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Luftspiegelungen

Luftspiegelungen entstehen, wenn Licht an der Grenze zwischen Warmluft und Kaltluft scheinbar total reflektiert wird und dadurch für einen Beobachter Objekte an Stellen erscheinen, an denen sie sich in Wirklichkeit nicht befinden. Wird das Vorhandensein einer ausgedehnten Wasserfläche vorgetäuscht, so spricht man von Fata Morgana.

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Luftspiegelungen entstehen, wenn Licht an der Grenze zwischen Warmluft und Kaltluft scheinbar total reflektiert wird und dadurch für einen Beobachter Objekte an Stellen erscheinen, an denen sie sich in Wirklichkeit nicht befinden. Diese Erscheinung ist im Sommer häufig über Asphaltstraßen zu beobachten: Ein Teil der Straße scheint mit Wasser bedeckt zu sein. Tatsächlich ist es aber nichts anderes als das vom Himmel kommende Licht, das unmittelbar über der Straße umgelenkt wird.

  • Blickt man im Sommer bei starker Sonneneinstrahlung unter einem flachen Winkel über eine Asphaltstraße, so scheint die Straße manchmal von Wasser bedeckt zu sein.

    L. Meyer, Potsdam

Physikalische Grundlagen

Licht breitet sich in einem Stoff konstanter Temperatur oder konstanter Dichte geradlinig aus. Das gilt auch für die Luft. Ändert sich jedoch die Temperatur und damit die Dichte, so ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit in Luft. Luft unterschiedlicher Dichte hat damit auch eine unterschiedliche optische Dichte. Allgemein gilt:

Je höher bei bestimmtem Druck die Lufttemperatur ist, desto kleiner ist die Dichte und desto größer ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht.

Dieser Effekt ist meist sehr klein und vernachlässigbar. Er spielt dann eine Rolle, wenn die Dichteunterschiede relativ groß sind, z.B. an der Grenzfläche zwischen einer Schicht aus Kaltluft und aus Warmluft (Bild 2). Das Licht kann dann regelrecht umgelenkt werden. Man hat den Eindruck, dass es scheinbar an der Grenzschicht total reflektiert wird. Deshalb spricht man auch vereinfacht von der Spiegelung des Lichts an einer Grenzschicht zwischen kalter und warmer Luft.
Für die optische Wahrnehmung ist auch noch wichtig: Man sieht ein Objekt immer an der Stelle, von der das Licht herzukommen scheint.

  • An einer Grenzschicht zwischen kalter und warmer Luft wird das Licht kontinuierlich gebrochen und damit scheinbar an der Grenzschicht total reflektiert.

Spiegelungen nach unten

Spiegelungen nach unten treten besonders häufig in Wüsten auf. Sie lassen sich bei uns aber auch über Asphaltstraßen beobachten (Bilder 1 und 3), wenn man unter einem kleinen Winkel auf die Straße blickt.
Die heiße Luftschicht, die sich über einer Sandschicht in der Wüste oder über einer Asphaltstraße bei starker Sonneneinstrahlung bildet, wirkt wie ein Spiegel. Wird nicht irgend ein bestimmtes Objekt, sondern der Himmel gespiegelt, so kann das Vorhandensein einer ausgedehnten Wasserfläche vorgetäuscht werden. Eine solche Erscheinung wird auch als Fata Morgana bezeichnet.
Unter speziellen Bedingungen können Objekte auch mehrfach gespiegelt werden. Das kann man manchmal über dem Wattenmeer bei Ebbe beobachten, wenn eine sehr dünne Wasserschicht durch die Sonneneinstrahlung erwärmt wird und ihrerseits die darüber liegende Luftschicht erwärmt.

  • Durch die heiße Luft unmittelbar über der Straße wird das Himmelslicht scheinbar total reflektiert. Solche Erscheinungen treten in der Wüste häufig auf.

Spiegelungen nach oben

Spiegelungen nach oben sind vor allem über dem Meer, manchmal auch im Gebirge zu beobachten. Voraussetzung dafür ist die Existenz einer Grenzschicht zwischen Kaltluft unten und Warmluft oben (Bild 4) sowie ein kleiner Winkel zwischen der betreffenden Schicht und dem Beobachter. Objekte scheinen dann am Himmel zu sein. Sie stehen darüber hinaus auf dem Kopf. Das wird insbesondere dann deutlich, wenn man neben dem Spiegelbild des Objektes gleichzeitig auch noch das Objekt direkt sieht.

  • An einer Grenzschicht zwischen kalter und warmer Luft wird das Licht scheinbar total reflektiert. Objekte scheinen dann auf dem Kopf zu stehen. Diese Erscheinung tritt meist über Wasserflächen auf.
Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Luftspiegelungen." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/index.php/schuelerlexikon/physik/artikel/luftspiegelungen (Abgerufen: 29. June 2025, 22:22 UTC)

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  • Grenzfläche
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Reflexion von Licht

Fällt Licht auf die Oberfläche eines Körpers, so wird ein Teil des Lichtes reflektiert. Diese Reflexion kann regulär oder diffus erfolgen. Unabhängig von der Art der Reflexion des Lichtes gilt das Reflexionsgesetz:
Wenn Licht an einer Fläche reflektiert wird, so ist der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel. Es gilt:

α = α '

Einfallender Strahl, Einfallslot und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene. Die Reflexion von Licht lässt sich mit dem Strahlenmodell oder mit dem Wellenmodell beschreiben. Sie tritt in Natur und Technik in vielfältiger Weise auf und ist dabei zum Teil unerwünscht und zum Teil erwünscht, z.B. bei Spiegeln.

Regenbogen

Ein Regenbogen ist eine Naturerscheinung. Er ist zu beobachten, wenn man die Sonne im Rücken hat und eine abziehende Regenwolke von der Sonne beleuchtet wird. Charakteristisch für einen Regenbogen ist ein Farbband mit den Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett, wobei die Farben stets in gleicher Reihenfolge auftreten.
Manchmal ist über einem Regenbogen ein zweiter, lichtschwächerer Nebenregenbogen zu beobachten, bei dem eine umgekehrte Farbfolge zu sehen ist.

Willebrord Snellius

* 1580 in Leiden
† 30.10.1626 in Leiden

Er war ein niederländischer Mathematiker und Naturwissenschaftler, der sich u. a. mit den Eigenschaften von Licht und mit geodätischen Messungen beschäftigte.

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Darüber hinaus wird ein Teil des Lichtes von dem Stoff, den es durchdringt, aufgenommen (absorbiert). Wie stark diese Absorption ist, wird durch den Absorptionskoeffizienten erfasst.

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Geht Licht von einem optisch dichten in einen optisch dünnen Stoff über, dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Bei einem Brechungswinkel von 90° gelangt das Licht gar nicht mehr in den zweiten Stoff, es verläuft entlang der Grenzfläche. Vergrößert man davon ausgehend den Einfallswinkel noch weiter, dann wird an Licht an der Grenzfläche vollständig reflektiert. Dieser Vorgang wird als Totalreflexion bezeichnet. Totalreflexion wird z.B. bei Lichtleitern genutzt. Sie spielt auch bei Luftspiegelungen eine Rolle.

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