Korona (atmosphärische Optik)

mini|rechts|hochkant=2|Mondhof oder lunare Korona mit ringförmigen Interferenzerscheinungen (Farbtemperatur 4250 Kelvin). Bildhöhe und Bildbreite entsprechen einem Bildwinkel von knapp 8 Bogengrad. mini|rechts|hochkant=2|Mond mit mehrfarbiger Korona im Goldenen Tor der Ekliptik bei leichter Bewölkung mit mehrfarbiger Korona (unten im Bild der Rote Riese Aldebaran, oben rechts die Plejaden). Die Farbe der Wolken ist im neutralen Grau (Farbtemperatur des Mondlichts = 4100 Kelvin).

Als Korona ( „Kranz, Krone“) oder Hof bezeichnet man eine Leuchterscheinung um Mond oder Sonne, die durch Beugung des Lichts an den Wassertröpfchen von Wolken verursacht wird – im Gegensatz zum Regenbogen oder zu Haloeffekten, die beide durch Brechung entstehen. Bei einer Korona ist oft nur eine weiße Scheibe mit rötlichem Rand zu sehen, die Aureole genannt wird. Unter günstigen Bedingungen ist die Aureole von mehreren farbigen Ringen umgeben.

Der Durchmesser der Aureole um Sonne oder Mond hat eine Winkelausdehnung zwischen 2,5° und 8°, der Winkeldurchmesser der äußeren Ringe kann bis zu 15° betragen. Der Beugungseffekt, der die Korona erzeugt, muss nicht notwendigerweise durch Wassertröpfchen verursacht werden. In seltenen Fällen können Eiskristalle oder andere Aerosole ebenfalls Koronen hervorrufen, beispielsweise bei einer Pollenkorona.

Eine solche Korona ist ein Effekt der Atmosphärischen Optik, im Gegensatz zur Sonnenkorona, bei der es sich um die nur bei einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar werdende Atmosphäre der Sonne handelt.

Aussehen und Auftreten mini|Eine schwache Aureole um die aufgehende Sonne mini|Korona um eine Straßenlampe, erzeugt durch eine beschlagene Scheibe

Schieben sich Wolken vor Sonne oder Mond, bilden sich unter bestimmten Bedingungen leuchtende Scheiben um die jeweilige Lichtquelle, die manchmal noch von farbigen Ringen umgeben sind. Der wissenschaftliche Name für diese Leuchterscheinung ist Korona, die helle Scheibe im Zentrum der Korona heißt Aureole. In der Alltagssprache wird diese oft Hof und die farbigen Ringe auch Kränze genannt. Allerdings werden die Begriffe nicht immer in dieser Weise benutzt, und als weitere Quelle der Verwirrung werden in älteren Texten Halos ebenfalls als Kränze bezeichnet.

Koronen sind meist um den Mond zu beobachten, seltener um die Sonne. Dies liegt nicht daran, dass sie um die Sonne weniger häufig auftreten, sondern daran, dass das Licht der Sonne die Koronaerscheinung überstrahlt und man darüber hinaus in der Regel den Blick in die Sonne meidet (und wegen der Gefahr für die Augen auch meiden sollte). Zur Beobachtung von Sonnenkoronen muss das Sonnenlicht daher abgeschwächt werden – durch die Verwendung von Filtern oder indem man das Phänomen im Spiegelbild beobachtet, auf einem Gewässer oder einer Fensterscheibe. Bei günstigen Verhältnissen können auch Koronen um PlanetenFoto einer Aureole um den Planeten Venus oder SterneAureole um den Stern Sirius beobachtet werden.

Meist ist nur die Aureole um den Mond zu sehen – eine weiße Scheibe, deren Rand in Gelb und Rot übergeht. Der Mond selbst wird von der Aureole oftmals überstrahlt. Ist er zu sehen, fällt der Größenunterschied zwischen ihm und der Aureole sofort auf: Während die Scheibe des Vollmonds unter einem Sehwinkel von etwa 0,5° zu sehen ist, erreicht der Durchmesser der Aureole, abhängig von der Größe der Tropfen (siehe Einfluss der Tropfengröße), eine Winkelausdehnung von typischerweise 2,5° bis 8°. Aureolen kommen mehr oder weniger ausgeprägt in fast allen, nicht zu dicken Arten von Wolken vor, weshalb sie vergleichsweise häufig auftreten. Besonders oft erscheinen Koronen bei Altocumulus-Wolken und dünnen Schichtwolken.

Unter günstigen Bedingungen schließen sich an die Aureole farbige Ringe an (siehe Einfluss der Wellenlänge), wobei von innen nach außen die Farben Blau, Grün, Gelb und Rot zu sehen sind. Es wurden bis zu vier Ringsysteme beobachtet. Bei den äußeren fehlt das Blau, ansonsten sind die Farben ähnlich denen im innersten Ringsystem. Koronen können sehr unterschiedliche Ausdehnungen haben, der Winkeldurchmesser der äußersten Ringe kann bis zu 15° betragen. Beim Durchzug von Wolken kann sich die Korona verändern – der Durchmesser kann wachsen oder schrumpfen, Ringe erscheinen oder verschwinden wieder, je nachdem, wie sich die Tropfengrößen verändern.

Man kann außerdem künstliche Koronen beobachten oder erzeugen, indem man beispielsweise durch eine beschlagene Scheibe oder Nebel auf eine Lampe blickt.

Entstehung Die Korona als Beugungsbild mini|Zum Vergleich: Halo (oben), Korona (unten). Neben den intensiveren Farben bei der Korona ist vor allem der Größenunterschied auffällig.

Koronen sind eine Beugungserscheinung und dürfen nicht mit den Halos um Sonne oder Mond verwechselt werden – diese entstehen durch Brechung des Lichtes in Eiskörnern hoher Wolken und haben einen größeren Durchmesser (von meistens 22°, seltener auch 46°) sowie eine andere Farbreihenfolge. Koronen entstehen durch Beugung des Sonnen- oder Mondlichtes an Wassertropfen – es müssen also Wolken vorhanden sein, wenn man eine Korona beobachten will. Diese Wolken dürfen andererseits aber auch nicht zu mächtig sein, da das Mond- oder Sonnenlicht sie durchdringen können muss.

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Um Beugungseffekte zu verstehen, reicht die einfache Strahlenoptik nicht mehr aus, sondern die Welleneigenschaften des Lichtes müssen berücksichtigt werden. Die Beugung der Lichtwellen an einem Hindernis lenkt das Licht aus seiner ursprünglichen Richtung ab. Überlagerungen der gebeugten Wellen können wiederum Interferenzerscheinungen hervorrufen, die sogenannten Beugungsbilder. Wie diese Beugungsbilder aussehen, hängt unter anderem von der Form des beugenden Gegenstandes ab. Wassertropfen sind kugelförmig und bilden daher für das sich ausbreitende Licht ein kreisförmiges Hindernis. Deshalb entspricht das Beugungsbild eines Wassertropfens annähernd dem einer Kreisscheibe. Dieses wiederum entspricht nach dem Babinetschen Theorem in guter Näherung demjenigen einer Kreisblende gleichen Durchmessers: einem hellen Scheibchen, dem Zentralbild mit der größten Intensität, und konzentrischen hellen und dunklen Ringen, wobei die Intensität der hellen Ringe nach außen abnimmt. Während das Zentralbild mehr oder weniger der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Lichtes entspricht (der Ablenkwinkel liegt um 0°), haben die Ringe einen umso größeren Durchmesser, je größer der Ablenkwinkel ist. Der Durchmesser der Beugungsringe hängt vom Tropfendurchmesser und der Lichtwellenlänge ab. Die Ringe werden umso weiter, je größer die Wellenlänge ist und je kleiner die beugenden Wassertropfen in der Wolke sind.

mini|Die Beugungsringe sind die Schnittlinien der Kegelmäntel mit der Ebene des Schirms.

Die Beugungsbilder sämtlicher Wassertropfen einer Wolke werden von einem irdischen Beobachter als ein einziges System konzentrischer Ringe um die Lichtquelle wahrgenommen (der Korona), das dem Beugungsbild eines einzelnen Tropfens auf einem Schirm entspricht. Das kommt folgendermaßen zustande:

Das Beugungsbild eines einzelnen Tropfens auf einem Schirm – also in einer bestimmten Ebene senkrecht zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Lichtes – besteht aus konzentrischen Ringen. Diese Ringe sind die Schnittlinien der Kegelmäntel, in die das Licht hineingebeugt wird, mit der Ebene des Schirms. Zunächst erzeugt also jeder Tropfen sein eigenes Beugungsbild und seine eigenen Kegelmäntel gebeugten Lichtes. (In der Abbildung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Kegelmantel dargestellt; tatsächlich gehört zu jedem Beugungsring natürlich jeweils ein eigener Kegelmantel. Zu beachten ist dabei, dass es sich bei dem zentralen Beugungsscheibchen nicht um einen Kegelmantel, sondern um einen Kegel handelt.)

mini|links|Die Korona wird von dem Licht erzeugt, das ins Auge fällt (dunkelrote Pfeile). Entscheidend für die Ausdehnung der Ringe ist der Sehwinkel.

Alle Kegelmäntel eines bestimmten Beugungsringes haben – einheitliche Tropfengröße vorausgesetzt – denselben Öffnungswinkel, dieser entspricht dem Ablenkwinkel . Von dem gebeugten Licht all dieser Kegelmäntel kann ein Beobachter jedoch nur dasjenige wahrnehmen, welches in sein Auge fällt. Die meisten Lichtwellen sieht der Beobachter gar nicht, weil sie an seinem Auge vorbeilaufen (Abbildung links; hellrote Pfeile).

mini|Das vom Beobachter wahrgenommene Licht kommt aus einem kreisförmigen GebietBeugt also ein Tropfen beispielsweise rotes Licht so, dass bei einem Ablenkwinkel von 3° ein Maximum entsteht, und befindet sich der Tropfen an einer solchen Position in der Wolke, dass das um 3° abgelenkte rote Licht in das Auge eines Beobachters trifft, sieht dieser an der Stelle des Tropfens rot, und zwar unter einem Sehwinkel von ebenfalls 3° (Abbildung links). Ablenkwinkel bzw. Öffnungswinkel der Kegelmäntel und Sehwinkel sind gleich, da es sich um Wechselwinkel bezüglich der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Lichtes handelt. Dabei ist es unerheblich, in welcher Höhe in der Wolke sich der Tropfen befindet, denn der Sehwinkel, unter dem der als rot wahrgenommene Tropfen erscheint, ist in jedem Fall derselbe, da der Ablenkwinkel derselbe ist (einheitliche Tropfengröße vorausgesetzt). Ein gleicher Sehwinkel bedeutet aber, dass beide Tropfen scheinbar denselben Abstand vom Mittelpunkt der Koronaerscheinung haben. Beide sind also Bestandteil desselben roten Rings.

In der Abbildung links ist dies für Tropfen auf der rechten und linken Seite der Korona gezeigt. Um die vollständige kreisförmige Korona zu erhalten, muss diese Abbildung um die ursprüngliche Lichtausbreitungsrichtung rotiert werden (Abbildung rechts).

Zur Entstehung einer Korona sind zwar sehr viele Wassertropfen erforderlich; jedoch wird das Licht im Mittel nur einmal an einem Tropfen gebeugt, weil die Tropfen in den Wolken recht große Abstände voneinander haben. Deshalb kann vernachlässigt werden, dass auch Licht in das Auge des Betrachters gelangt, das an zwei oder mehr Wassertropfen nacheinander gebeugt wurde.

Die Aureole entspricht also dem Hauptmaximum, die Ringsysteme den Nebenminima des Beugungsbildes eines einzelnen Tropfens.

Einfluss der Wellenlänge mini|Mithilfe von Bärlappsporen künstlich erzeugte Koronen. Unten links: rote LED; unten rechts: blaue LED; oben: weiße LED.

Der Ringdurchmesser ist von der Wellenlänge abhängig – je größer die Wellenlänge ist, desto stärker ist die Beugung, das heißt, desto größer ist die Ablenkung des Lichtes aus der ursprünglichen Richtung.

Das Hauptmaximum liegt für alle Wellenlängen im Zentrum (also um den Ablenkwinkel 0°), weshalb sich hier alle Farben zu Weiß überlagern und eine weiße Aureole erzeugen. Allerdings liegen die jeweils ersten Minima – die ja den Rand des Hauptmaximums, also des hellen zentralen Beugungsscheibchens bilden – für jede Wellenlänge bei einem anderen Ablenkwinkel. Da blaues Licht den kleinsten Ablenkwinkel hat und rotes Licht den größten, ist die Fläche des zentralen Hauptmaximums für blaues Licht kleiner als für gelbes und rotes Licht. Das gelbe und das rote Hauptmaximum ragen also über den Bereich hinaus, in dem alle Farben zusammen Weiß ergeben und erzeugen den gelb-rötlichen äußeren Rand der Aureole. Deshalb entsteht auf den ersten Blick der Eindruck, die Farbreihenfolge in der Korona beginne mit Rot. Tatsächlich beginnt jedoch jedes Ringsystem mit einem inneren blauen Farbring.

Die Nebenmaxima haben ebenfalls für jede Wellenlänge eine andere Position. Da rotes Licht stärker gebeugt wird, bildet es Beugungsringe mit größerem Durchmesser als blaues Licht (gleiche Beugungsordnung bzw. gleiches Ringsystem vorausgesetzt). Das ursprünglich weiße Mond- oder Sonnenlicht wird auf diese Weise durch die Beugung aufgespalten und für jeden Tropfen in Kegelmäntel aus einzelnen Farben abgelenkt.