zum Directory-modus

Streuung von Licht

Rayleigh- und Mie-Streuung

Zwei wichtige Streuprozesse im sichtbaren Spektrum: Rayleigh- und Mie-Streuung

Bei der Rayleigh-Streuung trifft Licht auf ein Medium mit wenigen, statistisch verteilten Streuzentren, deren Durchmesser erheblich kleiner als die einfallenden Wellenlängen sind.

Ein Beispiel für ein solches Medium wäre ein stark verdünntes Gas, wie die oberen Atmosphärenschichten der Erde eines darstellen. Die Streuzentren sind hier die Luftmoleküle, die zufälligen Dichteschwankungen (durch Wärmebewegungen hervorgerufen) unterliegen. Das bedeutet Wellenlängen von λ 500 nm im Vergleich zu Teilchendurchmessern von d 100 pm , also d λ . Die Intensität der gestreuten Strahlung ist in diesem Fall proportional zur vierten Potenz der Frequenz des einfallenden Lichtes (Hertz'scher Dipol), also I ν 4 .

Violettes Licht der Frequenz ν violett = 8,0 10 14 Hz wird also im Vergleich zu rotem Licht der Frequenz ν rot = 4,0 10 14 Hz ungefähr ( 8,0 10 14 4,0 10 14 ) 4 = ( 8 4 ) 4 = 16 mal so stark gestreut. Dies erklärt mitunter die blaue Farbe unseres Himmels.

Ab einer Weglänge von 4 km durch unsere Atmosphäre ist nahezu jeglicher Blauanteil des ankommenden Sonnenlichtes seitlich weggestreut worden. Für die Rotanteile ist dies ab Weglängen von 65 km der Fall. Bei einem Sonnenuntergang beträgt der Weg des Sonnenlichtes durch unsere Atmosphäre um die 300 km, weswegen zu diesem Zeitpunkt nur noch die Rotanteile, wenn auch sehr geschwächt, zum Erdbeobachter durchkommen.

Hinweis
Die statistische Verteilung und das verdünnte Medium sind bei der Rayleigh-Streuung deswegen wichtig, da so seitlich zur Ausbreitungsrichtung eine destruktive Interferenz zwischen den Streuwellen verschiedener Streuzentren ausgeschlossen werden kann. Aus diesem Grund findet also überhaupt erst eine seitliche Streuung des Lichts statt.
In dichteren, regelmäßigen Medien oder bei Partikeldimensionen, die groß gegenüber der Wellenlänge sind, wird durch destruktive Interferenz diese seitliche Streuung zunehmend abgeschwächt. Dies kann man sich so vorstellen, dass in einem dichten, regelmäßig aufgebauten Medium oder einem großen Partikel zahllose Streuzentren vorhanden sind, also insbesondere zu jedem Zentrum ein seitlicher Nachbar im Abstand von λ 2 liegt, so dass sich deren Streuwellen in seitlicher Richtung gerade destruktiv überlagern. Verunreinigungen (Störungen der Regelmäßigkeit) schwächen ihrerseits diesen Effekt, so dass auch in Kristallen noch schwach Licht an diesen Verunreinigungen gestreut wird. Große Teilchen reflektieren das auftreffende Licht mehr und mehr, zunehmend unabhängig von der Wellenlänge.

Bei der Mie-Streuung liegt die Wellenlänge im Bereich der betrachteten Partikelgröße, also d λ .

Diese ist schwach wellenlängenabhängig und tritt im optischen Bereich z.B. an größeren Partikeln, wie Staubteilchen und Wassertröpfchen, in unserer Atmosphäre auf. Je größer die Partikel sind, desto schwächer wird diese Abhängigkeit.

So ist das erwähnte Verwaschen von Farbeffekten am Himmel zu erklären, wenn sich gröbere Partikel (z.B. Schneekristalle) in der Atmosphäre befinden. Auch das Weiß der Wolken lässt sich so erklären.

Für Fetttröpfchen in Milch trifft dieser Streumechanismus gerade noch zu, da diese nur wenig größer als die mittlere Wellenlänge des Tageslichtspektrums sind. Milch erscheint uns deswegen aus beliebigem Winkel betrachtet weiß, was den Grenzfall einer nicht mehr vorhandenen Wellenlängenabhängigkeit der Mie-Streuung wiederspiegelt.

Der blutrote Mond

Abb.1
Der blutrote Mond

Während einer totalen Mondfinsternis ist manchmal zu beobachten, dass der Mond nicht völlig durch den Kernschatten der Erde abgedunkelt wird (wie nach den Gesetzen des geometrischen Schattenwurfs eigentlich zu erwarten wäre), sondern vielmehr in einem geheimnisvollen roten Leuchten erglüht.

Der Grund hierfür ist wieder einmal die Streuung des Sonnenlichtes in unserer Atmosphäre. Wie in der folgenden (nicht maßstabsgetreuen!) Abbildung zu erkennen, werden die grünen bzw. blauen Spektralanteile des Sonnenlichtes bereits auf dem langen Weg durch die Atmosphäre, die das Licht zum Mond ja zurücklegt, seitlich herausgestreut. Lediglich rote Spektralanteile durchdringen die Atmosphäre weit genug, um schließlich ebenfalls durch Streuung auf den sich im Kernschatten der Erde befindlichen Mond treffen zu können. Das glutrote Leuchten liegt also daran, dass in dieser speziellen Konstellation ausschließlich solches Sonnenlicht vom Mond reflektiert werden kann, welches bereits den Weg durch unsere Erdatmosphäre hinter sich hat.

Abb.2
Sonnenstrahlenverlauf und Erdatmosphäreneinfluss bei einer Mondfinsternis

Als 1991 aufgrund eines Ausbruchs des Vulkans Pinatubo (Philippinen) sehr viel Staub und Aerosole in der Erdatmosphäre waren, war der Mond während seines Durchlaufs durch den Erdkernschatten kaum noch zu sehen, da durch die vielen zusätzlichen Streukörper auch das rote Licht seitlich ins All weggestreut wurde, bevor es den Mond erreichen konnte.

Seite 2 von 2>