allgemeinen ist die obere Hälfte einer Wolke positiv und die untere Hälfte negativ geladen. Wenn der Potenzialunterschied zwischen den beiden groß genug ist, kommt es über verschiedene Kanäle zu einer Entladung, wodurch ein Blitz entsteht. Entsprechend der unterschiedlichen Entladungsarten können Blitze in drei Typen unterteilt werden: Blitze innerhalb der Wolken, Blitze zwischen den Wolken und Blitze zwischen Wolken und Erde.

Blitze in einer Wolke (links), zwischen Wolken (Mitte) und Blitze zwischen Wolke und Boden (rechts)

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Bevor ein Blitz entsteht, kommt es zunächst zu einer Spitzenentladung zwischen den beiden Entladungspolen, die einen Pfad für den Fluss der elektrischen Ladung bildet. Da sich in der Atmosphäre ständig eine starke Konvektion befindet, suchen sich elektrische Ladungen beim Fließen spontan den Weg mit dem geringsten Widerstand und bilden so einen gewundenen Pfad wie bei einem Fluss oder einer Baumwurzel. Sobald der Pfad gebildet ist, fließt ein enormer elektrischer Strom hindurch und erzeugt einen blendenden Blitz.

Kiefer vom Blitz getroffen in den Bergen

Fotografiert vom Autor

Aufgrund der enormen elektrischen Potenzialdifferenz zwischen den Wolken am Himmel kann die Entladungsspannung über eine Million Volt erreichen und die Temperatur auf dem Entladungspfad kann Zehntausende Grad Celsius erreichen. Ein Blitz dauert nur wenige Mikrosekunden, sodass er trotz seiner hohen Entladungskraft nicht viel Energie freisetzen kann, sondern „nur“ genug, um einen Baum zu fällen.

Dies ist jedoch auch sehr gefährlich für den menschlichen Körper. Gehen Sie daher bei Gewittern niemals in offene Räume, wo Blitze auf Sie zukommen .

5. Andere optische Phänomene

Neben den oben genannten Beispielen können wir im Sommer noch viele weitere interessante optische Phänomene beobachten:

Beispielsweise sind die Regenbögen, die Sonne und Mond umgeben (Sonnenhalos und Mondhalos), das gesprenkelte Licht und die Schatten im Schatten der Bäume eigentlich kleine Sonnen (Lochkamera-Bildgebung), die hellen Sterne am Nachthimmel blinken ständig (Lichtbrechung), das Sternenmeer besteht aus Glühwürmchen (Leuchtkraft von chemisch fluoreszierenden Substanzen) usw.

Lassen Sie uns diesen Sommer unsere Neugier mitbringen und unsere sommerliche „Licht-Genuss“-Reise beginnen!

Quellen:

[1] Basdevant, JL. (2023). Variationsprinzipien. In: Variationsprinzipien in der Physik. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-21692-3_2

[2] Welche atmosphärischen Bedingungen verursachen das Auftreten von Regenbögen? Globales Wetter- und Klimazentrum. https://www.globalweatherclimatecenter.com/

[3] Blitz. Wikipedia. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%97%AA%E7%94%B5

Autor: Liuhuo

Ingenieur an einem Forschungsinstitut der Waffenindustrie