Computerwissenschaftler von der University of California in San Diego, die damit begannen, alle in der Natur vorkommenden Regenbögen zu simulieren, beantworteten damit auch Fragen über die Physik der Regenbögen. Die Wissenschaftler bildeten eine breite Vielfalt von Regenbögen nach – Hauptregenbögen, Nebenregenbögen, rote Bögen (redbows), welche bei Sonnenuntergang entstehen, sowie Wolkenbögen (cloudbows), die an nebligen Tagen entstehen. Sie benutzten dafür eine verbesserte Methode, um zu simulieren, wie Licht mit Wassertröpfchen verschiedener Größen und Formen interagiert. Ihr neuer Ansatz umfasste sogar realistische Simulationen von schwer nachzubildenden “Zwillings”-Regenbögen, die ihren Hauptregenbogen entzweien.
Iman Sadeghi, Absolvent der UC San Diego, führte die Forschung im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Jacobs School of Engineering durch und wird die Ergebnisse zusammen mit seinem Doktorvater, dem Professor für Computerwissenschaften Henrik Wann Jensen, sowie Wissenschaftlern aus Spanien, England und der Schweiz in diesem Dezember in ACM Transactions on Graphics veröffentlichen.
“Diese Sache geht über Computergrafik hinaus”, sagte Jensen. “Wir haben jetzt ein fast vollständiges Bild davon, wie Regenbögen entstehen.
Jensen ist kein Unbekannter, was die Fortschritte bei der Computergrafik betrifft. Im Jahr 2004 verdiente er sich einen Academy Award für eine Forschung, die lebensechte Haut auf animierte Charaktere brachte. Er hat an vielen Hollywood-Blockbustern mitgearbeitet, darunter James Camerons “Avatar”.
Jensen, Sadeghi und ihre Kollegen begannen ursprünglich mit der Simulation von Regenbögen, um besser zu verstehem wie sphärische Wassertropfen mit Licht interagieren, was in den hellen, vielfarbigen Bögen resultiert, die wir normalerweise in tropischem, feuchten Wetter sehen, oder wenn der Regen aufhört. Sie hofften, die Techniken zu verbessern, die in animierten Filmen und Videospielen zum Einsatz kommen.
“Man bekommt für gewöhnlich nicht die Gelegenheit, solch schöne Phänomene zu untersuchen, wenn man seine Doktorarbeit anfertigt”, sagte Sadeghi, der jetzt Softwareingenieur in der Grafik-Abteilung von Google in Santa Monica ist. “Es gibt viel mehr bei Regenbögen als das Auge wahrnehmen kann.”
Als sie anfingen, verschiedene Simulationen durchzuführen, erkannten die Wissenschaftler, dass die Interaktionen des Lichts mit sphärischen Tropfen manche Arten von Regenbögen nicht erklären konnten, beispielsweise die Zwillings-Regenbögen. Sie wandten sich einer Forschungsarbeit zu, welche zeigte, dass der Luftdruck die Unterseite eines Wassertropfens abflacht und wie einen Burger formt, während er fällt. Jensen und sein Team nannten diese leicht deformierten Wassertropfen “Burgeroiden”. “Es ist keine sehr mathematische Bezeichnung, aber wir benutzen sie gerne”, sagte Jensen. Simulationen, die mehr auf so genannten Burgeroiden als auf sphärischen Wassertropfen basierten, erlaubten es den Forschern ein breites Spektrum von Regenbögen nachzubilden, die man in der Natur finden kann. “Wir sind die ersten, die eine exakte Simulation von Zwillings-Regenbögen präsentieren”, sagte Sadeghi.
Der Basismechanismus hinter der Entstehung von Regenbögen ist seit hunderten Jahren gut verstanden: Ein Lichtstrahl wird in dem Wassertropfen reflektiert und gestreut und konzentriert sich stark in der Nähe des “Regenbogen-Winkels” in dem Tropfen. Der Winkel ändert sich mit der Farbe des Lichts. Als Folge davon wird Sonnenlicht in seine spektralen Bestandteile aufgespalten und bildet die Farben, die wir am Himmel sehen. “Die Veränderungen der Erscheinungsbilder von Regenbögen hängen von der Größe und der Form von Regentropfen ab”, sagte Sadeghi.
Es sei überraschend, dass die Physik der Regenbögen immer noch nicht vollständig verstanden ist, sagte Jensen. In der Geschichte machten bedeutende Wissenschaftler wie Isaac Newton und der französische Mathematiker Rene Descartes Berechnungen und führten Experimente durch, um zu erklären, wie Regenbögen entstehen. Aber heute ist die Finanzierung für die Forschung über Regenbögen spärlich, was auch auf die Arbeit selbst zutrifft.
Jensens Bestreben, die Physik der Regenbögen zu begreifen, führte ihn zu der Light and Color in Nature Konferenz am St. Mary’s College in St. Mary’s City (Maryland). Er sprach als Hauptredner und traf Philip Laven, einen international anerkannten Experten für Regenbögen, der einer der Co-Autoren der Studie wurde.
“Bis jetzt setzten die meisten Regenbogen-Simulationen voraus, dass die Wassertropfen sphärisch sind, was für große Regentropfen nicht gilt”, sagte Laven. In dieser Studie haben die Forscher einen völlig anderen Ansatz angewandt und ein realistischeres Modell entwickelt, um Regenbögen zu simulieren.
“Die in dieser Studie gezeigten Simulationen bieten die Aussicht auf ein besseres Verständnis von realen Regenbögen”, sagte Laven. “Ich hoffe, dass der nächste Schritt sein wird, diese neuen Techniken für eine systematische Untersuchung von Regenbögen benutzt werden, die von realistisch geformten Regentropfen erzeugt werden.”
Jensen, Sadeghi, Laven und ihre Kollegen planen, ihre Ergebnisse 2012 auf der SIGGRAPH Konferenz zu präsentieren, die in Los Angeles stattfinden wird. Jensen möchte auch an der nächsten Light and Color in Nature Konferenz teilnehmen, die in Alaska abgehalten werden wird. Wird er als nächstes versuchen, die Nordlichter zu simulieren? Das könnte er tun, meinte er.
Quelle: http://ucsdnews.ucsd.edu/pressreleases/computer_simulations_shed_light_on_the_physics_of_rainbows/
(THK)
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