Warum ist der Himmel blau? – dies ist wohl eine der meistgestellten Fragen überhaupt. Gerade Kinder interessiert es scheinbar brennend, wie es kommt, dass unser Himmel im bläulichen Farbton erscheint. Doch wieso ist dies überhaupt so? Wir sind diesem Phänomen ausführlich nachgegangen.
Über Licht und seine Wellenlängen
Zuerst müssen wir verstehen, wie Licht funktioniert. Wenn es von der Sonne kommt, bewegt es sich auf und ab wie eine Welle – ähnlich den Wellen, die man auf dem Meer sieht. Einige der Wellen liegen dicht bei einander, andere weiter auseinander. Der Abstand zwischen jedem Stoß dieser elektromagnetischen Wellen wird als Wellenlänge bezeichnet. Wenn die Wellenlängen der Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett zusammenlaufen, erscheint das Licht für unser Auge weiß.
Wird das Sonnenlicht nun aber gestreut, sodass seine unterschiedlichen Wellenlängen voneinander getrennt werden, können wir statt des Einheitsweiß einzelne Farben wahrnehmen. Tatsächlich hat nämlich jede Farbe ihre eigene Wellenlänge. Bläuliche, kalte Farben haben zum Beispiel eine sehr kurze Wellenlänge und bewegen sich daher häufiger auf und ab als wärmere, langwellige Farben wie Rot.
Was die Streuung des Lichts mit dem Himmelblau zu tun hat
Wenn nun also das Sonnenlicht so viele verschiedene Farben enthält, warum erscheint der Himmel dann strahlend blau? Das hat vor allem damit zutun, wie diese Wellen mit der Atmosphäre unserer Erde interagieren.
Wenn es nichts zwischen der Sonne und unseren Augen gäbe, würde die Sonne wie ein weißer Kreis an einem schwarzen Himmel voller leuchtender Sterne aussehen. Aber die Erdatmosphäre verändert das Verhalten des Lichts. Obwohl wir heute wissen, dass die Erdatmosphäre voller kleiner Teilchen ist, war es der Wissenschaft lange Zeit ein Rätsel, wie es überhaupt zur Streuung der Lichtwellen kommt.
Entdeckung der Rayleigh-Streuung
Zum Ende des 19. Jahrhunderts gelang es dem britischen Physiker und Nobelpreisträger John William Strutt, die physikalischen Hintergründe des Phänomens erstmalig wissenschaftlich zu erklären. Er bezeichnete seine Entdeckung als Rayleigh-Streuung. Sie besagt im Detail, dass Lichtstrahlen an solchen Teilchen gestreut werden, die kleiner sind als ihre Wellenlänge. Da dies auch auf die Moleküle in unserer Atmosphäre zutrifft, ist es folglich die Rayleigh-Streuung, die für die blaue Farbe des Himmels verantwortlich ist.
Zur Verdeutlichung: obwohl die Atmosphäre der Erde wie ein großer leerer Raum aussieht, besteht sie eigentlich aus einem ganzen Haufen winziger Teilchen. Neben Sauerstoff- und Stickstoff-Molekülen enthält die Luft unter anderem auch Wasser- und Staubpartikel. Die aus Richtung der Sonne hinabstrahlenden Lichtwellen können den kleinen Teilchen am Himmel praktisch kaum ausweichen. Die kürzeren Wellenlängen des Lichts wie Blau und Violett bewegen sich so sehr auf und ab, dass sie häufiger als andere Farben mit den Luftmolekülen interagieren und gestreut werden.
Und warum ist die Sonne weiß-gelb?
Wie anfangs beschrieben, setzt sich reines Sonnenlicht als ein Gemisch aus den Regenbogen- bzw. Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett bzw. deren elektromagnetischen Wellenlängen zusammen. Schauen wir gezielt in die Sonne, sehen wir die direkte, weitestgehend gebündelte Form der Sonnenstrahlung, die uns weiß bis gelblich erscheint. Der Rest des Himmels wird mehr oder weniger „indirekt beleuchtet“ und erscheint uns aufgrund der verstärkten Lichtstreuung blau.
Was bei Abendrot und Morgenrot passiert
Beim Sonnenaufgang und Sonnenuntergang verändert sich die Farbe des Himmels. Warme Rot- und Orangetöne bestimmen statt des Himmelblaus den Horizont. Das liegt daran, dass das Sonnenlicht bei tiefem Sonnenstand (am Morgen und Abend) einen deutlich weiteren Weg durch die Erdatmosphäre zurücklegen muss, als tagsüber.
Im Morgenrot und Abendrot wird das Licht in der Folge noch intensiver gestreut, da es mit mehr Molekülen in Berührung kommt. Sein kurzwelliger Blauanteil verringert sich über die zurückgelegte Strecke zusehends, bis nur noch das langwellige Rot im Bereich des für uns sichtbaren Lichts übrig bleibt.
Wolken verhindern die Lichtstreuung
Bisher sind wir bei unseren Erläuterungen ausschließlich von wolkenlosem Wetter ausgegangen. Doch an vielen Stellen der Erdoberfläche ist dies eher selten. Aufsteigender Wasserdampf verursacht bekanntermaßen Wolken, die für dunkle Tage sorgen können. Bei Regen zieht sich allzu oft eine regelrechte Wolkendecke über uns zusammen, die den Himmel nicht mehr blau, sondern grau erscheinen lässt. Kaum ein direkter Lichtstrahl erreicht dann noch die Erdoberfläche.
Der Grauton kommt deshalb zustande, weil feine Wassertröpfchen und Eiskristalle in den Wolken „immun“ gegen den Effekt der Rayleigh-Streuung sind. Das liegt daran, dass sie deutlich größer als gewöhnliche Luftmoleküle und die Wellenlänge des auf sie treffenden Sonnenlichts sind. Sie reflektieren es beinahe vollständig, anstatt es zu streuen. Umso dichter eine Wolke, desto weißer erscheint sie uns deshalb.
