Heiter bis Stürmisch

Heiter bis Stürmisch: Ein Podcast übers Wetter

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HBS002 Die Farben des Himmels


Die Rayleigh-Streuung ist verantwortlich für den blauen Himmel. Das Licht wird an den kleinsten Luftpartikeln unserer Atmosphäre gestreut. Das kurzwellige blaue Licht wird häufiger gestreut als das rote langwellige Licht und kommt damit häufiger in unserem Auge an. Was passiert aber beim Morgen- und Abendrot? Und ist das der einzige Effekt, der für die Färbung des Himmels verantwortlich ist? Die Atmosphäre der Erde ist großartig. Sie ermöglicht nicht nur Leben auf unserem Planeten, sondern lässt den Himmel durch die Zusammensetzung der Luft auch in den verschiedensten Farben erscheinen. Die Luft besteht aus vielen kleinen Molekülen. Neben den Molekülen sind in der Atmosphäre auch größere Partikel wie Aerosole, Ruß, Staub oder auch Wolken enthalten. Wenn das Licht die Atmosphäre durchquert, trifft es auf diese verschieden Teilchen. Dabei wird das Licht teilweise gestreut, reflektiert oder auch absorbiert. Schauen wir in den Himmel erscheint dieser blau. Die Vorraussetzung für den blauen Himmel ist die Streuung des Sonnenlichts. Das Sonnenlicht wird von der Atmosphäre an den kleinsten Partikeln gestreut. Auch das gestreute Licht kann wieder auf weitere Luftpartikel treffen und erneut gestreut werden. Daher erfüllt das mehrfach gestreute Licht den ganzen Luftraum und kommmt bei uns bzw. beim Betrachter von allen Seiten in unserem Auge an. Das Licht an sich ist weiß, besteht aber aus verschiedenen Farben. Es reicht von violett über blau, grün und gelb bis rot. Ganz besonders gut kann man das bei einem Regenbogen beobachten. Dabei besitzt jede Farbe ihre eigene Wellenlänge. Die kürzeste Wellenlänge hat blaues Licht. Grünes hat eine kürzere Wellenlänge als gelbes und das hat eine kürzere Wellenlänge als rotes Licht. Rotes Licht hat die längste Wellenglänge des sichtbaren Lichts. Noch größere Wellenlängen führen zur Infrarot-Strahlung und werden diese noch wesentlich länger, kommen wir zum Beispiel in den Radiowellenbereich. Ob das Licht gestreut wird, ist abhängig von der Größe des Partikels. Die Partikel müssen um den Faktor 1000 kleiner sein als die Wellenlänge des Lichtes. Bei diesem Größenverhältnis ist die Streuung wellenlängenabhängig. Für die, die es ganz genau wissen wollen: Die Streuung erfolgt dann umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Wellenlänge. Diese Art der Streuung, wenn das Licht auf sehr viel kleinere Teilchen trifft als dessen Wellenlänge, wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Die Rayleigh-Streuung geht auf den britischen Physiker Lord Rayleigh im Jahr 1870 zurück. Zu den kleinsten Teilchen gehört zum Beispiel auch Stickstoff, der etwa 78 Prozent der Atmosphäre ausmacht. Nun werden kurze Wellenlängen, also das blaue Licht stärker gestreut als die längeren Wellenlängen. Das blaue Licht trifft somit viel häufiger auf Luftpartikel. Im Vergleich zum roten Licht wird das blaue Licht etwa 4 mal so oft gestreut. Lassen wir unseren Blick weg von der Sonne in den Himmel schweifen, kommt das blaue Licht wesentlich öfter in unserem Auge an. Das lässt den Himmel blau erscheinen. Der Himmel erscheint besonders blau in frischer Polarluft. Denn je trockener und sauberer die Luft ist, desto blauer scheint die Luft zu sein. Richten wir den Blick zur Sonne, aber ACHTUNG niemals ohne Schutz direkt in die Sonne gucken, erscheint diese gelb. Die Sonne sendet allerdings nicht gelbes Licht aus, sondern Weißes. Das können alle Astronautinnen und Astronauten bestätigen. Ob vom Mond oder von der Internationalen Raumstation aus, die Sterne erscheinen weiß. Dort gibt es nämlich keine Atmosphäre oder Luftpartikel, die das Licht streuen können. Denn von der Erde aus betrachtet, erscheint es uns nur so, dass die Sonne gelb ist. Die Ursache liegt in dem vielfach gestreuten blauen Licht. Der blaue Anteil des direkten Lichts/Sonnenstrahls ist geringer, da es häufiger gestreut wurde. Im sichtbaren Spektrum fehlt nun sozusagen das blaue Licht. Damit verschiebt sich das farbliche Spektrum. Der höhere grüne, gelbe und rote Anteil des Lichtes lässt die Sonne nun gelb erscheinen. Die Effekte kann jede in einem einfachen Experiment überprüfen. Dazu wird ein Glas mit Wasser und etwas Milch benötigt. Die Milch stellt die Luftpartikel dar, an denen die Sonnenstrahlen gestreut werden. Nun leuchtet man das Glas von unten mit einer Taschenlampe an. Sie stellt das Sonnenlicht dar. Bei seitlichem Blick ins Glas leuchtet die Mischung in einem leicht bläulichen Licht. Das kurzwellige blaue Licht wird hier an den Fett-Tröpfchen der Milch zur Seite gestreut. Das rote langwelligere Licht hingegen scheint geradeaus und fehlt beim seitlichen Blick ins Glas. Das gleiche passiert auch in der Atmosphäre. Aber der Himmel erscheint nicht nur blau. Bei Sonnenauf- oder -untergängen leuchtet der Himmel manchmal in einem strahlenden orange. Die Sonne steht hier noch nicht bzw. nicht mehr ganz so hoch am Horizont und legt damit einen etwa 30 mal so langen Weg durch die Atmosphäre zurück. Bei einem längeren Weg durch die Atmosphäre, nimmt auch der Rotanteil des Lichtes zu. Warum ist das so? Das Licht trifft nun auf noch mehr Moleküle. So wird noch mehr vom blauen Licht in alle Richtungen gestreut. Das bedeutet, dass das uns treffende Licht nur noch einen sehr geringen Anteil vom blauen Licht hat. Der Blauanteil wurde praktisch vorher weggestreut. Es bleibt nur noch das rote bzw. das langwellige sichtbare Licht übrig. Das erklärt warum die Sonne, wenn sie tief am Horizont steht statt in gelben in rötlichen Farben erscheint. Bei besonders vielen Partikeln in der Atmosphäre wird mehr gestreut und vor allem bei verunreinigter Luft erscheint der Himmel in einem besonders schönen orange, rot oder pink. Auch diesen Effekt können wir in unserem Milch-Wasserglas wiederfinden. Schauen wir nun von oben ins Glas erscheint es gelb. Das rötliche Licht durchdringt die Mischung ohne viel Streuung geradeaus. Je mehr von der Wasser-Milch-Mischung im Glas ist, desto rötlicher erscheint das Licht der Taschenlampe. Und das können wir beim Morgen- und Abendrot auch in der Atmosphäre beobachten. Das tiefdunkle blau des Himmels nach dem Sonnenuntergang wird hingegen durch einen anderen Effekt hervorgerufen. Tagsüber ist die Rayleigh-Streuung für die Färbung des Himmels verantwortlich. Aber während der Dämmerung spielt ein anderer Teil der Atmoshäre eine wichtigere Rolle als die kleinen Stickstoffmoleküle. In der Ozonschicht ist die Absorbtion des Lichtes nun ein entscheidener Faktor für die Färbung des Abendhimmels. Diese Absorbtion wird auch Chappuis-Absorbtion genannt. Die Entdeckung der Chappuis-Absorption geht auf den französischen Chemiker James Chappuis im Jahr 1880 zurück. James Chappuis hat erkannt, dass das sichtbare Licht im langwelligen Spektrum vom Ozon absorbiert wird. Dabei wird das gelbe, orangene und rote Licht herausgefiltert und das blaue Licht bleibt praktisch übrig und wird NICHT vom Ozon absorbiert. Den blauen Anteil sehen wir dann. Tagsüber wird vom Ozon auch das gleiche Spektrum des Lichtes absorbiert, aber der Einfluss der Rayleigh-Streuung überwiegt zu dieser Tageszeit und ist deshalb für den blauen Himmel und die gelbe Sonne verantwortlich. Ist der Himmel mal nicht blau, sondern wird überdeckt mit Wolken, erscheint der Himmel weiß oder grau. Die Wassertropfen oder Eisteilchen sind verglichen mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts mindestens 20 mal größer. Die größeren Partikel der Atmosphäre streuen in diesem Fall unabhängig von der Wellenlänge. Das Licht wird jetzt weniger gestreut und eher reflektiert. Das bedeutet es sind noch alle Farbanteile im Licht enthalten und es tritt keine besondere Streufarbe auf. Es bleibt also weiß. Je mehr Wassertropfen vorhanden sind, desto weniger Licht kommt unten am Erdboden an. Daher sehen Nebelwände oder Wolken von unten nun eher grau oder schwarz statt weiß aus. Diese Art der Streuung geht auf den deutschen Physiker Mie Anfang des 20. Jahrhunderts zurück und wird als Mie-Streuung bezeichnet. Aber das ist Thema für eine andere Folge.


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 2020-04-04  n/a