Blaues Wunder

Unser Himmel - Ein "Blaues Wunder"

Wolken Blaues Wunder

Einen strahlend blauen Himmel versprechen zu können, gehört zu den beliebtesten Prognosen eines jeden Meteorologen. Aber welche physikalischen Gründe gibt es eigentlich dafür, dass die Luft über uns in dieser Farbe erscheint?

Die wichtigste Grundbedingung dafür ist das Sonnenlicht, das sich aus einer ganzen Bandbreite an elektromagnetischen Wellen zusammensetzt. Darunter machen die für den Menschen sichtbaren Lichtstrahlen den Löwenanteil aus.

Was dem menschlichen Auge als weißes Sonnenlicht erscheint, besteht jedoch tatsächlich aus vielen einzelnen Farben. Das kann man beispielsweise sehen, wenn man es auf ein Prisma lenkt. An den Kanten eines solchen gläsernen Dreiecks werden die Lichtwellen je nach ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark gebrochen und sind dann als einzelne Lichtbänder zu erkennen. Sie reichen von violett über blau, grün gelb und orange bis hin zu rot. Diese einzelnen Farben entstehen dabei durch die unterschiedlichen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung. Ein dunkles rot hat beispielsweise eine Wellenlänge von 700 Nanometer (nm), das entspricht 0,7 Millimeter. Violett hat eine deutlich kürzere Wellenlänge von nur 400 nm.

Das von der Sonne ausgesendete Wellengemisch passiert auf dem Weg zur Erde die Atmosphäre, die hauptsächlich aus den Gasen Sauerstoff und Stickstoff besteht. Dabei versetzt es die Gasmoleküle in Schwingungen, die daraufhin ihrerseits Lichtwellen aussenden. Doch nicht alle Anteile des Sonnenlichtspektrums werden gleichermaßen abgelenkt. Die blaue, kurzwellige Strahlung wird an den Luftmolekülen bis zu 16 Mal stärker gestreut als das rote Licht. Dadurch verteilt sich das Blaulicht in alle möglichen Himmelsrichtungen und formiert sich zu der uns vertrauten bläulichen Kuppel. Das übrige Licht gelangt dagegen fast ungehindert zur Erdoberfläche.

Über Jahrhunderte hinweg haben sich zahllose Naturforscher über das Phänomen Himmelsblau den Kopf zerbrochen. Lange Zeit dachten sie, dass es sich dabei um die Eigenfarbe des Firmamentes handelt. Zum ersten Mal wissenschaftlich korrekt beschrieben hat die tatsächlichen Vorgänge der englische Physiker Lord John William Rayleigh. Er zeigte 1871 in einem Experiment, was die Stärke der Streuung an den Luftmolekülen von der Wellenlänge abhängt. Seither trägt diese Erscheinung den Namen Rayleigh-Streuung. Dass es ohne Sonne auch keinen blauen Himmel gäbe, sieht man ganz einfach an der Nacht. Dann blicken wir ins Schwarz des Universums.

Wie jeder gut sortierte Farbkasten hat auch die Himmelpalette jedoch mehr als nur einen Blauton zu bieten. Das Spektrum reicht dabei vom kräftigen Aquamarin bis hin zum milchtrüben Hellblau. 

 

Wodurch kommen diese Unterschiede zu Stande?

 

Mit Rayleighs Experiment lassen sie sich nicht erklären. Einen ersten Hinweis liefert die Beobachtung. Besonders intensiv ist die Blaufärbung nämlich etwa nach dem Durchzug von kräftigen Kaltfronten. Wolkenlose Tage mit einem fast milchig hellen Himmel kennen wir hingegen vor allem aus dem Sommer. Entscheidend für die Leuchtkraft ist dabei vor allem der Gehalt an Wasserdampf in den mitgeführten Luftpaketen. Wenn die frische arktische Kaltluft über Skandinavien zu uns zieht, ist sie meist sehr trocken und der Himmel ist klar. Bei steigender Luftfeuchtigkeit erscheint dann der Himmel immer heller.

Doch nicht nur die fein verteilten Wassertröpfchen nehmen den Himmel seine Strahlkraft. Auch Staub- und Rauchteilchen vermindern das Himmelsblau. Im Gegensatz zu den winzigen Luftmolekülen, an denen nur die kurzwelligen Strahlungen gestreut werden, reflektieren die viel größeren Flüssigkeits- oderFestteilchen (Aerosole genannt) auch fast alle anderen Anteile des Sonnenlichts gleichmäßig in alle Richtungen.

Der deutsche Physiker Gustav Mie hat diesen Vorgang im Jahre 1910 als erster beschrieben und den Einfluss unterschiedlich großer Teilchen auf die Lichtstreuung berechnet. Daher rührt der Name Mie-Streuung für diese Erscheinung.

Wird in klarer Luft das blaue Licht noch 16 Mal so stark gestreut wie das rote, genügt schon ein mittlerer Dunstschleier, um den Streueffekt etwa auf den Faktor zwei zu reduzieren. Bei starkem Dunst streut das blaue Licht hingegen nur noch etwa 1,4 Mal so stark wie das rote. Dadurch wird fast das gesamte Sonnenlichtspektrum in alle Richtungen verteilt und er Himmel erscheint nahezu weiß.

Die Intensität der Blaufärbung kann somit einen Aufschluss darüber geben, wie viele Aerosole und vor allem Wasserdampf in der Atmosphäre vorhanden sind. Oder anders gesagt: Je strahlender der Himmel, umso sauberer ist die Luft.

 

 

 

  • Die Grundfärbung des Himmels entsteht durch Streuungsvorgänge. Die Leuchtkraft hängt stark von der Luftfeuchtigkeit ab.

 

 

 

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