Es gibt kaum einen schöneren Anblick als den eines strahlend blauen Himmels. Doch wie ist das Farbenspiel des Himmels zu erklären? Hier hilft ein kleiner Ausflug in die Physik.
Himmelblau und Abendrot: Wie erklären sich die Farben des Lichts
Der Blick in den Himmel ist immer wieder faszinierend, denn je nach Wetterlage, Sonnenstand, Tageszeit und Ort verzaubert er uns und unsere Familie oft mit einer wahren Farbenpracht. Manchmal ist der Himmel tagsüber weiß, manchmal grau verhangen und manchmal leuchtet ein Regenbogen und zeigt das ganze Spektrum des Sonnenlichts. Ein wahres Farb-Feuerwerk bieten Sonnenuntergänge am Meer. Auch die Berge verzaubern mit speziellen Himmelsfarben, die tagsüber ganz anders sind als abends. Jeder, der gern mit der Familie im Urlaub Berge besteigt, weiß außerdem, dass dort in großer Höhe andere Lichtverhältnisse herrschen als im Tal. Das Azurblau des Himmels an einem Sommertag ist mit keiner anderen Farbe zu vergleichen.
In vergangenen Jahrhunderten vermuteten die Menschen hinter dem Farbenspiel mystische Ursachen oder einen Einfluss der Götter. Heute löst die Wissenschaft sachlich das vermeintliche Rätsel, mit dem das Spektrum an Farben erklärt werden kann. Das Himmelsblau und jede andere Himmelsfarbe ist relativ einfach mit dem Teilbereich der Physik, der sich mit optischen Phänomenen beschäftigt, zu erklären. Diese Wissenschaft untersucht und erläutert die Auswirkungen der Lichtstreuung. Es wird die Frage beantwortet, warum das Sonnenlicht in der Erdatmosphäre so gestreut wird, dass der Himmel mal blau und dann wieder glutrot oder gelb erscheint.
Video: Galileo – Wissen für Weltmeister! Warum ist der Himmel blau?
Warum ist der Himmel blau: Das Phänomen der Lichtstreuung
Das Sonnenlicht besteht aus elektromagnetischen Lichtstrahlen, die sich wellenförmig im Raum ausbreiten. Alle Strahlen zusammen ergeben die Lichtfarbe Weiß. Treffen die Strahlen jedoch auf kleinste Teilchen in der Atmosphäre, wirken diese wie ein Prisma und brechen das Licht. Sie spalten es dabei in seine Bestandteile auf.
Weißes Sonnenlicht setzt sich aus den sechs Spektralfarben zusammen:
- Rot
- Orange
- Gelb
- Grün
- Blau
- Violett
Ein ganz besonderes Prisma bilden kleinste Regentropfen und daraus erklärt sich eines der schönsten Phänomene in der Natur: Die Entstehung eines Regenbogens, bei dem die einzelnen Spektralfarben deutlich zu sehen sind.
Die Spektralfarben unterscheiden sich hinsichtlich der Wellenlängen. Jede Farbe hat eine bestimmte Wellenlänge. Die Wellenlängen variieren im Hinblick auf die Abstände zwischen den Wellenbergen, die aufeinander folgen. Licht, das rot erscheint, entsteht durch die Anteile des Sonnenlichts mit einer langen Wellenlänge, wohingegen das Blau des Himmels aus extrem kurzwelligen Lichtstrahlen besteht.
In vergangenen Jahrhunderten vermuteten die Menschen hinter dem Farbenspiel mystische Ursachen oder einen Einfluss der Götter. Heute löst die Wissenschaft sachlich das vermeintliche Rätsel, mit dem das Spektrum an Farben erklärt werden kann. (#01)
Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Himmelsfarbe
Auf dem Weg durchs Weltall zur Erde müssen die Lichtstrahlen die Atmosphäre der Erde passieren. Hier treffen sie auf kleinste Gasmoleküle, die wie winzige Primen wirken. Diese Prismen verursachen die Lichtstreuung, indem sie die Richtung des Lichts verändern. Jeder Blick in den Himmel zeigt uns gestreutes Licht, denn es gelangt immer über Umwege, die Lichtbrechung, in unser Auge. In welcher Art und Weise die Sonnenstrahlen gerade gestreut werden, bestimmt somit, welche Farbe wir wahrnehmen, denn die Sonnenstrahlen sind ursprünglich immer gelblich-weiß.
Je kleiner die Wellenlänge der Strahlung ist, desto stärker ist die Streuung in der Erdatmosphäre. Sonnenstrahlen, die blau leuchten, haben die kürzeste Wellenlänge und werden aus diesem Grund am stärksten gestreut. Steht die Sonne besonders hoch am Himmel, ist der Weg der Sonnenstrahlen durch die Atmosphäre sehr kurz und es wird hauptsächlich die Farbe Blau gestreut. So ist es zu erklären, dass der Himmel im Sommer und in der Mittagszeit, wenn die Sonne am höchsten steht, besonders häufig strahlend blau erscheint.
Neigt sich der Tag zum Abend steht die Sonne genauso wie am Morgen tiefer und deshalb ist der Weg der Sonnenstrahlen zur Erde und durch die Erdatmosphäre länger. Die Lichtstreuung sorgt nun dafür, dass der Blauanteil geringer wird und langsam die Farbe Rot dominiert. Blau wurde im Prinzip durch die Streuung herausgefiltert und wir genießen ein Morgen- oder Abendrot.
Leider verwöhnt uns die Natur nicht nur mit strahlenden Himmelsfarben, sondern zeigt sich manchmal trüb und grau. (#02)
Warum ist der Himmel manchmal trüb und grau?
Leider verwöhnt uns die Natur nicht nur mit strahlenden Himmelsfarben, sondern zeigt sich manchmal trüb und grau. Diese Färbung ist ein Indikator für staubige oder aber feuchte Luft. Es befinden sich dann viele Gasmoleküle in der Erdatmosphäre, die so groß sind, dass sie nicht wie Prismen, sondern eher wie Spiegel wirken. Folglich werden die Lichtstrahlen nicht gebrochen, sondern reflektiert und der Himmel changiert in gräulichen Farbtönen.
Rayleigh-Streuung: Erklärung für das strahlende Blau des Himmels
Die besondere Art, in der die Sonnenstrahlen in der Erdatmosphäre gestreut werden, bezeichnet man als Rayleigh-Streuung, denn der britische Physiker Lord Rayleigh hat dieses Phänomen beschrieben und erklärt. Immer wenn Lichtstrahlen durch Gasteilchen gestreut werden, die ihrerseits wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, wie das bei den Gasmolekülen in der Erdatmosphäre der Fall ist, spricht man von einer Rayleigh-Streuung.
Müssen die Lichtstrahlen auf ihrem Weg zur Erdoberfläche Wolken mit großen Wassertropfen oder Eiskristallen durchqueren, können diese aufgrund ihrer Größe nicht als Prisma wirken. Die Lichtfarbe erscheint dann weiß, denn diese großen Moleküle reflektieren alle Lichtstrahlen des Sonnenlichts.
Video: Rayleigh Streuung in der Atmosphäre
Die Farbe des Himmels auf anderen Planeten
Die Dichte und die Zusammensetzung der Erdatmosphäre ist ursächlich für die Himmelsfarben auf unserem Planeten und auf anderen Planeten verhält es sich genauso. Da es keine Mondatmosphäre gibt, treffen die Lichtstrahlen direkt auf die Oberfläche, die weiß leuchtet, wohingegen der Mondhimmel immer schwarz ist. Der Himmel auf dem Mars ist aufgrund der Eisen(III)-Oxid-Moleküle orange-rot und auf der Venus sorgen Schwefelwolken für einen gelben Himmel.
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