Seltsamer Bogen an einem Leuchtturm

[Achim Christoph]

Hallo zusammen,

mir ist beim Durchschauen von Bildern, die ich während einer Uni-Exkursion nach Westerhever gemacht habe, eine mir nicht bekannte Art eines Bogens aufgefallen. Auch das durchsehen der Meteoros-Bildergalerie hat mich nicht wirklich weitergebracht.

Vielleicht zunächst ein paar Daten zu den Bildern und den Wetterumständen:
Aufgenommen wurden die Bilder mit einer EOS 20D und einem 17-40er Opbjektiv bei 17 mm Brennweite. Aufnahmedauer waren 13 bzw. 15 sec bei f 4.0 und ISO 800. Aufnahmezeitpunkt war um ca. 1 Uhr nachts. Die Bilder sind bis auf Weißabgleich und Drehung, um den Leuchtturm aus der Schieflage zu bringen, nicht weiter bearbeitet.
Es war zu dem Zeitpunkt recht windig und es fiel ein mittelkräftiger Sprühregen, der wohl auch dazu führte, dass man die Lichtstrahlen des Leuchtfeuers recht gut (auch mit bloßem Auge) sehen konnte. Die Temperatur lag schätzungsweise bei ca. 15° C und der Himmel war vollständig bedeckt.

Wie man auf den Bildern erkennt, geht der Strahl jeweils von der Lichtquelle des Leuchtturms aus und nähert sich dann +/- asymptotisch einer gedachten horizontalen Linie unterhalb des Leuchtfeuers. Eine leichter Farbübergang von rot (oben) nach blau (unten) ist meiner Meinung nach auf allen Bildern recht gut zu erkennen.
Dass der Bogen sich auf dem oberen Bild auf der rechten und auf den beiden unteren Bildern auf der linken Seite befindet, dürfte dadurch zu erklären sein, dass der Leuchtturm Westerheversand nicht 360° abdeckt sondern nur ca. 240° - durch die unterschiedlichen Aufnahmewinkel war somit anscheinend die jeweils andere Seite nicht beleuchtet.

Kamera/Objektiv als Ursache würde ich ausschließen, da der Effekt bei unterschiedlichen Abständen der Lichtquelle zur Bildmitte und auch bei Hochformatsbildern mehr oder weniger gleichbleibend zu beobachten ist. Die vordere Linse war zudem nicht nennenswert mit Wassertropfen bedeckt (evtl. 2-3 Tröpfchen, die sich nicht vermeiden ließen).

Am wahrscheinlichsten halte ich für eine Brechung des Lichts an den Regentropfen, für weitere Spekulationen bin ich aber nicht genug mit der Materie vetraut.

Vielleicht ist einem von Euch dieses Phänomen bekannt und kann mir ein wenig weiterhelfen.


Danke im Voraus und viele Grüße,
Achim






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[Mark Vornhusen]

Hallo Achim,
sehr schöne Bilder! Ich glaube es handelt sich um einen Regenbogen. Die Lampenregenbögen ergeben zusammen eine dreidimensionale Figur in Form eines Apfels. Normalerweise überlagern sich die Regenbögen und man sieht sie nicht. Der rotierende Punktstrahler vom Leuchtturm ermöglicht es, dass der Regenbogen gesehen werden kann. Es ist sozusagen ein Schnitt durch den Apfel.
Meines Wissens ist es die erste Aufnahme eines solchen Regenbogens in Richtung der Lichtquelle.

Hier ein Link zu der Abhandlung von Christian Fenn:
http://www.meteoros.de/rainbow/rbdiv_1.htm
http://www.meteoros.de/rainbow/rbdiv_2.htm

Grüsse,
Mark

[Achim Christoph]

Hallo Mark,

danke für deinen Tipp mit dem Regenbogen, insbesondere mit dem "Schnitt durch den Apfel".

Auch wenn der Leuchtturm Westerhever keinen rotierenden Punktstrahler besitzt, war mir dennoch klar, worauf du hinaus wolltest (Der Turm besitzt eine feste 2000W-Lampe, die in einer Fresnel-Linse sitzt. Der Blinktakt, wird durch eine umflaufende Blende erreicht, die das Licht innerhalb von 15 sec. 3 Mal für je 1 sec. unterbricht). Eine evtl. Rotation spielt somit keine Rolle für die Ursache des Regenbogens, jedoch die Bündelwirkung der Fresnel-Linse, die den Lichtstrahl quasi auf eine relativ scharf begrenzte horizontale Ebene um die Lampe herum begrenzt/bündelt.

Diesen Umstand habe ich mir eben zunutze gemacht und versucht den Leuchtturm in klein nachzustellen, um zu schauen ob der Effekt reproduzierbar ist.

Dazu habe ich eine 3W-Luxeon LED mit einer entsprechenden Aufsatzlinse versehen, die Abstrahlung des Lichts auf eine etwa 10° breite Ebene um die horizontale Achse der LED bündelt, also in etwa so wirkt wie die Fresnel-Linse beim Leuchtturm. (Ich hatte beide Sachen tatsächlich zufällig da, da ich beides eigentlich für eine andere Bastelei brauche)

In den Bereich um die LED habe ich während einer Periode von ca. 25 sec., in der die Kamera belichtete, mit einem Pumpzerstäuber Wasser gesprüht. Die Ergebnisse kann man in den unten gezeigten Abbildungen sehen.

Bild 1 und 2 sind aus dem gleichen Winkel aufgenommen. Bei Bild 1 habe ich nur den Bereich links der LED besprüht, bei Bild 2 zusätzlich noch den rechten. Bild 3 habe ich aus einem etwas spitzeren Winkel aufgenommen, um zu schauen ob dies (wie erwartet) einen Einfluss auf die Gestalt des Regenbogens hat. Die Bilder sind im Übrigen nicht nachbearbeitet.
Ich denke man kann recht eindeutig erkennen, dass bei dem flacheren Aufnahmewinkel der Regenbogen nur sehr leicht gebogen und im Bereich der LED nahezu waagerecht ist. Bei Bild 3 hingegen kann man schon eine deutliche Biegung des Bogens im Bereich der LED erkennen, der - wie bei den Leuchtturmbildern auch - sich mit zunehmenden Abstand zur LED abflacht und sich nach außen hin wieder leicht nach oben biegt.

Die Qualität des Regenbogens ist bei dem Experiment bei weitem nicht so gut und scharf abgegrenzt, wie beim Leuchtturm-Vorbild, aber ich denke es ist dennoch ausreichend, um den Effekt darzustellen.

So, und jetzt gehe ich schlafen

Gruß,
Achim


Bild 1


Bild 2


Bild 3

[Christian Fenn]

Hallo ihr beiden,

ich bin völlig beeindruckt von den Bildern und vor allem von der Erklärung. Ich hatte schon fast angefangen zu grübel, aber nun ist es einfacher, sich Mark anzuschließen. Gleichzeitig staune ich darüber, wie schnell hier die Lösung von Mark gefunden wurde.

Auch Dein Aufbau gefällt mir sehr gut. Wenn ich bedenke, wie stümperhaft ich manchmal schon etwas nachgebaut habe. Hut ab!

Gleichzeitig dürfte Mark auch damit recht haben, dass dies möglicherweise die ersten Fotos eines reversen Regenbogens sein dürften. Vielleicht sogar die erste Beobachtung, bei welcher der "Schnitt durch den Apfel" (richtig müßte es heißen: Schnitt durch die Minneart-Zigarre) durch das Licht, und nicht durch eine Fläche (Wiese) gemacht wurde.

Am faszinierensten finde ich, dass hier der nach hinten laufende Teil der Zigarre abgebildet ist. Sowas gab es bei den mir bekannten Beobachtungen (z.B. von Christoph Gerber) noch nicht.


Anders auf dem Bilder angedeutet, ist dieser Bogen nun durch den Schnitt, den die Lampe des Leuchtturms verursacht, doch sichtbar. Die Sicht des Betrachters stimmt hier also nicht.

Deshalb wundere ich mich erst recht, dass Mark die Lösung zu schnell gefunden hatte.

Wir sollten die Bilder auf jedenfall in den Artikel über Lampenregenbögen und revere LRB aufnehmen. Sie dokumentieren die Theorie perfekt.

Ich bin platt.
Christian

[Achim Christoph]

Hallo nochmal,

da ich das Prinzip des Regenbogens zwar verstanden hatte, ich mir den Effekt aber noch nicht so richtig räumlich vorstellen konnte, habe ich mir Christians Abhandlung zum Lampenregenbogen als Anreiz genommen, den beobachteten Bogen ein wenig schematisch zu visualisieren.

Zunächst sieht man die klassische Situation: Mensch neben Leuchtturm. Der Lichtstrahl geht +/- Punktförmig von der Lampe des Leuchtturmes aus und wird mit zunehmenden Abstand breiter. Er bildet praktisch eine horizontale "Lichtscheibe".



Da es regnet kommt jetzt die Minneart-Zigarre, nachfolgend auch Apfel genannt, die Christian bereits in seiner Abhandlung beschrieben hat, zu tragen. Diese Apfelförmige Hülle stellt sämtliche Punkte dar, bei denen ein Lichtstrahl, der von der Lampe des Leuchtturmes ausgeht, im Winkel von 42° durch Wassertropfen in Richtung des Beobachters gebrochen wird und dadurch theoretisch ein Regenbogen entstünde.



Um die Apfelförmige Gestalt ein bisschen besser erkennen zu können, mal nur als Gittermodell dargestellt:



Wie Mark bereits erwähnt hatte, würde bei einer normalen Lichtquelle, die in alle Richtungen abstrahlt, an jeder Stelle ein Regenbogen gebildet. Da sich diese jedoch überlagern wäre kein Regenbogen zu beobachten. Schlüssel zu einem Sichtbaren Regenbogen ist also die durch den Leuchtturm gebildete Lichtebene, die den Apfel "durchschneidet":



Nur an den Stellen, an denen die Lichtebene die Apfelhülle berührt, wird vom Beobachtungspunkt aus ein Regenbogen sichtbar. Die Folgende Abbildung zeigt den Leuchturm von der Rückseite. Die vom Leuchtfeuer nach links und rechts abgehende bläulich-gelbe Kontur zwischen bläulicher Minneart-Zigarre und gelblicher Lichtscheibe zeigt diese "Berührungspunkte" an.



Vom Beobachter aus gesehen, kann diese Kontur ebenfalls gesehen werden - in Real in der Gestalt eines Regenbogens.



Im folgenden Bild ist zur besseren Anschaulichkeit nur die Schnittfläche sichtbar. Ich denke, diese ähnelt von der Form her recht eindrucksvoll dem Regenbogen, der auf den realen Bildern vom Leuchtturm sichtbar ist.



Was auf den echten Bildern des Regenbogens noch sichtbar ist, ist dass der Regenbogen praktisch nur an seiner oberen und unteren Kante gefärbt ist. Der Bereich dazwischen wirkt weitestgehend weiß. Ich denke dies lässt sich dadurch erklären dass die vom Leuchtturm gebildete Lichtebene eine bestimmte, mit dem Abstand vom Leuchtturm zunehmende, Dicke aufweist. In diesem Bereich "zwischen den Farben" tritt meiner Meinung also bereits Farbüberlagerung auf. Bekräftigt wird die Hypothese dadurch, dass der weiße Bereich mit zunehmenden Abstand zum Leuchtturm ebenfalls breiter wird.

Gruß,
Achim

[Christian Fenn]

Oh mann, Du bist ja ein Meister der 3D-Darstellung. Ich muss mir immer alles im Kopf überlegen.

Du schreibst, dass der Bogen "am oberen und unteren Rand farbiger" ist, als dazuwischen. Obwohl der Theorie nach der Randbereich wirklich farbiger sein dürfte (da nur halbe Überlagerung der Bögen), halte ich die farbigeren Bereiche nicht für Randbereiche, sondern für den inneren und äußeren Regenbogen.

Da bin ich mir sogar ziemlich sicher, da der Bereich zwischen den Bögen dunkler ist. Es handelt sich dabei um Alexanders dunkles Band, das zwischen dem 42°-Bogen und dem 51°-Bogen liegt.

Am folgenden Bild habe ich das mal beschriftet.


Es freut mich, dass es ein so sauberes Foto gibt, dass die alte Theorie so schön belegt.

[Achim Christoph]

Ich bin ja ein Blindfisch. Der 51°-Bogen ist mir bis eben noch gar nicht aufgefallen.

Im unten stehenden Foto habe ich mal verdeutlicht, was ich meinte. Dabei beziehe ich mich nur auf den 42°-Bogen (da mir der 51°-Bogen ja wie gesagt zu dem Zeitpunkt noch gar nicht aufgefallen war).

Ich habe den Eindruck, dass der weiße Bereich innerhalb des 42°-Bogens bereits ein Resultat der Farbüberlagerung ist. Wenn ich den Farbverlauf mit einem gewöhlichen Regenbogen vergleiche, müsste da ja eigentlich noch irgendwo grün rum schwirren, was ich allerdings nicht erkennen kann.

Somit hielte ich es für vorstellbar, dass der rote Bereich nur der obere Rand des oberen Regenbogens ist und der blaue Bereich nur der untere Rand des unteren Regenbogens. Alles dazwischen ist bereits der Überlagerung zum Opfer gefallen und nur noch als weiß zu erkennen.

Ist aber alles nur Vermutung - ich lasse mich gerne eines besseren belehren

Gruß,
Achim

[Christian Fenn]

Vorstellen kann ich mir das mit dem "Weiß" und der "Überlagerung" auch. Aber dann dürfte am unteren Rand des Lichts ebenfalls ein mehr bläulicher Bogen sichtbar werden.

Ich schließe es nicht nicht aus, dass es auch etwas mit dem Licht zu tun hat. Ich habe mal Regenbögen einer gelben Lampe fotografiert, da war der Bogen nur gelb. Je nach Lichtanteil der Leuchtturmlampe kann natürlich auch das Rot überwiegen. Dennoch dürfte an der Idee mit der Überlagerung zu Weiß was dran sein.

Hier mal das Bild des gelben Regenbogen: