Thema: Licht
 

Thema
Licht

Einleitung

Die Sonne strahlt weiß vom Himmel. Aber in Wirklichkeit setzt sich ihr Licht aus verschiedenen Farben zusammen. Bild: DLR

Das Licht der Sonne sieht weiß aus. Doch tatsächlich besteht es aus verschiedenen Farben, die alle zusammen weiß erscheinen. An einem Regenbogen merkt man das: Da wird das Licht von den Wassertröpfchen so „zerlegt“, dass man die verschiedenen Farben erkennt. Außerdem gibt es sogar Licht, das wir mit unseren Augen gar nicht sehen können. Klingt alles etwas rätselhaft und kompliziert? Macht nichts! Wir erklären es dir hier! Sieh dir zuerst einmal dieses Video an, in dem unsere Physikerin Sina die Sache mit dem Regenbogen und mit den Farben des Lichts genauer untersucht.

Wenn du das Video mit Sina und dem Regenbogen angesehen hast, kannst du einige der Versuche, die sie da vorgemacht hat, ja selbst einmal ausprobieren. Hier nochmal die Anleitung für ein ganz einfaches Regenbogen-Experiment, das wir auf DLR_next, unserer Webseite für junge Leute, ausführlich beschrieben haben.

Farben und Wellenlängen

Das Farbspektrum des sichtbaren Lichts. Wie bei einem Regenbogen reicht es von violetten Farbtönen bis zu rötlichen Farben.

Hier haben wir für dich nochmal die ganzen Farben, aus denen das sichtbare Licht besteht, nebeneinander aufgereiht. Wie kommt es zu diesen verschiedenen Farben des Lichts? Das hat mit der Wellenlänge zu tun. Stell dir mal Lichtstrahlen wie eine gewellte Linie vor, die immer rauf und runter geht. Dabei kann der Abstand zwischen benachbarten Wellenbergen größer sein – dann sind sie weit auseinander. Bei solchen großen Abständen sagt man, dass das „langwellige“ Strahlung ist. Oder die Wellen können ganz eng aufeinander folgen und kurze Abstände von Wellenberg zu Wellenberg haben – dann spricht man von „kurzwelliger“ Strahlung. Und bei jeder Farbe sind diese Abstände verschieden lang oder kurz. Wir haben das hier mal für dich aufgemalt: Du erkennst sicher auf einen Blick: Das rote Licht ist langwellig, das blaue Licht ist kurzwellig.

Rotes Licht besteht aus langen Wellen, blaues Licht ist kurzwellig. Natürlich ist dieses Schaubild ganz stark vereinfacht. Fachleute werden auch anmerken, dass das mit den Wellenlängen des Lichts viel komplizierter ist und dass sie sich nicht wie diese Schlangenlinien ausbreiten. Aber das lernst du dann später im Physikunterricht. Bild: DLR

Wie verschiedene Farben zusammen weißes Licht ergeben, kannst du selbst in dem Taschenlampen-Experiment nachmachen, das Sina im Video vorgeführt hat: Einfach drei Taschenlampen nehmen, drei farbige Folien – und zwar rot, grün und blau – davor befestigen und dann in einem dunklen Raum mit den farbigen Lichtstrahlen etwas herumexperimentieren. Richte erst mal nur einen Farbstrahl auf ein weißes Blatt Papier, dann den zweiten und den dritten. Wenn alle drei Farbstrahlen auf dieselbe Stelle treffen, ist der Leuchtfleck weiß! Wenn du keine Taschenlampen oder Farbfolien zur Hand hast, kannst du das so ähnlich auch mit dieser Animation ausprobieren:

Da passiert genau dasselbe wie im Taschenlampen-Experiment: Blaues Licht alleine sehen wir blau, zusammen mit rotem Licht wird es lila – und wenn noch das grüne Licht dazukommt, wird es weiß. Du kannst auch andere Farben wie gelb oder braun erzeugen – spiel einfach mal etwas damit herum! Dazu musst du nur am Anfang in der unteren Leiste „RGB Lichter“ anklicken und dann mit den Schiebereglern die drei Taschenlampen mehr oder weniger stark aufleuchten lassen.

Die Sonne – gesehen vom Satelliten SDO. Alle Bilder wurden gleichzeitig in verschiedenen Wellenlängen aufgenommen. Bild: SDO/NASA

Von der „Spielerei“ jetzt zur echten Forschung: Es gibt Satelliten, die darauf spezialisiert sind, die Sonne zu beobachten. Mit ihren Instrumenten fächern sie das Sonnenlicht in seine farbigen Bestandteile auf. Es erscheint dann auf den Bildern je nach Wellenlänge rot oder grün oder blau oder auch in anderen Farben. Aber dabei geht es nicht darum, die Sonne schön bunt zu zeigen. Jede Wellenlänge gibt einen anderen Bereich der Strahlung wieder. In manchen Darstellungen erkennt man dann, was direkt auf der Sonnenoberfläche passiert, auf anderen Bildern sieht man dagegen die Regionen viele Kilometer über der Oberfläche besser. Hier kannst du diese Bilder in den verschiedenen Wellenlängen betrachten und sogar selbst kombinieren. Die Webseite bietet übrigens viele zusätzliche Möglichkeiten: Du kannst zum Größenvergleich ein Bild der Erde einkopieren – da wirst du sicher staunen, wie riesig die Sonne ist. Und du hast die Wahl, ob du die Sonne in den neuesten Aufnahmen betrachten möchtest, die nur wenige Minuten alt sind, oder ob du die Zeit zurückspulen willst. Sogar Videos kannst du auf diese Weise erstellen, in denen du die Entwicklung über mehrere Stunden oder Tage darstellst.

 

Auf der Sonnenoberfläche kommt es immer wieder zu Ausbrüchen. Bild: SDO/NASA

Rätselhaft: Unsichtbares Licht

Jetzt aber zu dem rätselhaften unsichtbaren Licht! Auch dazu hat Sina einige spannende Experimente durchgeführt, die dir das erklären und die du wieder nachmachen kannst. Schau dir jetzt einmal dieses Video an:

Im Video erwähnt Sina das infrarote Licht. Dieses können wir zwar mit unseren Augen nicht sehen, aber mit speziellen Instrumenten kann man es auch für uns sichtbar machen. Hier mal einige solche Aufnahmen, die in einem unserer DLR-Schülerlabore entstanden sind. Da siehst du die Gesichter mit den „Augen“ einer sogenannten Wärmebildkamera.

Wärmebilder zeigen verschiedene Temperaturen an. Bild: DLR

Auf den Bildern erkennt man, wo ein Gesicht kühler oder wärmer ist. Ganz deutlich wird das, wenn jemand eine Brille trägt: Das Glas ist kalt und sieht grün oder blau aus, die Haut ist dagegen viel wärmer und erscheint rot.

Solche Aufnahmen braucht man für viele wichtige Dinge. Zum Beispiel um Heizkosten einzusparen. Wärmebilder von Häusern zeigen, wo die Wärme nach draußen abgegeben wird. Das ist natürlich nicht gut, denn wenn man die Heizung anmacht, will man ja das Zimmer und nicht die Luft draußen erwärmen. Also müssen Hauswände möglichst gut isoliert sein, damit sie wenig Wärme abgeben. Hier siehst du ein Wärmebild eines Gebäudes. Will man Heizkosten sparen, können Fachleute an solchen Aufnahmen erkennen, wo das Haus noch besser isoliert werden muss.

Ein Gebäude im Wärmebild. Bild: DLR

Der Sternenhimmel mit anderen „Augen“ gesehen

Auch den Sternenhimmel kann man mit Infrarot-Instrumenten betrachten – und dann sieht er ganz anders aus als mit normalen Teleskopen. Hier ein Beispiel: Beide Bilder zeigen dieselbe Region im Universum. Vergleiche mal das linke und das rechte Bild, indem du den Schieberegler hin- und herbewegst – und dann reden wir weiter.

 
 
dragger
Dieselbe Region des Weltalls in zwei Bildern. Links siehst du Sterne und Wolken aus Gas- und Staubteilchen ungefähr so, wie wir sie mit eigenen Augen durch ein normales Teleskop sehen würden. Rechts im Infrarot-Bild sieht es ganz anders aus und du kannst durch die kosmischen Wolken hindurchblicken. Bilder: NASA

Hast du beide Aufnahmen betrachtet? Das linke Bild zeigt alles ungefähr so, wie wir es mit unseren Augen durch ein starkes Fernrohr sehen würden. Du erkennst helle Sterne, aber auch Wolken aus Gas- und Staubteilchen, die da durch die Gegend wabern. Durch diese Wolken können wir nicht hindurchsehen. Rechts dieselbe Region im Infrarot-Bild: Da die langwellige Strahlung durch die kosmischen Wolken dringt, werden sie durchsichtig und du erkennst, was sich dahinter verbirgt. Das ist für Astronominnen und Astronomen besonders interessant, weil sich in diesen Wolken neue Sterne bilden – und das lässt sich so eben viel besser beobachten.

Bei dieser sogenannten Infrarot-Astronomie gibt es nur ein kleines Problem: In unserer Lufthülle ist viel Wasserdampf enthalten – und der „verschluckt“ Anteile der infraroten Strahlung. Nicht alles davon kommt also unten am Boden an. Was tun? Die Infrarot-Instrumente, mit denen man das Universum beobachten will, müssen aus der „dicken“ Luft raus. Ein Satellit, der die Erde umkreist und ein solches Infrarot-Teleskop an Bord hat, ist da eine Lösung. Oder ein Flugzeug, das besonders hoch fliegt. Genau ein solches Spezialflugzeug gibt es: Das Projekt heißt SOFIA und wird von der amerikanischen NASA gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betrieben. Der Flieger steigt auf etwa 12 bis 13 Kilometer auf, wo es nur noch ganz dünne Luft gibt, die nicht mehr stört. An der Seite hat er eine Klappe, die sich dann öffnet – und mit einem Infrarot-Teleskop wird dann der Sternenhimmel beobachtet. Hier siehst du ein Foto dieses Flugzeugs, bei dem sogar schon öfter mal Lehrerinnen und Lehrer mitfliegen durften, damit sie in der Schule dann über solche Forschungsprojekte berichten können.

Das Forschungsflugzeug SOFIA. Du erkennst hier die Luke, in der sich das Infrarot-Teleskop befindet. Bild: DLR.

Quiz

So, das sollte erst einmal zum Einstieg in das Thema Licht genügen. Hier mal ein kleines Quiz – mal sehen, ob wir dir alles gut erklärt haben und du die folgenden Fragen beantworten kannst. Die Auflösungen findest du hier. Aber nicht gleich nachgucken, sonst macht’s keinen Spaß!

Wenn Licht „verschluckt“ wird

Für alle, die noch mehr zum Thema Licht wissen wollen, hier noch einige andere spannende Infos. Die erste handelt davon, dass Licht auch „verschluckt“ werden kann. Jetzt fragst du dich vielleicht „Hä? Licht verschlucken? Wie soll das denn gehen?“ Pass auf: Wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, wird es zurückgeworfen – man sagt auch „reflektiert“. Bei einem weißen Blatt Papier wird das ganze eintreffende Licht zurückgeworfen. Bei einem grünen Blatt aber fast nur das grüne Licht. Und bei einer roten Erdbeere das rote Licht. Die anderen Lichtwellen werden „verschluckt“ – man sagt auch „absorbiert“. Schwarze Farbe absorbiert fast das ganze Licht. Wenn wir sie betrachten, kommt kaum noch Licht an unser Auge – und deshalb sehen wir schwarze Dinge so dunkel. Aber wenn Strahlung „verschluckt“ wird – wohin ist sie dann „verschwunden“? Die Strahlung verschwindet natürlich nicht wirklich. Sie wird von dem Material aufgenommen und deshalb sind schwarze T-Shirts, die die Strahlung aufnehmen, bei Sonnenschein auch wärmer als weiße Hemden, die die Strahlung wieder zurückwerfen.

Auch dazu kannst du ein ganz einfaches Experiment durchführen: Nimm zwei gleich große Plastikflaschen, mal eine mit weißer und eine mit schwarzer Farbe an, fülle sie mit derselben Menge Wasser und stell sie auf die Fensterbank ins Sonnenlicht. Vergleiche nach ca. einer halben Stunde mit einem Thermometer die Temperaturen des Wassers in den beiden Flaschen. Kleiner Tipp: Frag vorher deine Eltern oder eure Lehrerin bzw. euren Lehrer nach den richtigen Farben, die gut auf der Flasche haften und sie ganz bedecken müssen.

Ein Bild der Erde auf Basis von Satellitendaten. Du erkennst das weiße Polareis der Arktis. Bild: DLR

Das Flaschen-Experiment hat übrigens viel mit dem Klimawandel auf der Erde zu tun. Stell dir mal das Eis am Nordpol und am Südpol vor: Es ist hell und reflektiert daher ziemlich viel Strahlung – wie ein gigantischer Spiegel. Wasser dagegen ist dunkel und nimmt daher viel mehr Strahlung auf – so wie die schwarz angemalte Flasche oder das schwarze T-Shirt, in dem man mehr schwitzt als im weißen T-Shirt. Wenn nun durch die globale Erwärmung der Erde immer mehr Eis schmilzt, gibt es immer weniger weiße Gebiete, die Strahlung ins Weltall zurückwerfen – und immer mehr Gebiete mit Wasser, die Strahlung aufnehmen. Dadurch heizt sich das Klima weiter auf und der ganze Prozess wird beschleunigt.

Die rote Sonne!

Bei Sonnenuntergang kommen vor allem rote Anteile des Lichts bis zu unseren Augen. Bild: DLR

Jetzt zum Abschluss noch eine weitere Idee für ein Licht-Experiment, das ihr am besten zu zweit durchführt. Dabei geht es um die Frage, warum die Sonne und der Himmel bei Sonnenaufgang und auch bei Sonnenuntergang so rötlich aussehen. Vereinfacht gesagt hat es damit zu tun, welchen Verlauf das Licht auf seinem Weg durch unsere Atmosphäre nimmt. Dabei trifft es auf verschiedene kleine Teilchen, wie Luftmoleküle, Wassertröpfchen oder Eiskristalle. Und von diesen Teilchen wird es in verschiedene Richtungen abgelenkt – man sagt auch „gestreut“. Das Besondere ist dabei Folgendes: Das blaue kurzwellige Licht wird sehr stark zur Seite abgelenkt, das rote dagegen viel weniger.Tagsüber, wenn die Sonne hoch am Himmels steht, legt ihr Licht nur einen kurzen Weg durch die Atmosphäre zurück und es kommt immer noch genug von allen Farben bei uns an, sodass die Sonne weiß aussieht. Morgens und abends aber steht die Sonne dicht über dem Horizont und der Weg des Lichts durch unsere Lufthülle ist länger. Das zeigt dir diese Grafik, bei der wir die Situation mittags und abends dargestellt haben:

Wenn die Sonne mittags hoch oben am Himmel steht, ist der Weg ihrer Lichtstrahlen durch die Erdatmosphäre kürzer als bei Sonnenuntergang.

Wenn das Sonnenlicht beispielsweise abends einen sehr langen Weg durch die Lufthülle der Erde zurücklegt, kommt fast nur noch das langwellige rote Licht bei uns an. Und genau das kannst du – wiegesagt am besten zu zweit mit einem Freund oder einer Freundin – in folgendem Experiment nachmachen: Nehmt eine Taschenlampe als Sonne und ein Glas mit Wasser und etwas Milch als Atmosphäre. Diese Wasser-Milch-Mischung gebt ihr vorab in eine Kanne – mit viel Wasser und nur etwas Milch. Die Fett-Teilchen in der Milch stellen hier in diesem Modell die Teilchen in der Atmosphäre dar. Leuchtet nun in einem dunklen Raum mit der Taschenlampe von unten in das Glas. Füllt erst etwas von der Wasser-Milch-Mischung ein und schaut von oben ins Glas. Dann schüttet ihr etwas mehr von der Flüssigkeit nach und betrachtet die Sache wieder von oben. Macht das mehrmals und achtet dabei auf die Farbe des Lichts an der Oberfläche. Je mehr Flüssigkeit im Glas ist, desto weiter ist der Weg des „Taschenlampen-Sonnenlichts“ durch die „Milch-Atmosphäre“ – und umso stärker färbt sich das Licht rötlich wie es auch bei Sonnenuntergang passiert.

Mit dem Taschenlampen-Experiment kannst du nachmachen, warum das Licht bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang rötlich erscheint.

Was Licht mit Außerirdischen zu tun hat

Die Art und Weise, wie Licht durch die Atmosphäre wandert, spielt übrigens auch auf einem superspannenden Forschungsgebiet eine große Rolle: bei der Suche nach Außerirdischen! Klingt verrückt, ist aber so. Und obwohl wir eigentlich schon längst zum Ende kommen wollten, müssen wir dir diese Geschichte doch noch erzählen. Hier die Kurzfassung: Es geht dabei um Planeten, die um andere Sterne kreisen – so wie unsere Erde ja ebenfalls um die Sonne kreist, die auch nur ein ganz normaler Stern ist. Also: Wenn ein solcher Planet seinen Stern umrundet, kann es passieren, dass er aus unserer Sicht – also von der Erde aus betrachtet – genau vor seinem Stern vorbeizieht und ihn etwas verdeckt.

Diese Grafik (kein echtes Foto) zeigt: Wenn Planeten ferne Sterne umkreisen, verdunkeln sie manchmal ein wenig das Licht ihres Sterns.

Damit du dir das besser vorstellen kannst, leg mal einen großen Apfel als Stern und eine Mandarine als Planet auf einen Tisch und beweg die Mandarine im Kreis um den Apfel herum. Wenn du das von oben betrachtest, wird die Mandarine nie den Apfel bedecken. Aber nun beug dich mal so weit runter, dass du mit den Augen ganz dicht über der Tischkante bist. Jetzt wird der Planet aus deiner Sicht irgendwann auf seiner Bahn kurz den Apfel bedecken. Natürlich sind Planeten im Vergleich zu Sternen winzig klein – in unserem Modell müsste man eher eine Erbse statt einer Mandarine als Planet nehmen. Und der Stern wäre in unserem Modell eigentlich viel größer – vielleicht so groß wie ein Fußball. Aber egal – das Prinzip hast du sicher verstanden: Der Planet verdeckt kurzzeitig einen kleinen Teil des Sterns, sodass etwas weniger Licht bei uns ankommt. Der Stern erscheint also ein ganz klein wenig dunkler. Das kann man mit bloßem Auge natürlich nicht wahrnehmen, besonders empfindliche Instrumente erkennen es aber.

Allerdings sind diese Sterne und ihre Planeten wirklich sehr, sehr weit von uns entfernt. Doch wenn die Instrumente von den Ingenieurinnen und Ingenieuren demnächst noch weiter verbessert werden, wird man sogar untersuchen können, wie die Atmosphäre des Planeten beschaffen ist. Denn wenn sich der Planet kurz vor seinem Stern befindet, fällt das Sternenlicht auf seinem Weg ja auch durch diese Gashülle des Planeten. Und je nachdem, aus welchen chemischen Elementen die Atmosphäre des Planeten besteht, „verschluckt“ sie einen Teil des Sternenlichts. Dann bilden sich im Lichtspektrum des Sterns schwarze Linien, sogenannte Absorptionslinien. Und sie verraten, welche Gase in der Planeten-Atmosphäre enthalten sind. Das sieht dann ungefähr so aus:

Die Absorptionslinien verraten, welche chemischen Elemente hier im Spiel sind. Bild: Wikipedia

Wenn man dabei Sauerstoff und andere Gase entdeckt, wie sie auch in unserer eigenen Erdatmosphäre enthalten sind, wäre das zwar noch kein Beweis dafür, dass es auf diesem fernen Planeten Leben gibt. Aber es könnte zeigen, dass der Planet lebensfreundliche Bedingungen aufweist.

Noch mehr Licht!

Tja, und damit sind wir jetzt wirklich am Ende. Du hast vielleicht bemerkt: Das alles sind spannende Themen auch in der Forschung – ob es um den Klimawandel oder um die Suche nach Leben im Weltall geht. Wenn du dich dafür interessierst und mehr dazu wissen willst: Frag mal eure Lehrerin oder euren Lehrer, ob ihr mit eurer Klasse eines unserer Schülerlabore besuchen wollt. Die DLR_School_Labs gibt es an vielen Standorten in Deutschland. Da könnt ihr dann selbst, ganz ähnlich wie die Forscherinnen und Forscher des DLR, spannende Experimente durchführen und so die faszinierende Welt der Wissenschaft erkunden!

Bitte? Du willst gar nicht so lange warten, sondern sofort noch mehr zu diesem Thema wissen? Na gut. Hier noch als Belohnung fürs lange Lesen ein besonders tolles Video: Es zeigt die Sonne im Zeitraffer: Da wurden die Aufnahmen eines Satelliten namens SDO aus mehreren Jahren zusammengestellt. Dabei siehst du die Sonne mit den „Augen“ dieses Satelliten, der sie mit seinen Instrumenten in verschiedenen Wellenlängen beobachtet – wie wir das oben schon erwähnt haben. Was Wellenlängen sind und warum das dazugehörige Licht in verschiedenen Farben erscheint, müssen wir dir ja jetzt nicht mehr erklären, nachdem du schon fast eine Expertin bzw. ein Experte auf dem Gebiet bist … ;-)

Overview