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Warum ist der Himmel blau?

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Bei der Beantwortung dieser Frage scheitern oft sogar Erwachsene. Ja, selbst der berühmte Physiker Isaak Newton konnte zu seinen Lebzeiten die blaue Färbung des Himmels nicht erklären. Newton machte Wassertröpfchen in der Atmosphäre verantwortlich, irrte sich aber genauso wie Jahrhunderte zuvor der große Forscher Leonardo da Vinci, der Blau für eine Mischung aus Licht und Finsternis hielt. Erst 1871 fand Lord Rayleigh, der eigentlich John William Strutt hieß, die Lösung, mit der wir uns dieses Mal näher beschäftigen wollen.

Das Sonnenlicht

Beginnen wir mit der Ursachenforschung bei der Sonne und betrachten das Sonnenlicht. Uns erscheint das Sonnenlicht normalerweise weiß oder leicht gelb. Insgeheim transportiert die Sonne in ihrem Licht aber alle Farben von violett über blau, grün, gelb, orange bis rot.

Beim Auftreten eines Regenbogens kann man das gut erkennen. Denn in diesem Fall werden die Farben des Sonnenlichts sauber getrennt. Mischt man alle diese sogenannten Spektralfarben zusammen, so ergibt sich nicht etwa schwarz, wie du es aus deinem Wasserfarbmalkasten kennst, sondern weiß.

Wellen

Physikalisch gesehen ist Licht einer Farbe eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Wellenlänge. Man kann sich das Ausbreiten des Sonnenlichts in etwa so vorstellen, wie die Wellen um einen ins Wasser geworfenen Stein. Der Stein übernimmt dabei die Rolle der Sonne. Um ihn herum breiten sich in diesem Fall die Wasserwellen aus. Die Wellenlänge des Sonnenlichts, also der Abstand zwischen zwei Wellenbergen, ist aber viel viel kleiner.

Blaues Licht hat zum Beispiel eine Wellenlänge von etwa 450 Nanometern, rotes Licht eine von 700 Nanometern. Im Vergleich dazu sind Wasserwellen mit Wellenlängen im Zentimeter-Bereich riesige Ungetüme. Lichtwellen sind viel zu klein, als dass man sie mit dem bloßen Auge beobachten könnte. Selbst die Vorstellungskraft gerät an ihre Grenzen bei so kleinen Zahlen. 1 Nanometer entspricht nämlich 0,000000001 Meter. Wir bewegen uns also in sehr winzigen Dimensionen.

Wellenlänge
Grafik: Eine Welle und ihre Wellenlänge

Streuung

Und jetzt kommen wir der Sache mit dem blauen Himmel näher. Denn in ähnlichen Dimensionen bewegt sich auch die Größe der Luftmoleküle. Das heißt aber auch, dass die Lichtwellen von solchen Molekülen abgelenkt werden können. Diesen Effekt nennt man Streuung. Stelle Dir einen Fußball, einen Grashalm und einen Baum vor. Von dem Grashalm wird der Ball beim Schuß nicht abgelenkt werden, triffst Du aber den Baum, dann wird sich die Richtung des Balles entscheidend ändern. Auch der Ball wird also eher von Gegenständen abgelenkt, die in etwa die gleiche Dimension haben wie er selbst.

Rayleigh-Streuung

Doch kehren wir wieder in die winzige Welt der Lichtwellen und Moleküle zurück. Die Streuung, die übrigens zu Ehren ihres Entdeckers Rayleigh-Streuung genannt wird, ist in hohem Maße abhängig von der Wellenlänge. Das blaue Licht wird viel stärker abgelenkt als das rote. Das heißt, unser Auge erreichen direkt eher die gelben, orangen und roten Sonnenstrahlen: Die Sonne erscheint uns daher gelb, während das an den Luftmolekülen gestreute indirekte Sonnenlicht den übrigen Himmel blau erscheinen lässt. Das Himmelsblau ist nichts anderes als Sonnenlicht, was unser Auge über einen kleinen Umweg erreicht.

Newtons Vermutung, das Himmelsblau würde von Wassertropfen in der Atmosphäre verursacht, war zwar falsch. Allerdings ist die Feuchtigkeit in der Atmosphäre immerhin dafür verantwortlich wie kräftig das Himmelsblau ausgeprägt ist. Ist nur wenig Feuchte in der Luft, dann strahlt der Himmel in einem tiefdunklen Blau. Je feuchter die Luft ist, desto milchiger wirkt das Himmelsblau.

Daß der Himmel nicht von selbst blau ist, sehen wir im übrigen jede Nacht. Ohne die Sonneneinstrahlung gibt es auch keinen blauen Himmel und wir sehen durch die Atmosphäre hindurch direkt in den schwarzen Weltraum.


Bilder von links nach rechts: tiefblauer Himmel bei trockener und aerosolarmer Luft, milchig-blauer Himnmel bei sehr feuchter Luft (feuchter Dunst), klarer Nachthimmel


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