Rayleigh-Streuung vs. Mie-Streuung: Unterschied und Vergleich

Die Lichtstreuung ist ein sehr interessantes Phänomen, da verschiedene Arten der Streuung zu sehr einzigartigen Beobachtungen führen.

Die Farbe des gestreuten Lichts hängt stark von der Größe der Partikel ab, durch die es gestreut wird. Aber es gibt noch andere Faktoren, die die Effizienz der Streuung beeinflussen.

Key Take Away

1. Die Rayleigh-Streuung betrifft kürzere Wellenlängen als längere Wellenlängen, wodurch blaues Licht stärker gestreut wird als rotes Licht.
2. Die Mie-Streuung ist bei größeren Partikeln ausgeprägter, während die Rayleigh-Streuung bei kleineren Partikeln signifikant ist.
3. Die Rayleigh-Streuung ist für die blaue Farbe des Himmels verantwortlich, während die Mie-Streuung die weiße Farbe der Wolken verursacht.

Rayleigh-Streuung vs. Mie-Streuung

Ist der Durchmesser der Teilchen bei der Streuung kleiner als die Wellenlänge, spricht man von Rayleigh-Streuung. Die rote Farbe des Himmels während des Sonnenuntergangs ist ein Beispiel für Rayleigh-Streuung. Wenn der Durchmesser der Teilchen bei der Streuung gleich oder größer als die Wellenlänge ist, spricht man von Mie-Streuung. Bräunlicher Smog ist ein Beispiel für Mie-Streuung.

Rayleigh-Streuung erklärt viele Phänomene, die wir in unserem täglichen Leben sehen. Beispielsweise sind der blaue Himmel, dunkelrotes Licht während des Sonnenuntergangs und der Regenbogen Beispiele für elastische Lichtstreuung (Rayleigh-Streuung).

Im Allgemeinen sprechen wir nur darüber, wie Licht von gasförmigen Molekülen gestreut wird, aber die Rayleigh-Streuung kann auch in einigen Festkörpern und Flüssigkeiten erklärt werden.  

Die Mie-Streuungstheorie wird häufig zur Lösung von Wärmeübertragungsproblemen in Streulichtmedien verwendet. Mit Hilfe des Konzepts der Mie-Streuung können verschiedene Faktoren berechnet werden, beispielsweise Effizienzfaktoren für Streuung, Absorption und Extinktion.

Vergleichstabelle

Vergleichsparameter	Rayleigh-Streuung	Mie Streuung
Definition	Rayleigh-Streuung ist definiert als die Art der Streuung, bei der der Durchmesser der Partikel kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge ist.	Mie-Streuung ist definiert als die Art der Streuung, bei der der Durchmesser des Teilchens gleich oder größer als die Wellenlänge der Strahlung ist.
Phenomena	Rayleigh-Streuung kann Phänomene wie den blauen Himmel und die rote Farbe des Sonnenuntergangs erklären.	Mie-Streuung kann Phänomene wie bräunlichen Smog und anderes Verhalten von Aerosolpartikeln erklären.
Partikelgröße	Die Teilchengröße bei der Rayleigh-Streuung ist kleiner als die Wellenlänge.	Die Teilchengröße bei der Mie-Streuung ist größer als die Wellenlänge.
Partikeltyp	Die im sichtbaren Teil vorhandenen Luftmoleküle lassen sich mit Mie-Streuung erklären.	Die Streuung von Rauch-, Staub-, Dunst- und Wolkentröpfchen im Infrarotbereich kann mit Rayleigh-Streuung erklärt werden.
Teilchendurchmesser	Der Durchmesser der für die Rayleigh-Streuung verantwortlichen Moleküle ist sehr klein (0.001 Mikrometer).	Der Durchmesser der für die Mie-Streuung verantwortlichen Moleküle ist vergleichsweise größer (0.01 Mikrometer).

Was ist Rayleigh-Streuung?

Die Streuung von Licht ist ein natürliches Phänomen, das es in der Natur schon immer gab, erstmals jedoch im 19. Jahrhundert beobachtet wurde. Ein britischer Physiker, Lord Rayleigh, bemerkte die Lichtstreuung zum ersten Mal, als er an der Farbe und Polarisation des Oberlichts arbeitete.

Er veröffentlichte auch zwei Arbeiten darüber und so wurde das Phänomen nach ihm benannt. Bei der Rayleigh-Streuung beeinflussen zwei Hauptfaktoren die Intensität der Streuung. Sie sind die Wellenlänge der Strahlung und die Partikelgröße der Moleküle, durch die sie gestreut wird.

Wenn sich Lichtteilchen ausbreiten, treffen sie auf verschiedene Arten von gasförmigen und flüssigen Molekülen, die in der Luft vorhanden sind. Beim Auftreffen überträgt das elektromagnetische Feld des einfallenden Lichts die molekularen Ladungen, die die Schwingungen der Partikel in Gang setzen.

Diese Wechselwirkung mit der Strahlung verändert teilweise die Polarisation des einfallenden Lichts. Die Luftmoleküle absorbieren also einen Teil der Energie und geben sie dann in verschiedene Richtungen wieder ab. Dieses Phänomen ist die Rayleigh-Streuung.

Die Intensität der Rayleigh-Streuung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Da blaue Farbe eine geringere Wellenlänge als rote Farbe hat, streut sie mehr und umgekehrt.

Was ist Mie-Streuung?

Die Mie-Streuung liefert eine verallgemeinerte Lösung für ein System, bei dem eine Streuung von Licht durch ein homogenes kugelförmiges Medium stattfindet. Und dieses Medium sollte einen Brechungsindex haben, der sich von dem des Mediums unterscheidet, das das Licht durchquert.

Im Gegensatz zur Rayleigh-Streuung ist die Mie-Streuung kein physikalisch unabhängiges Phänomen, sondern eine Lösung der Maxwell-Gleichungen für Situationen, in denen sich die Phase des Einfallswinkels innerhalb der Dimension der streuenden Partikel ändern kann. Mie-Streuung ist allgemein als Mie-Lösung bekannt und nach Gustav Mie, einem deutschen Physiker, benannt.

Mie-Streuung, auch Aerosolpartikelstreuung genannt, findet in der Atmosphäre unterhalb von 1,500 Fuß statt. Bei der Mie-Streuung entspricht der Durchmesser der kugelförmigen Partikel, durch die das Licht gestreut wird, ungefähr der Wellenlänge.

Es wurden mehrere Studien zur Mie-Streuung durchgeführt, um effektivere Ansätze für die Mie-Lösung zu finden. Die Mathematik hinter der Mie-Streuung ist für jeden recht komplex zu ergründen.

Einige der in unserer Umwelt leicht verfügbaren Partikelarten, die eine Mie-Streuung verursachen, sind Rauch, Staub, Wasserdampf, Aerosol, Pollen usw.

Während der Wolkenbildung diffundieren mehrere Aerosolpartikel miteinander, wodurch die Farbe der Wolke weiß erscheint.

Hauptunterschiede zwischen Rayleigh-Streuung und Mie-Streuung

1. Bei der Rayleigh-Streuung variiert die Streueffizienz umgekehrt mit der vierten Potenz der Wellenlänge, wohingegen bei der Mie-Streuung die Effizienz nicht stark von der Wellenlänge abhängt.
2. Rayleigh-Streuung wird für die Laserbildgebung in verschiedenen Arten von Gasen verwendet, während Mie-Streuung für die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mittels Particle Image Velocimetry (PIV) geeignet ist.
3. Die Rayleigh-Streuung ist im Vergleich zur Mie-Streuung ein schwächerer Streutyp.
4. Der Bereich des Partikelgrößendurchmessers bei der Rayleigh-Streuung ist viel kleiner als der der Mie-Streuung.
5. Das Erkennen verschiedener Farben (blauer Himmel, roter Sonnenuntergang, Regenbogen usw.) ist ein Ergebnis der Rayleigh-Streuung, während das weiße Erscheinungsbild der Wolke auf Mie-Streuung zurückzuführen ist.

Literaturhinweise

1. https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=ao-20-4-533
2. https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=AO-43-9-1951