Atmosphärische Refraktion: 5 überraschende Veränderungen am Himmel

Als atmosphärische Refraktion bezeichnet man die Ablenkung des Lichts durch die Erdatmosphäre. Sie kann das Aussehen von Himmelskörpern in Horizontnähe verändern. So lässt sie den Mond abgeplattet erscheinen oder macht die Sonne sichtbar, obwohl sie geometrisch bereits unter dem Horizont steht.

Möchten Sie das selbst beobachten? Finden Sie im Kalender von Sky Tonight heraus, wann und wo die Sonne oder der Mond an Ihrem Standort auf- oder untergehen, und achten Sie in Horizontnähe auf diese Effekte. Wir erklären die Ursachen der atmosphärischen Refraktion und stellen fünf überraschende Veränderungen des Himmelsbildes vor – von abgeflachten Sonnenuntergängen bis zum flüchtigen grünen Blitz.

Inhalt

• 1. Die abgeplattete Sonne
• 2. Früherer Sonnenaufgang und späterer Sonnenuntergang
  • Um wie viel verlängert atmosphärische Refraktion den Tag?
• 3. Der abgeplattete Mond
  • Erscheint der Mond aufgrund atmosphärischer Refraktion größer?
• 4. Verschobene Sternpositionen
• 5. Der grüne Blitz
  • Wie entsteht der grüne Blitz?
  • Wie lässt sich der grüne Blitz beobachten?
• Wie funktioniert atmosphärische Refraktion?
• Atmosphärische Refraktion: häufige Fragen

  • Lässt die atmosphärische Refraktion die Sterne funkeln?
  • Lässt die atmosphärische Refraktion die Sonne größer erscheinen?
  • Kann die atmosphärische Refraktion ein Objekt unter dem Horizont sichtbar machen?
  • Ist die atmosphärische Refraktion im Winter stärker?
  • Warum geht die Sonne nicht immer zur vorhergesagten Zeit auf oder unter?
  • Verändert die atmosphärische Refraktion die Farbe von Sonne oder Mond?
  • Warum verschwindet der Mond bei einer totalen Mondfinsternis nicht?
  • Gibt es im Weltraum atmosphärische Refraktion?
  • Stützt die atmosphärische Refraktion die Vorstellung einer flachen Erde?
• Atmosphärische Refraktion: das Wichtigste

1. Die abgeplattete Sonne

Eine der einfachsten Möglichkeiten, atmosphärische Refraktion zu erkennen, ist ein Blick auf Fotos der untergehenden Sonne. Anstelle eines perfekten Kreises sehen Sie möglicherweise ein abgeflachtes Oval. Der Grund dafür ist, dass das Licht vom unteren Sonnenrand stärker gebrochen wird als das vom oberen Rand.

Wenn sich die Sonne dem Horizont nähert, durchläuft das Licht von ihrem unteren Rand dichtere Atmosphärenschichten auf einem Weg, der zu stärkerer Brechung führt. Der untere Rand wird deshalb scheinbar weiter nach oben verschoben als der obere. Dadurch verkleinert sich der scheinbare vertikale Durchmesser der Sonne, während der horizontale nahezu unverändert bleibt.

Besonders eindrucksvoll kann der Effekt sein, wenn sich die Temperaturen benachbarter Luftschichten in Horizontnähe stark unterscheiden. Solche Temperaturunterschiede können das Sonnenlicht ungleichmäßig ablenken, sodass die Sonnenscheibe gestreckt, in Abschnitte geteilt oder sogar doppelt erscheint.

Ein besonders interessantes Beispiel ist die Omega-Sonne: Die untergehende Sonne ähnelt dabei dem griechischen Buchstaben Ω. Durch atmosphärische Brechung entsteht unterhalb der echten Sonne ein auf dem Kopf stehendes Bild. Beide Bilder scheinen nahe dem Horizont miteinander zu verschmelzen.

Selbst ausprobieren: Vergleichen Sie ein Foto der Sonne in Horizontnähe mit einer Aufnahme, auf der sie höher am Himmel steht. Der Formunterschied kann erstaunlich deutlich sein. Verwenden Sie beim Fotografieren oder Beobachten der Sonne immer geeignete Sonnenfilter und sichere Beobachtungsmethoden.

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2. Früherer Sonnenaufgang und späterer Sonnenuntergang

Eine überraschende Tatsache: Wenn beim Sonnenaufgang der erste Rand der Sonne sichtbar wird, kann die gesamte Sonne geometrisch noch unter dem Horizont stehen. Atmosphärische Refraktion lenkt das Sonnenlicht ab und lässt die Sonne höher erscheinen, als sie tatsächlich steht. Beim Sonnenuntergang geschieht dasselbe: Die Sonne bleibt sichtbar, obwohl sie geometrisch bereits unter den Horizont gesunken ist.

In seltenen Fällen ist dieser Effekt besonders ausgeprägt. Ein Beispiel ist der Nowaja-Semlja-Effekt, von dem Arktisforscher 1597 berichteten. Bei einer starken Temperaturinversion liegt wärmere Luft über kälterer bodennaher Luft. Dadurch kann Sonnenlicht entlang der Erdkrümmung abgelenkt werden, sodass die Sonne schon vor dem normalen Ende der Polarnacht sichtbar wird. Sie kann dabei ungewöhnlich gestreckt oder in waagerechte Streifen aufgeteilt erscheinen.

Selbst ausprobieren: Legen Sie eine Münze auf den Boden einer leeren, undurchsichtigen Tasse. Senken Sie Ihre Augen so weit, bis der Tassenrand die Münze vollständig verdeckt. Gießen Sie nun langsam Wasser ein, ohne den Kopf zu bewegen. Die Münze wird allmählich sichtbar! Ihr Licht wird beim Übergang vom Wasser in die Luft gebrochen und erreicht Ihre Augen, obwohl der Tassenrand den direkten Blick weiterhin versperrt. Ähnlich lenkt die Erdatmosphäre Sonnenlicht ab und macht die Sonne sichtbar, obwohl sie bereits unter dem Horizont steht.

Um wie viel verlängert atmosphärische Refraktion den Tag?

Durch atmosphärische Refraktion scheint die Sonne einige Minuten früher aufzugehen und einige Minuten später unterzugehen als auf einer Erde ohne Atmosphäre. Der genaue Unterschied hängt von geografischer Breite, Jahreszeit und atmosphärischen Bedingungen ab.

Ein weiteres wichtiges Detail: Sonnenaufgang und Sonnenuntergang sind durch das Erscheinen beziehungsweise Verschwinden des oberen Sonnenrands am Horizont definiert, nicht durch den Sonnenmittelpunkt.

Astronomische Berechnungen berücksichtigen üblicherweise zwei Effekte:

• Atmosphärische Refraktion: Etwa 34′ am Horizont.
• Scheinbarer Sonnenradius: Etwa 16′.

Zusammen erklären sie, warum Sonnenaufgang und Sonnenuntergang normalerweise für den Zeitpunkt berechnet werden, an dem der geometrische Sonnenmittelpunkt ungefähr 50′ (0,83°) unter dem Horizont steht.

Das erklärt auch eine interessante Besonderheit der Tagundnachtgleichen. Oft werden sie als Tage mit 12 Stunden Helligkeit und 12 Stunden Dunkelheit beschrieben. Tatsächlich ist der helle Teil des Tages an den meisten Orten etwas länger als 12 Stunden. Die Refraktion hält die Sonne länger sichtbar, und die Definition von Auf- und Untergang über den oberen Sonnenrand verlängert die Tageshelligkeit zusätzlich.

3. Der abgeplattete Mond

Auch der Mond eignet sich hervorragend, um atmosphärische Refraktion zu beobachten. Beim Auf- oder Untergang wirkt der Vollmond manchmal deutlich abgeflacht, besonders an seinem unteren Rand.

Die Erklärung ist dieselbe wie bei der Sonne: Der untere Teil des Mondes wird scheinbar stärker nach oben verschoben als der obere. Je nach atmosphärischen Bedingungen kann der Mondrand auch wellig, unregelmäßig oder ungewöhnlich verzerrt erscheinen.

Selbst ausprobieren: Suchen Sie einen Standort mit freiem Horizont und beobachten Sie den auf- oder untergehenden Vollmond. Achten Sie auf eine leicht abgeflachte Form oder unregelmäßige Ränder. Wenn der Mond höher steigt, sollte seine Scheibe runder und weniger verzerrt aussehen.

Erscheint der Mond aufgrund atmosphärischer Refraktion größer?

Nein! Das ist eines der häufigsten Missverständnisse über atmosphärische Refraktion.

In Horizontnähe wirkt der Mond oft riesig, besonders über Gebäuden, Bäumen oder Bergen. Dieses Phänomen, die sogenannte Mondtäuschung, hängt jedoch vor allem damit zusammen, wie unser Gehirn visuelle Informationen verarbeitet.

Gewöhnliche atmosphärische Refraktion vergrößert den Mond nicht. Sie staucht lediglich seinen vertikalen Durchmesser in Horizontnähe etwas zusammen. Wenn der Mond das nächste Mal riesig über dem Horizont erscheint, denken Sie daran: Der Eindruck seiner Größe ist überwiegend eine Täuschung, seine abgeflachte Form dagegen ein echter atmosphärischer Effekt.

Selbst ausprobieren: Fotografieren Sie den Vollmond kurz nach seinem Aufgang und in derselben Nacht noch einmal, wenn er höher steht. Verwenden Sie dieselbe Kamera und Brennweite und vergleichen Sie den horizontalen und vertikalen Monddurchmesser, ohne die Bilder zu skalieren. Unter gewöhnlichen Bedingungen bleibt die Breite fast gleich, während die Höhe in Horizontnähe kleiner ist. Die Abflachung zeigt die Refraktion; die nahezu unveränderte Breite zeigt, dass der vertraute Eindruck eines riesigen Horizontmondes eine Täuschung ist.

4. Verschobene Sternpositionen

Durch atmosphärische Refraktion erscheinen Sterne etwas höher als an ihrer geometrischen Position. Am stärksten ist der Effekt nahe dem Horizont, wo ein Stern sogar noch sichtbar sein kann, obwohl er geometrisch bereits darunter steht.

Die Verschiebung ist meist zu klein, um die vertrauten Formen von Sternbildern deutlich zu verändern. Für präzise astronomische Messungen ist sie dennoch wichtig.

Atmosphärische Refraktion kann auch den scheinbaren Winkelabstand zwischen Himmelskörpern bei Konjunktionen leicht verändern, insbesondere bei unterschiedlicher Höhe. Ebenso kann sie genaue Beobachtungen von Bedeckungen beeinflussen.

5. Der grüne Blitz

Einer der faszinierendsten Effekte im Zusammenhang mit atmosphärischer Refraktion ist der grüne Blitz: ein kurzzeitiges Aufleuchten grünen Lichts am oberen Sonnenrand, das manchmal bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang zu sehen ist.

Meist sieht der grüne Blitz nicht wie der dramatische Lichtausbruch aus, den Sie vielleicht aus „Fluch der Karibik“ kennen. Häufiger erscheint er als kleiner grüner Fleck oder abgetrennter Streifen am oberen Sonnenrand. Die gewöhnlichen Formen dauern etwa eine oder zwei Sekunden, während einige seltene Formen bis zu etwa 15 Sekunden anhalten können.

Obwohl grüne Blitze vor allem von der Sonne bekannt sind, können sie auch am Rand des Mondes und heller Planeten wie Venus und Merkur auftreten. Diese Erscheinungen sind deutlich schwieriger zu beobachten, wurden aber bereits fotografiert.

Wie entsteht der grüne Blitz?

Sonnenlicht enthält verschiedene Farben, und die Erdatmosphäre lenkt jede davon geringfügig anders ab. Kurzwelliges Licht, etwa Blau und Grün, wird stärker gebrochen als langwelliges rotes Licht. Diese Aufspaltung der Farben durch unterschiedliche Brechung heißt atmosphärische Dispersion.

Beim Sonnenuntergang verschwinden rotes und gelbes Licht zuerst unter dem Horizont, weil sie schwächer gebrochen werden. Grünes Licht wird stärker abgelenkt und kann deshalb einen Moment länger sichtbar bleiben. Blaues und violettes Licht wird noch stärker gebrochen, aber der Großteil davon wird durch die Atmosphäre weggestreut. Deshalb ist Grün meist die letzte Farbe, die wir vor dem Verschwinden der Sonne deutlich erkennen können. Bei den häufigsten Arten des grünen Blitzes vergrößert eine Luftspiegelung den sonst sehr dünnen grünen Saum und macht ihn sichtbar. Eine ausführlichere Erklärung finden Sie in diesem wissenschaftlichen Leitfaden zum grünen Blitz.

Wie lässt sich der grüne Blitz beobachten?

Die Chancen auf einen grünen Blitz sind am besten, wenn:

• der Horizont klar und frei sichtbar ist, beispielsweise über dem Meer;
• die Atmosphäre relativ durchsichtig ist und sich wenig Dunst oder Wolken am Horizont befinden;
• die untergehende Sonne nahe dem Horizont ungewöhnlich verzerrt erscheint, was auf günstige Temperaturunterschiede zwischen Luftschichten hindeuten kann;
• die Sonne gerade vollständig unter dem Horizont verschwindet.

Grüne Blitze treten auch bei Sonnenaufgang auf. Dann sind sie meist schwieriger zu erwischen, weil Sie genau wissen müssen, wo die Sonne erscheinen wird.

Sicherheitshinweis: Blicken Sie niemals starr in die helle Sonne und beobachten Sie sie nicht durch Ferngläser, Teleskope oder Kameraobjektive ohne geeignete Sonnenfilter. Verwenden Sie für direkte Sonnenbeobachtungen zertifizierten Augenschutz und geeignete Sonnenfilter.

Neugierig auf weitere ungewöhnliche Himmelsphänomene? Entdecken Sie mehr astronomische Erscheinungen, die Sie tagsüber beobachten können.

Wie funktioniert atmosphärische Refraktion?

Die Erdatmosphäre besteht aus Luftschichten unterschiedlicher Dichte. Im Allgemeinen nimmt die Dichte zum Boden hin zu. Beim Durchlaufen dieser Schichten ändert das Licht seine Richtung geringfügig. Unsere Augen deuten das eintreffende Licht so, als sei es geradlinig verlaufen. Deshalb erscheinen Himmelskörper höher, als sie tatsächlich stehen.

Am stärksten ist der Effekt nahe dem Horizont, wo das Licht einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegt. Unter typischen Bedingungen kann die Refraktion ein Objekt am Horizont scheinbar um etwa 34 Bogenminuten (0,57°) anheben – etwas mehr als der scheinbare Durchmesser des Vollmondes.

So verändert sich der Effekt mit der scheinbaren Höhe eines Objekts, also damit, wie hoch es über dem Horizont erscheint:

Die Werte sind Näherungen. Die tatsächliche Refraktion hängt von Lufttemperatur, Luftdruck und weiteren Bedingungen ab.

Eine Bogenminute (′) entspricht 1/60 eines Grades. Unsere Infografik zum Messen von Abständen am Himmel hilft Ihnen, diese Winkel besser einzuordnen.

Haben Sie sich schon einmal gefragt, was es bedeutet, wenn ein Planet „5 Grad“ vom Mond entfernt ist? Diese Infografik erklärt, wie wir Entfernungen am Himmel messen.

Siehe Infografik

Atmosphärische Refraktion: häufige Fragen

Lässt die atmosphärische Refraktion die Sterne funkeln?

Ja, aber indirekt. Sterne funkeln, weil turbulente Luft die Brechung ihres Lichts ständig verändert und sie dadurch zu flackern scheinen. Das unterscheidet sich von der gewöhnlichen atmosphärischen Refraktion, die ihre scheinbaren Positionen verschiebt. Mehr darüber, warum Sterne funkeln, erfahren Sie in unserem eigenen Artikel dazu.

Lässt die atmosphärische Refraktion die Sonne größer erscheinen?

Nein. Gewöhnliche atmosphärische Refraktion lässt die Sonne normalerweise etwas abgeflacht statt größer aussehen. Ihr unterer Rand wird stärker nach oben verschoben als ihr oberer.

Kann die atmosphärische Refraktion ein Objekt unter dem Horizont sichtbar machen?

Ja. Durch Refraktion kann das Licht eines geometrisch unter dem Horizont stehenden Objekts in die Blickrichtung des Beobachters gelenkt werden. Deshalb bleibt die Sonne kurz sichtbar, nachdem ihre geometrische Position bereits unter den Horizont gewandert ist.

Ist die atmosphärische Refraktion im Winter stärker?

Nicht unbedingt. Bei ansonsten ähnlichen Bedingungen kann kältere und dichtere Luft die Refraktion allerdings verstärken. Entscheidend sind Luftdruck, Temperatur und die Änderung der Luftdichte mit der Höhe. Abrupte Temperaturänderungen und Temperaturinversionen können ebenfalls ungewöhnlich starke Refraktion hervorrufen.

Warum geht die Sonne nicht immer zur vorhergesagten Zeit auf oder unter?

Berechnungen von Sonnenaufgang und Sonnenuntergang gehen von durchschnittlichen atmosphärischen Bedingungen und einem ebenen Horizont aus. Tatsächlich können veränderte Lufttemperaturen die Refraktion beeinflussen. Daher kann der beobachtete Zeitpunkt um eine Minute oder mehr von der Vorhersage abweichen, selbst bei freiem Meereshorizont. Hügel, Berge und die Höhe Ihres Standorts können noch größere Unterschiede verursachen. Wenn Sie mit einer Sternenhimmel-App planen, seien Sie einige Minuten vor dem vorhergesagten Zeitpunkt bereit.

Verändert die atmosphärische Refraktion die Farbe von Sonne oder Mond?

Atmosphärische Refraktion kann Farben leicht aufspalten, wie beim grünen Blitz. Die vertraute orange oder rote Färbung von Sonne und Mond am Horizont entsteht jedoch hauptsächlich durch atmosphärische Streuung, nicht durch Refraktion. Durchläuft Sonnen- oder Mondlicht einen längeren Weg durch die Atmosphäre, werden kürzere Wellenlängen stärker weggestreut, sodass warme Farbtöne überwiegen.

Warum verschwindet der Mond bei einer totalen Mondfinsternis nicht?

Bei einer totalen Mondfinsternis blockiert die Erde das direkte Sonnenlicht auf dem Weg zum Mond. Die Erdatmosphäre lenkt jedoch einen Teil des Sonnenlichts in den Erdschatten, sodass es die Mondoberfläche erreicht. Gleichzeitig wird ein großer Teil des blauen Lichts durch atmosphärische Streuung entfernt, wodurch der Mond rötlich erscheint. Mehr dazu lesen Sie in unserem Leitfaden zu Mondfinsternissen.

Gibt es im Weltraum atmosphärische Refraktion?

Astronomische Refraktion benötigt eine Atmosphäre oder ein anderes Medium, in dem Licht gebrochen werden kann. Im Vakuum des Weltraums gibt es keine atmosphärische Refraktion. Licht kann dort allerdings durch die Schwerkraft seine Richtung ändern – ein völlig anderes Phänomen, der Gravitationslinseneffekt.

Stützt die atmosphärische Refraktion die Vorstellung einer flachen Erde?

Nein. Manche Anhänger einer flachen Erde behaupten, atmosphärische Refraktion erkläre, warum entfernte Objekte unter dem Horizont verschwinden oder die Sonne scheinbar untergeht. Diese Erklärungen stimmen jedoch nicht mit der tatsächlichen Lichtbrechung in der Erdatmosphäre überein. Refraktion kann Objekte höher erscheinen lassen, beseitigt aber nicht die Auswirkungen der Erdkrümmung. Weitere Belege finden Sie in unserem Artikel über 7 Möglichkeiten, die Kugelgestalt der Erde nachzuweisen.

Atmosphärische Refraktion: das Wichtigste

Atmosphärische Refraktion ist ein kleiner, aber wichtiger Effekt, der unseren Blick auf den Himmel verändert. Sie lässt Himmelskörper höher erscheinen als an ihren wahren geometrischen Positionen, flacht Sonne und Mond am Horizont ab und schenkt uns etwas zusätzliche Tageshelligkeit. Unter besonderen Bedingungen kann sie sogar eindrucksvolle optische Erscheinungen wie grüne Blitze hervorbringen.

Für Himmelsbeobachter ist eine einfache Regel besonders hilfreich: Je niedriger ein Objekt über dem Horizont steht, desto stärker beeinflusst die Erdatmosphäre sein Aussehen. Verfolgen Sie mit Sky Tonight die Bewegung der Himmelskörper. Beobachten Sie sie nahe dem Horizont, um Refraktion zu erleben, oder höher am Himmel, um ihre Auswirkungen möglichst gering zu halten.