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Das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts ist ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums und besteht aus elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge. Wenn die Sonne hoch steht, kommt es zu einer Mischung der Spektralfarben entsprechend ihrer natürlichen Intensität, was als Ergebnis das weiße Tageslicht hat.

Die Farben eines Regenbogens entstehen durch die Dispersion (also Brechung in Abhängigkeit von der Wellenlänge)in einem Wassertropfen. Dieser ist dazu in der Lage, weißes Licht in die einzelnen Spektralfarben zu zerlegen (ähnlich wie ein Prisma).

Fällt während oder kurz nach einem Regen Sonnenlicht auf eine Wand von Regentropfen, wird in diesen das Licht gebrochen und reflektiert. Jeder Lichtstrahl fällt auf eine andere Stelle des runden Regentropfens, wodurch das parallele Sonnenlicht in einem Kegel in einem Winkel von rund 41° zurückgeworfen wird, und zwar bedingt durch die Kombination aus der Brechung bei Lichteintritt in den Regentropfen und der Reflexion an der Rückwand.

Da das Sonnenlicht aus Spektralfarben zusammengesetzt ist, die im Regentropfen auch unterschiedlich stark gebrochen werden, ergibt sich für diese jeweils ein ganz bestimmter Rückstrahlwinkel, der etwas von den 41° abweicht. Das rote Licht weist einen bevorzugten Winkel von etwa 42° auf, das blaue Licht eher von 40°.

Richtet der Beobachter seinen Blick in Richtung der Regenwand, erscheinen alle Tropfen farbig, die das Sonnenlicht direkt auf sein Auge umlenken. Der Betrachter kann den Regenbogen also nur sehen, wenn er mit dem Rücken zur Sonne auf die Regenwand blickt. Denn nur in diesem Fall kann er in Richtung des Winkels schauen.

Die Breite eines Regenbogesn ergibt sich aus der unterschiedlichen wellenlängenabhängigen Brechungswinkel der Spektralfarben. Die runde Form des Regenbogens resultiert aus dem konstanten Blickwinkel bezüglich der optischen Achse des Auges zum parallel einfallenden Sonnenlicht. Das menschliche Auge kann nur bestimmte Lichtfrequenzen (380 bis 780 Nanometer nm Wellenlänge) wahrnehmen.

Farben, die oberhalb der roten Farbe (z.B. Infrarot) liegen und unterhalb der blauen Farbe (z.B. ultraviolett)des Regenbogens liegen, kann das menschliche Auge jedoch nicht wahrnehmen. Da der Brechungswinkel von der Spektralfarbe abhängt, besitzen die verschiedenen Farben auch unterschiedliche Kreisdurchmesser.

Über dem deutlichen Hauptregenbogen ist oftmals ein abgeschwächter Neben-Regenbogen mit umgekehrter Reihenfolge der Farben zu sehen.