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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/schuelerlexikon/physik/artikel/luftspiegelungen (Abgerufen: 01. July 2025, 09:22 UTC)

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  • Grenzfläche
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Zeigermodell in der Optik

Neben den Modellen Lichtstrahl und Lichtwelle können optische Erscheinungen auch mit dem sogenannten Zeigermodell beschrieben bzw. erklärt werden. Mit dem Zeigermodell kann man die geradlinige Ausbreitung, Reflexion und Brechung von Licht erklären. Besonders hilfreich ist es bei quantitativen Überlegungen zur Beugung und zur Interferenz von Licht.

Brechung von Licht

Fällt Licht geneigt auf die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Stoffen, dann wird es in der Regel aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Brechung.
Die wesentliche Voraussetzung für das Zustandekommen der Brechung ist eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in den Stoffen, die aneinandergrenzen. Für die Brechung von Licht gilt das Brechungsgesetz:
sin   α sin   β = c 1 c 2 oder sin   α sin   β = n
Das Brechungsgesetz kann man z.B. experimentell oder aus dem fermatschen Prinzip herleiten.

Das fermatsches Prinzip

Das von dem französischen Mathematiker und Juristen PIERRE DE FERMAT (1601-1665) gefundene Prinzip ist ein Extremalprinzip für die Ausbreitung von Licht. Es besagt, dass Licht zwischen zwei Punkten den zeitlich kürzesten Weg zurücklegt, der nicht immer der geometrisch kürzeste ist. Damit wird die Laufzeit des Lichtes zwischen zwei Punkten ein Minimum. Das fermatsche Prinzip ist ein grundlegendes Prinzip der geometrischen Optik. Mithilfe des fermatschen Prinzips kann man z.B. das Brechungsgesetz herleiten.

Augustin Jean Fresnel

* 10.05.1788 in Broglie/Normandie
† 14.07.1827 in Ville D´Avray bei Paris

Er war zunächst als Wege- und Wasserbautechniker im französischen Staatsdienst, später dann als Physiker tätig. Mit seinen Beiträgen zur Beugung, Interferenz und Polarisation des Lichtes schuf er die Grundlagen der Wellenoptik.

Prismen

Prismen sind Körper aus Glas oder Kunststoff. Sie können genutzt werden, um Licht in seine Bestandteile zu zerlegen, um es in eine andere Richtung zu lenken (Umlenkprismen) oder um den Lichtweg umzukehren (Umkehrprismen). Das auffallende Licht wird dabei gebrochen bzw. total reflektiert.
Genutzt werden Prismen z. B. in Spektralapparaten sowie in optischen Geräten wie Ferngläsern und Spiegelreflexkameras.

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