Warum ist der Himmel blau?

Dass der Himmel blau erscheint, hängt auch mit der Sonne zusammen, genauer: Mit dem Wechselspiel ihres Lichts mit der Erdatmosphäre. Denn das Licht der gelblich-weiß erscheinenden Sonne ist keineswegs einfarbig, sondern setzt sich aus den Spektralfarben rot, orange, gelb, grün, blau und violett zusammen.

Auf dem Weg zur Erdoberfläche durchquert es die Atmosphäre. Dabei trifft es auf die Moleküle der Luft und sogenannte Aerosolpartikel, also Staub- und Rußteilchen, Wassertröpfchen oder Salzpartikel aus dem Meer, die in der Luft schweben. An ihnen wird das Licht gestreut und dabei in seine spektralen Anteile zerlegt – ähnlich wie in der Luft durch Wassertröpfchen ein Regenbogen entsteht, wenn bei einem Guss gleichzeitig die Sonne scheint. Dieses Phänomen entdeckte 1871 der englische Physiker Lord Rayleigh, seither ist es als Rayleigh-Streuung bekannt.

Veilchen-Himmel

Der Grad der Streuung ist indes abhängig von der Wellenlänge des Lichts; er nimmt mit der vierten Potenz zu der Wellenlänge zu. Kurzwelliges violettes Licht wird somit am stärksten gestreut, und zwar rund 16-mal stärker als rotes Licht, dessen Wellenlänge mehr als doppelt so groß ist. Deshalb müsste der Himmel eigentlich violett erscheinen. Dass er blau ist – diese Farbe schließt sich im Spektrum an das Violett an – liegt daran, dass das Sonnenlicht mehr Anteile im grünen Bereich hat, in dem auch unsere Augen empfindlicher sind. Deshalb verschiebt sich das Intensitätsmaximum der gestreuten Strahlung ins Blaue.

Aus diesem Grund erreicht insgesamt mehr blaues Licht den Boden. Außerdem muss das Licht am Tag, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, nur eine kurze Strecke durch die Atmosphäre zurücklegen. Dabei werden mehr Lichtanteile im kurzwelligen Spektralbereich gestreut, was den zur Erde gestrahlten Blau-Anteil ebenfalls erhöht. Hätte unser Planet wie der Mond keine Atmosphäre, wäre der Himmel auch tagsüber schwarz.

Merkwürdiges Phänomen der Dämmerung

Mit zunehmender Dämmerung rückt die Sonne indes näher an den Horizont. Die Lichtwellen fliegen immer weiter durch die Erdatmosphäre. Da der größte Teil des kurzwelligen Lichts schon zuvor gewissermaßen weggestreut wurde (es erreicht den Erdboden in den Gebieten, wo die Sonne noch höher am Himmel steht), treten die verbliebenen langen Wellenlängen stärker zu Tage – die Sonne färbt sich rot. Dieser Effekt wird durch die Aerosolteilchen in der Luft noch verstärkt. Die langwelligen gelben und roten Lichtanteile zaubern zudem das Morgen- und Abendrot an den Himmel. Zudem bewirkt die Lichtstreuung, dass es nach Sonnenuntergang nicht schlagartig dunkel wird, sondern dass die Helligkeit langsam abnimmt.

Merkwürdigerweise ist der Himmel im Zenit zu dieser Zeit tiefblau. Dabei sollten auch dort die blauen Farbanteile herausgestreut sein, sodass er ähnlich rot erscheinen sollte wie am Horizont. Dieses eigenartige Dämmerungsphänomen nennen die Meteorologen die „blaue Stunde des Ozons“, in der auch die ersten Sterne sichtbar werden. In der Tat färbt die stratosphärische Ozonschicht, die sich in 20 bis 30 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche erstreckt und die Erde vor der harten UV-Strahlung der Sonne schützt, den Himmel. Sie absorbiert nämlich im sichtbaren Licht alle Wellenlängen, die über 450 Nanometer liegen. Das aber entspricht blauem Licht. Anders gesagt: Das Ozon filtert fast das gesamte Spektrum außer dem blauen aus dem Sonnenlicht heraus. Das bleibt übrig und färbt den Dämmerungshimmel. Auf diese Art lässt sich die Existenz der Ozonschicht mit bloßem Auge erkennen. Physikalische Grundlagen von Bauernregeln

Noch ein paar Details erscheinen in diesem Zusammenhang interessant. Je sauberer und trockener die Luft ist, desto intensiver blau leuchtet der Himmel. Herrscht jedoch feuchte Witterung mit vielen Dunst- und Staubpartikeln, werden die langwelligen Anteile des Lichts auch bei Tag stärker gestreut. Ein weißlicher oder trüber Himmel ist die Folge. Zudem weist ein intensives Morgenrot auf einen hohen Gehalt der Luft an Wasserdampf hin, der nach Erwärmung durch die Sonne zu Regenwolken kondensieren kann. Das ist die Grundlage der Bauernregel „Morgenrot – Schlechtwetter droht“.

Darüber hinaus hinterlassen Störungen der Atmosphäre, insbesondere Vulkanausbrüche, in der Dämmerung sichtbare Spuren. Die Eruption des Krakatau im August 1883 in der Nähe der Insel Java etwa dauerte zwei Tage. Sie schleuderte gewaltige Mengen von Asche, Staub und Gasen in die Atmosphäre. Besonders in den Tropen fiel danach eine eigenartige Trübung des Himmels auf. Tagsüber wirkte die Sonne oft grünlich, ihre Untergänge waren ungewöhnlich farbenprächtig und dauerten lang an.

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© Klaus-Peter Kolbatz

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