Das Blau des Himmels!
Nein, hier soll jetzt nicht sprichwörtlich das Blaue vom Himmel gelogen werden. Es geht schlicht darum warum der Himmel uns Blau erscheint. Dabei wandern wir mal wieder im weiten und spannenden Feld der atmosphärischen Optik, das so viele wundervolle Phänomene, die einen immer wieder einfach zum Staunen und Genießen bringen.
Um in den Artikel zu kommen muss der Verfasser kurz ein wenig ausholen. Ein bisschen Farbe im Leben ist immer schön. Und da der Anstrich einer ollen, angeschlagenen, fad grauen Tür anstand, sollte es eine helle etwas aufmunternde Farbe sein. Und was liegt für einen Meteorologien näher als ein schönes Himmelblau. Natürlich wurde das dann gleich der restlichen Familie vorgeschlagen, wobei das latente Klugscheißer-Gen des Verfassers den Kindern gleichzeitig einen kleinen Vortrag über die Ursachen des Himmelsblaus angedeihen ließ. Nun, es mag nicht allzu sehr verwundern, dass dies von den lieben Kleinen nur semi-begeistert aufgenommen wurde. Daher müssen eben Sie werter Leser oder werte Leserin dran glauben, und das eher schon recht häufig wiedergekaute Thema Himmelsblau über sich ergehen lassen.
Aber jetzt ist es genug des Smalltalks. Der Himmel erscheint ja nur uns Menschen blau, die wir am Boden der Lufthülle unseres Planeten herumkreuchen. Astro- oder Kosmonauten, die oberhalb der Atmosphäre herumschwirren, nehmen den Himmel beim Blick von der Erde weg in die unendlichen Weiten des Weltraums hinein als schwarze Weite wahr. Daher muss ja was zwischen Atmosphärenobergrenze und dem Erdboden geschehen und da es ein Lichtphänomen ist, hat das was mit den Sonnenstrahlen zu tun. Soviel ist klar.
Kurz gefasst, kann man sagen, dass der Himmel für unsere visuelle Wahrnehmung blau erscheint, da das kurzwelligere blaue Licht stärker gestreut wird als die anderen Farben im Spektrum des Sonnenlichts.
Doch wem diese Erklärung zu dürftig ist, dem seien folgende Zeilen gewidmet:
Gedanken zur Lichtsteuung
Nehmen wir uns erst einmal das Sonnenlicht vor. Das erscheint uns zwar weiß, ist aber letztlich eine Mischung aus vielen unterschiedlichen Farben, die zusammen eben das weiße Sonnenlicht ergeben. Man nennt es auch das Spektrum des Sonnenlichts und die Farben eben Spektralfarben.
Jetzt ist das mit dem Licht so eine Sache. Mal kann man es als Teilchen beschreiben, mal als Wellen. Hier begnügen wir uns mit dem Wellencharakter. Jede Farbe kann als elektromagnetische Strahlung die auf eine bestimmte Art und Weise schwingt beschrieben werden. Und wenn etwas immer gleich schwingt, dann kann man zur Beschreibung dieser Schwingung auch eine Schwingungsdauer oder (von den Wasserwellen abgeleitet) auch eine Wellenlänge nutzen. Letzteres machen wir mal.
Dabei zeigt sich, dass rotes Licht langsamer schwingt als blaues Licht und damit eine größere Wellenlänge hat als eben blaues Licht. Auch die meisten anderen Farben (bis auf Violett) des sichtbaren Sonnenspektrums haben eine größere Wellenlänge als das blaue Licht.
Jetzt dringt also das Sonnenlicht zusammengesetzt aus den unterschiedlichen Farben mit ihren unterschiedlichen Wellenlängen in die Atmosphäre ein. Nun, die Atmosphäre ist kein Vakuum (zum Glück), sondern besteht aus vielen kleinen Teilchen, Luftmolekülen. Und diese machen was mit der eintreffenden elektromagnetischen Strahlung. Insgesamt kann da jetzt einiges passieren. Wir bleiben mal bei der Streuung des Sonnenlichts an den Luftmolekülen. D.h.: Die Sonnenstrahlen werden an den Luftmolekülen gestreut. Da die Luftmoleküle aber sehr viel kleiner sind als die Wellenlängen der hier betrachteten Strahlung hat die Streuung eine bestimmte Eigenschaft. Nämlich die, dass je kürzer die Wellenlänge des Lichts ist, dieses stärker gestreut (abgelenkt) wird als Licht mit größerer Wellenlänge. Diese Art von Streuung nennt man übrigens Rayleigh-Streuung und wurde nach dem genialen britischen Physiker John William Strutt, 3. Baron Rayleigh (1842–1919), der 1904 den Nobelpreis für Physik erhielt benannt.
Gm ️
— Felipe Rossi | AWaveStory live (@_feliperossi_) January 11, 2023
Did you know, when the sun is higher in the sky, smaller particles Rayleigh scatter much of the blue wavelength, which is why the sky appears blue. The human eye is more sensitive to blue than violet otherwise our blue sky might be violet.#DroneNFT #dronephotography pic.twitter.com/d0VWEkikOp
Da eben jetzt blaues Licht kurzwelliger ist und kurzwellige Strahlung stärker gestreut wird, wird eben aus allen Himmelsrichtungen mehr blaues Licht in Richtung unserer Augen gestreut wird als von den anderen Farben.
Jetzt wird der aufmerksame Leser sicherlich bemerkt haben, dass da ja noch das violette Licht ist, dass noch eine etwas kürzere Wellenlänge hat als blaues Licht (380 bis 420 Nanometer für violettes Licht gegenüber 420 bis 490 Nanometer, wobei ein Nanometer, ein Milliardstel Meter ist). Wieso ist dann der Himmel nicht violett, wenn das violette Licht eben stärker gestreut wird? Nun, das liegt daran, dass das Sonnenlicht zunächst nicht so viel Violett enthält und unsere Augen außerdem viel empfindlicher für Blau sind.
Weiße Wolken
Ansonsten gilt noch anzumerken, dass wenn wir größere Teilchen in der Luft haben, wie Wolkentröpfchen, dann hat die Streuung nicht mehr den Wellenlängen abhängigen Charakter der Rayleigh-Streuung, sondern alle Wellenlängen werden ähnlich stark gestreut, so dass wir die Wolken wiederum weiß erscheinen und auch bei einer feuchten, dunstigen Atmosphäre das Himmelsblau mehr und mehr ins weißliche übergeht.
Jetzt ließen sich natürlich noch zahlreiche andere Farbphänomene in der Atmosphäre beschreiben. Doch das soll an anderer Stelle geschehen. Der Verfasser muss jetzt erst einmal eine Tür streichen.