Grundidee

In vielen Darstellungen sieht man parallel zueinander gezeichnete Sonnenstrahlen. Typisch sind Bilder mit Schatten oder Brenngläsern. Im Gegensatz dazu sieht man aber selten Bilder, bei denen die Lichtstrahlen parallel zueinander von der Sonne ausgehen. Wie kann dieser scheinbare Widerspruch aufgelöst werden? Wann ist welches Modell besser geeignet?

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Klassisch ist das Bild paralleler Strahlen zur Erklärung verschiedener Phänomene (Zeile oben). Unten sieht man verschiedene Modellannahmen zu Lichtstrahlen wie sie von der Sonne ausgehen könnten. Keine davon enthält direkt erkennbar ausschließlich zueinander parallele Strahlen. Warum findet man sie dann so oft in Abbildungen? © Gunter Heim/ChatGPT (KI) ☛

Parallele Strahlen in Abbildungen

Oft werden die Strahlen der Sonne als zueinander parallele Geraden, meist mit untereinander gleichen Abständen zu den Nachbarstrahlen, dargestellt. Betrachten wir zunächst einige dieser weit verbreiteten Fälle.

Sammellinsen

Eine Sammellinse (Brenngläser, Leselupen) werden oft so dargestellt, dass von einer Seite zueinander perfekt parallele und gerade Lichtstrahlen von der Sonne ankommen. Diese Strahlen werden dann von der Sammellinse so in ihrer Richtung verändert, dass sie auf der anderen Seite der Lupe alle durch einen gemeinsamen Punkt, den Brennpunkt oder Fokus gehen.

Dieses Bild ist für das Verständnis des Textes nicht wichtig. Das Bild wird im Text nicht erwähnt.

Alle von einer Seite zueinander parallele Linien werden im Idealfall auf der anderen Seite im Brennpunkt (Fokus) gebündelt.

Das mit diesem Bild paralleler Strahlen bei echten Sonnenlicht etwas nicht stimmen kann, deutet die Tatsache an, dass man auch mit einem teuren Brennglas die Strahlen der Sonne nicht auf einem wirklich sehr engen Punkt gebündelt bekommt. Vielmehr entsteht ein enger Bereich, eher ein Brennfleck, als ein Brennpunkt. Bei billigen Sammellinsen könnte man den Grund in einer unsauberen Formgebung und nicht ganz homogenem Lupenmaterial suchen. Aber tatsächlich spielt hier immer auch die Tatsache mit hinein, dass die Strahlen der Sonne nicht alle als perfekt parallel zueinander gedacht werden dürfen.

Schattenwürfe

In der Wüste steht eine Pyramide, angestrahlt von parallelen Strahlen der Sonne. Auf dem Boden ist dann der Schatten der Pyramide als dunkler Bereich gezeichnet. Solche Darstellungen zum Schattenwurf großer Bauwerke sind weit verbreitet in Schulbüchern. Sie stehen damit in einer gewissen Konkurrenz zu Kinderzeichnungen, bei denen die Sonne oft oben rechts oder links in einer Bildecke als Kreis zu sehen ist, von dem aus radialsymmetrisch Lichtstrahlen ausgehen. Dass beide Denkbilder ihre Berechtigung haben, werden wir weiter unten sehen. Dass aber die parallelen Lichtstrahlen in Zuspitzungen von Experimenten versagen kann man leicht selbst überprüfen. Man stellt einen Bauklotz in das Sonnenlicht und betrachtet den auf den Tisch oder ein helles Papier geworfenen Schatten. Dieser Schatten wird keine scharfe Grenze zwischen "total dunkel" und "sonnenhell" zeigen. Zwischen ganz hell und ganz Dunkel liegt ein halbdunkler oder halbheller Bereich, der sogenannte Halbschatten, auch Penumbra genannt. Auch dieses Phänomen spricht gegen perfekt parallele Strahlen von der Sonne.

Warum die Strahlen der Sonnen nicht alle parallel sind

Es gibt mehrere Gründe dafür, dass man die Sonnenstrahlen nicht als ausschließlich parallel zueinander denken darf. Zwei der Gründe sind rein geometrisch und passen in die sogenannte Strahlenoptik. Ein dritter Grund zeigt, dass die Strahlenoptik ein nützliches Modell aber kein Abbild der Wirklichkeit ist.

Die Sonne als Kugel

Die Sonne ist mehr oder minder eine gigantische gasförmige Kugel. In ihren äußeren Bereichen, in der Photosphäre, sendet sie ständig Licht in den Weltraum hinaus. Hier greift das kindliche Modell von den radialsymmetrischen Sonnenstrahlen, die senkrecht auf der Oberfläche der Kugel stehen und dann in den Weltraum reichen. Die Strahlen sind dabei so gedacht, als hätten sie ihren geometrischen Ursprung in der Mitte der Sonne.

Interessant ist nun der Effekt, der sich für dieses Denkbild radialsymmetrischer Sonnenstrahlen einstellt, wenn man die Stahlen weit entfernt von der Sonne in einem engen Bereich betrachtet. Je weiter entfernt man von der Sonne ist, desto eher scheinen eng benachbarte Strahlen auch wirklich parallel zu sein. Irgendwann hin zu einem sehr großen Abstand wird die Abweichung von einer echten Parallelität so klein, dass man sie mit dem bloßen Auge nicht mehr erkennen kann. Und dass ist dann auch eine Berechtigung, die ursprünglich radialsymmetrisch gedachten Strahlen in engen und weit entfernten Bereichen als zueinander parallel denken zu dürfen. Siehe dazu den Artikel zum 👉 Parallaxen-Paradoxon

Die Sonne aus ausgedehnte Oberfläche

Es gibt einen zweiten rein geometrischen Grund für die Abweichung der Sonnenstrahlen von strenger Parallelität. Wir bleiben dazu noch ganz im Strahlenmodell der Optik. Die Oberfläche der Sonne ist riesig und ausgedehnt. An jedem Punkt der Kugeloberfläche können Lichtstrahlen in jede beliebige Richtung ausstrahlen. Die Strahlen haben ihren Ursprung also nicht im Mittelpunkt der Sonne, sondern näher an ihrer Oberfläche. Und so kann es kommen, dass manche Strahlen der Sonne, von der Erde aus gesehen, mehr von oben, unten, links oder rechts kommen. Auf jeden Fall können so gedacht sehr viele Strahlen entstehen, die weder zueinander parallel noch radialsymmetrisch sind. Zum astrophysikalischen Hintergrund siehe auch den Artikel zur sogenannten 👉 Photosphäre

Das Sonnenlicht als wellenartig

Die bisher gemachten Betrachtungen blieben ganz in der Vorstellung des Sonnenlichts als strahlenartig. Man kann sich diese Strahlen als wirklich gerade Linien vorstellen. Oder man denkt sich das Sonnenlicht aus kleinen Teilchen aufgebaut, die sich auf geraden Linien, den Strahlen, bewegen.

Eine ganz andere Vorstellung von Licht bringt die sogenannte Wellenoptik. Es gibt viele gute Gründe dafür, dass Licht etwas Wellenartiges ist. Es ist ganz sicher nicht von der Form einer klassischen Wasserwelle. Aber Formeln die verschiedene Aspekte von Wellen auf Licht anwenden sind sehr erfolgreich. Und nach diesen Modellen kann Licht um Hindernisse herum wandern (Beugung), sich gegenseitig verstärken oder auslöschen (Interferenz) oder beim Ein- und Austritt in verschiedene Medien seine Richtung ändern (Brechung). All das hat zur Folge, dass man sich eine Reihe von Experimenten und Beobachtungen ausdenken kann, bei denen das Licht der Sonne unmöglich als etwas Geradliniges oder Paralleles gedacht werden kann, ohne dabei in Widerstreit zu den Beobachtungstatsachen zu geraten. Siehe dazu mehr im Artikel zur 👉 Wellenoptik

Fußnoten

[1] Parallelität am Himmel zu erkennen, ist schwer und wurde auch wissenschaftlich untersucht, z. B. in: Rogers B, Naumenko O. The new moon illusion and the role of perspective in the perception of straight and parallel lines. Atten Percept Psychophys. 2015 Jan;77(1):249-57. doi: 10.3758/s13414-014-0767-3. PMID: 25239097. Online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25239097/

[2] Brian Rogers, Cassandra Rogers: Visual Globes, Celestial Spheres, and the Perception of Straight and Parallel Lines. SageJournals. Volume 38, Issue 9. Online: https://doi.org/10.1068/p6328