Welche Arten von Wechselwirkungen treten auf? Wie wirken sie sich aus? - Refraktion
2. Refraktion
Refraktion bedeutet Brechung. Ähnlich wie bei der Reflexion, wird der Strahl aus seiner ursprünglichen Einfallsrichtung abgelenkt. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass der gebrochenen Strahl im Medium, auf dessen Oberfläche er traf, abgelenkt wird und im 2. Medium weiterverläuft. Der Winkel des einfallenden Strahls ist in der Regel ungleich dem des gebrochenen Strahls. Die Brechungsrichtung und -stärke hängt vom Einfallswinkel und den Brechzahlen n der beiden Medien ab (Snelliussches Brechungsgesetz, hergeleitet aus dem Fermatschen Prinzip):
mit: n1 = c0/c1 bzw. n2 = c0/c2
für δ1 = δ2 : keine Ablenkung des Strahls
für n1 > n2 : vom optisch dickeren in optisch dünneres Medium
wird der Strahl vom Lot weg gebrochen
für n1 < n2 : vom optisch dünneren in optisch dickeres Medium
wird der Strahl zum Lot hin gebrochen
Luft hat ungefähr einen Brechungsindex von 1, Wasser 1,33.
Den Fall, dass ein Strahl ab einem gewissen Einfallswinkel nicht weiter vom Lot weggebrochen werden kann, nennt man Totalreflexion. Anschaulich bedeutet dies, dass der Strahl nicht wieder aus dem 2. Medium zurück ins 1. Medium austreten kann, sondern „in“ der Grenzfläche verläuft. Mathematisch betrachtet kann der Brechungswinkel nie > 90° werden, da gilt:
Winkel der Totalreflexion = maximaler Brechungswinkel = θc = arcsin (n2/n1)
Oftmals sind Reflexion und Refraktion zwei miteinander verknüpfte Vorgänge. Der einfallende Strahl wird zum Teil reflektiert und zum Teil gebrochen. Die Energie wird dabei auf beide Strahlen aufgeteilt. Die Wellenlängen bleiben jedoch bestehen.
In der Atmosphäre werden Strahlen aufgrund der Dichteänderungen der Luft gebrochen. Die Schwierigkeit der Bestimmung des Refraktionswinkels besteht darin, dass keine festen Grenzflächen vorliegen. Die Dichteverteilung der Atmosphäre sieht folgendermaßen aus:
Graphik 1: Dichte- (und Druck-) Verteilung in den unteren Schichten der Atmosphäre [Quelle: Wikipedia, GNU Free Documentation License, 2005]
Doch selbst diese Graphik ist stark vereinfacht. Durch die hohe Dynamik der Atmosphäre und die vielen variierenden Gasverteilungen, ist es schwer, den tatsächlichen, momentanen Refraktionseinfluss zu bestimmen.
Die Modellierung des Effektes erfolgt über empirische Formeln:
dr = k (r + r³/c²)
mit: k = ( (2410 H / (H² – 6H + 250)) - (2410 h / (h² – 6h + 250)) h/H ) 10-6
k ... Refraktionskoeffizient
r ... Bildradius
c ... Kammerkonstante
H ... Flughöhe
h ... Geländehöhe
Beispiel für atmosphärische Refraktion: der Regenbogen
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