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Lexikon der Geowissenschaften: Refraktion

Refraktion, Brechung, Änderung der Ausbreitungsrichtung von ebenen elektromagnetischen Wellen bzw. von Lichtstrahlen beim Übergang von einem Medium in ein anderes, in dem die Welle eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzt. Im Normalfall findet auch eine Reflexion eines Teils der Welle statt. Bei senkrechtem Einfall auf die Grenzfläche erfährt die Welle keine Änderung der Ausbreitungsrichtung. Die Brechung wird beschrieben durch das Snelliussche Brechungsgesetz. a) atmosphärische Refraktion: Zusammenfassung aller Refraktionseffekte in der neutralen Atmosphäre, im Gegensatz zur ionosphärischen Refraktion der elektrisch geladenen Atmosphäre. Die atmosphärische Refraktion kann unterteilt werden in einen trockenen Anteil und einen feuchten Anteil. Der trockene Anteil der atmosphärischen Refraktion wird in der Hauptsache durch induzierte Dipolmomente der N2- und der O2-Moleküle verursacht, während der feuchte Anteil durch das permanente Dipolmoment des Wasserdampfes (H2O) bewirkt wird. Die atmosphärische Refraktion wird i.a. durch den Brechungsindex und seine horizontalen und vertikalen Änderungen charakterisiert. Elektrooptische und elektromagnetische Meßverfahren reagieren sehr unterschiedlich auf die beiden Refraktionsanteile. Elektrooptische Signalwellen reagieren dispersiv, d.h. in Abhängigkeit von der Wellenlänge, während sich elektromagnetische Signalwellen in dem für Meßzwecke benutzten Frequenzfenster nicht dispersiv verhalten. Elektrooptische Wellen reagieren fast gar nicht auf Wasserdampf, elektromagnetische aber vergleichsweise stark. b) astronomische Refraktion: Aufgrund des variablen Brechungsindexes in der Erdatmosphäre wird ein von einem astronomischen Objekt herrührender Lichtstrahl stetig zum Lot hin abgelenkt. Sterne erscheinen daher aufgrund der astronomischen Refraktion unter zu kleiner Zenitdistanz. Das Licht wird beim Weg durch die Atmosphäre gebrochen (Dämmerungserscheinungen), weil die Luftdichte und damit der Brechungsindex der Luft innerhalb der Atmosphäre zum Boden hin zunehmen ( Abb. 1). Die Refraktion bewirkt, daß Sonne und Sterne höher stehend erscheinen. Die Refraktion ist umso größer, je näher am Horizont Sonne oder Sterne stehen und beträgt am Horizont etwa 0,5º. Die astronomische Refraktion bewirkt eine Abplattung der am Horizont stehenden Sonnenscheibe, weil die Refraktion am Oberrand der Sonne bereits um 6′ geringer ist als am Unterrand. Wegen der astronomischen Refraktion ist die Tageslänge vergrößert, in mittleren geographischen Breiten nur einige Minuten, jedoch z.B. auf der Insel Nowaja Semlja (76º nördl. Breite), wo die Sonne sehr flach auf- und untergeht, ist die Polarnacht bis zu 15 Tage verkürzt. c) ionosphärische Refraktion: Refraktionseffekte durch elektrische Ladungen in der Atmosphäre, die sich insbesondere auf sich innerhalb oder durch die Ionosphäre bewegende elektromagnetische Signale auswirkt. Bei elektromagnetischen Wellen tritt in der Ionosphäre Dispersion auf. Das für die Refraktion maßgebliche Profil der Brechungsindizes ist abhängig von der Beobachtungsfrequenz f, dem Erdmagnetfeld und der Plasmafrequenz, die wiederum von der Elektronendichte ne abhängt. In erster Näherung berechnet sich der Brechungsindex für die Phasenausbreitung mit:



d.h. die Phasenausbreitung wird durch die ionosphärische Refraktion beschleunigt. Bei der Ausbreitung einer Wellengruppe, die durch Überlagerung mehrerer Wellenzüge mit verschiedenen Frequenzen entsteht, tritt eine Verzögerung ein, da der Brechungsindex mit:



größer als 1 ist. Wegen der Dispersion bei elektromagnetischen Wellen kann die ionosphärische Refraktion mit Hilfe von Beobachtungen auf zwei weit voneinander entfernten Frequenzbändern korrigiert werden. d)terrestrische Refraktion: Krümmung der Ausbreitungsrichtung des Lichtes von einem Sichtziel ( Abb. 2), weil die Luftdichte (infolge Temperaturabnahme) und damit der Brechungsindex der Luft vom Boden nach oben hin abnehmen. Die terrestrische Refraktion bewirkt, daß bei normaler Luftschichtung der geodätische Horizont angehoben wird, und zwar bei einer Augenhöhe von 10 m um 1', wodurch die Sichtweite um 1 km vergrößert wird. Bei ungewöhnlicher Änderung der Luftdichte mit der Höhe kommt es infolge von Temperatur-Inversion zu anomal starker Hebung des Horizontes und infolge besonders starker Temperaturabnahme mit der Höhe kommt es auch zur Senkung des Horizontes (Luftspiegelung).

Die Verzögerung der Signallaufzeit und Beugung der Ausbreitung führt bei Laufzeitmessungen, z.B. bei elektrooptischen und elektromagnetischen Entfernungsmessungen zu Streckenmeßfehlern, beim Nivellement und trigonometrischer Höhenübertragung zu Höhenfehlern. Richtungsmessungen mit Theodoliten leiden unter Seitenrefraktion.


Refraktion 1 : astronomische Refraktion beim Durchgang des Lichtes von Himmelskörpern durch die Atmosphäre. Refraktion 1

Refraktion 2 : terrestrische Refraktion und damit verbundene Erhöhung des Horizontes Refraktion 2

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