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Das Muster des Monats, 01/2013

Muster- und Strukturenratebild, Januar 2013

Muster des Monats 1/2013; (c) Stephan Matthiesen

Nein, die Farbschlieren sind kein Ölfilm auf der Fensterscheibe, sondern befinden sich wirklich am Himmel.

(Zur Erklärung bitte Weiterlesen)

Es war ein typischer Dezembervormittag in Schottland: Die Sonne stieg gerade über den Horizont, konnte sich aber gegen einen grauen Wolkenschleier nicht so recht durchsetzen. Doch an einer Stelle hatte sich die Schicht etwas ausgedünnt, und man sah ein helleres Blau, umgeben von irisierenden Farberscheinungen – man nennt das Phänomen daher auch "irisierende Wolken":

Irisierende Wolke; (c) Stephan Matthiesen 2012

Was sieht man hier? Derartige ausgedehnte, grau-weißliche und insgesamt wenig strukturierte Wolkenschleier gehören meist zu den Wolkentypen Altostratus (in Höhen von 2000-5500 m, sie bestehen aus Wassertröpfchen) oder Cirrostatus (aus Eiskristallen in 5500-12000 m Höhe), wobei diese Typen visuell oft nicht einfach zu unterscheiden sind. Links (vor allem hinter dem Baum) sind in der Wolkenschicht gerade noch ein paar wellenartige Strukturen zu erkennen. In der rechten Bildhälfte sieht man zudem noch eine Gruppe einzelner, deutlich abgesetzte Wolken, wohl Cirrocumulus oder Altocumulus (je nach Höhe).

So weit sind dies ganz gewöhnliche Wolkenformationen, wie man sie alle paar Tage sehen kann. Doch eher selten kommt es zu den auffälligen irisierenden Farbspielen. Wie entstehen sie?

Im ersten Bild erkennt man vor allem am oberen und unteren Rand die Farbabfolge der Regenbogenfarben, die sich sogar mehrfach wiederholt, wenn auch sehr pastellfarben. Mit Regenbögen hat dieses Phänomen allerdings wenig gemein. Ein Regenbogen entsteht, wenn das Sonnenlicht in (kugelförmigen) Regen- oder Wolkentropfen gebrochen wird, ähnlich wie sich Licht im Brillenglas bricht. Dabei wird das Licht einer bestimmten Farbe um einen ganz bestimmten, festen Winkel abgelenkt. Deshalb liegt der Regenbogen am Himmel immer in einem bestimmten, festen Winkel zur Sonne, er bildet also einen Bogen, in dessen Mittelpunkt die Sonne (bzw. der ihr gegenüberliegende Punkt) steht. Ein ähnliches Phänomen sind Halos, bei denen die Lichtbrechung an Eiskristallen geschieht.

Irisierende Wolken dagegen entstehen nicht durch Lichtbrechung, sondern durch Lichtbeugung. Lichtbeugung ist ein Effekt der Wellennatur des Lichts: An kleinen Hindernissen (wie kleinen Tropfen oder Eiskristallen in den Wolken) entstehen neue Wellen, die sich in bestimmte Richtungen überlagern können – im Großen kann man das an Wasserwellen in einem Fluss beobachten, die an Steinen gebeugt werden.

Der Winkel, um den das Licht bei einem Beugungsvorgang abgelenkt wird, hängt nun von der Wellenlänge sowie von der Größe des Hindernisses ab; es handelt sich also (im Gegensatz zur Lichtbrechung des Regenbogens) nicht um einen festgelegten Winkel, sodass eben auch kein Bogen entsteht, sondern die Farben eher schlierenartig parallel zum Wolkenrand angeordnet sind, weil die Tröpfchengröße von den dichteren Wolkenregionen zu den dünneren variiert.

Warum treten irisierende Wolken nicht häufiger auf? Der Effekt kann nur bei sehr kleinen Tröpfchen oder Eiskristallen auftreten, die nicht viel größer sind als die Wellenlänge des Lichts, also vielleicht wenige Mikrometer. In Wasserwolken werden die Tröpfchen jedoch meist schnell viel zu groß; es kommt dann nicht mehr zu Beugungserscheinungen, sondern nur noch zu Lichtstreuung, was die milchige Wolkenfarbe erzeugt. Zudem muss die Wolke optisch sehr dünn sein, d.h. ein Lichtstrahl darf im Allgemeinen nur auf ein Tröpfchen stoßen; bei dickeren Wolken überlagern sich alle Beugungseffekte schnell zu einem weißen Mischmasch.

Es gibt aber ein verwandtes Phänomen, das relativ häufig ist: ein Hof um den Mond oder helle Sterne. Diese farbigen Ringe um die himmlische Lichtquelle gelten oft (korrekt) als frühes Anzeichen heranziehenden Regens. Sie zeigen tatsächlich oft eine Warmfront an, bei der wärmere Luftmassen über kühlere aufgleiten, was zu Niederschlägen führt. Weit vor der eigentlichen Front entstehen sehr hohe, dünne Wolken, nämlich Cirrus und dann Cirrostratus. Die Eiskristalle in ihnen sind klein genug, um durch Beugungseffekte den farbigen Hof zu erzeugen. Anders als die Farbenspiele in irisierenden Wolken ist jedoch ein Hof im Allgemeinen kreisförmig um den Mond angeordnet. Denn unter den Bedingungen einer langsam vordringenden Warmfront wachsen über größere Regionen Eiskristalle in ähnlicher Größe; die Schicht ist also sehr gleichförmig. Es kommt, im Gegensatz zu den irisierenden Wolken, beim Hof also nicht zu dem "Schliereneffekt" durch Variationen der Tropfengröße in der Wolke.

In manchen Fällen scheinen irisierende Wolken aber auch noch durch einen anderen Effekt zu entstehen. Denn im Einzelfall kann man sie auch weit von der Richtung der Sonne entfernt beobachten, sodass Beugungseffekte zu schwach wären. Man nimmt an, dass dann ein ähnliches Phänomen auftritt wie bei den Farbschlieren in einem Ölfilm: Das Licht, das an der Vorder- und Rückseite von Tröpfchen oder Kristallen reflektiert wird, überlagert sich so, dass einzelne Farben verstärkt, andere abgeschwächt werden. Dies scheint aber sehr selten vorzukommen.

Zum Abschluss: Auch die separaten Alto- oder Cirrocumuluswolken hatten Farbränder, aber sie waren nicht ganz so spektakulär:

Irisierende Wolken; (c) Stephan Matthiesen

 

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