Reise nach La Palma im November 2013

Reise nach La Palma im November 2013

Regenbogenpolarisation und Magnetexperiment

Das viele schlechte Wetter hatte auch Vorteile. Es waren über dem Meer mehrfach Regenbögen zu beobachten. Das folgende Exemplar hielt sich über fast eine Stunde und in einer Animation ist die Bewegung zu verfolgen, die durch die Änderung der Sonnenposition entsteht.

Dieses Pano zeigt den Bogen komplett während seiner stärksten Ausprägung.

Das von einem Regenbogen reflektierte Licht hat einen sehr hohen Polarisationsgrad. Mit Hilfe eines Polarisationsfilters kann ein Regenbogen, je nach Drehwinkel des Filters vor dem Beobachterauge oder der Kamera, entweder weitgehend gelöscht, oder im Kontrast gesteigert werden.

Da die Farbenlinien polarisiertes Licht sind, werden sie bei geeigneter Polarisation unterdrückt – kein Regenbogen ist sichtbar. Dreht man den Polfilter 90° aus dieser Position heraus, wird der Regenbogen fast vollständig durchgelassen, das zufällig polarisierte Licht der Wolken rundherum wird zu etwas mehr als der Hälfte geschluckt. Relativ zur Umgebung scheint der Regenbogen so viel kräftiger.

Der Polarisationsgrad ist knapp unter 100% da der Bogen mit der Drehung nie komplett ausgelöscht werden kann

Die Animation zeigt deutlich, dass auch das Licht innerhalb des Bogens und der schwächere Außenbogen polarisiert sind.

Mit dem Programm IRIS wurden die Polarisationsgrade in Helligkeitswerte umgerechnet. Das der Bogen unterschiedliche Polarisationsgrade aufweist, liegt daran, dass kein Offset abgezogen werden kann und die relative Helligkeit zum Hintergrund schwankt. Dennoch lassen sich einige interessaante Schlüsse ziehen.

Die Reflektion im Wassertropfen geschieht in etwa mit dem Brewster-Winkel, was zu der starken Polarisierung führt. Er liegt bei Wasser bei etwa 40 Grad. Der Brewster-Winkel ist eine Größe der Optik. Er gibt den Winkel an, bei dem von einfallendem, unpolarisiertem Licht nur die senkrecht zur Einfallsebene (d. h. parallel zur Grenzfläche) polarisierten Anteile reflektiert werden. Das reflektierte Licht ist dann linear polarisiert. Da die Einfallsebene an unterschiedlichen Stellen des Bogens unterschiedlich ist, dreht sich der Polarisationswinkel. Der Regenbogen ist also bei verschiedenen Filterstellungen an den verschiedenen Bogenpunkten mit unterschiedlichen Winkeln polarisiert.
Die folgende Grafik zeigt den drehenden Polarisationswinkel. An der Bildoberkante ist er fast parallel zum Horizont. Links unten fast vertikal zum Horizont. Da der Nullpunkt der Filterstellung nicht klar definiert gewesen ist, kann nur über die Stärke der Drehung eine Aussage gemacht werden. Es handelt sich also um relative und nicht um absolute Werte.

Im Vorjahr gab es einige Magnetometerexperimente während eines Polarlichtsturms am Nordkap. Dazu wurde einfach ein Magnet mit Spiegel in ein Glas gehängt und mit einem Laserpointer angeleuchtet. Der Magnet war von der Masseverteilung im Gleichgewicht hing aber auf der Nordseite nach unten.

Es läßt sich vermuten, dass die polnahen Magnetfeldlinien weniger Kraft zur Nordausrichtung besitzen, als die eher horizontalen Linien in Deutschland. Messungen des GFS zeigen tatsächlich eine Halbierung der Nordkomponente und ein Ansteigen der Vertikalkomponente.
Der magnetische Erdkern ist kleiner als der Erddurchmesser. Daher verlaufen die Feldlinien in Polnähe fast vertikal und ziehen den Magneten auf der Nordseite nach unten.

Das Ansteigen der Vertikalkomponente beträgt etwa 20% zwischen Deutschland und Nordkap sollte die Neigung des Magneten vergrößern. Im Vergleich Deutschland-Norwegen ist jedoch kein signifikanter Effekt zu sehen . In Äquatornähe sollte dies anders sein.

Das Experiment sollte in La Palma wiederholt werden. Die Inseln liegen nur 28 Grad nördlich des Äquators die nur halb so starke Vertikalkomponente sollte hier den Magneten weniger stark auslenken.

Das Ergebnis ist überraschend eindeutig.

Obwohl es nur 3 Messpunkte gibt, läßt sich doch feststellen, dass der magnetische Kern der Erde kleiner sein muss, als der Erddurchmesser. Die Abweichung der Breitengrade zwischen München-Nordkap und München-LaPalma ist fast gleich, die Neigung des Magneten ändert sich aber nicht linear. Die Neigung ändert sich extrem in Richtung Äquator. Wenn sich die Steilheit der Feldlinien zwischen München und La Palma stark ändert, es jedoch zwischen München und Nordkap kaum eine Änderung gibt, so ist dies ein Hinweis darauf, dass der magnetische Kern der Erde kleiner sein muss, als der Erdurchmesser.