Warum ist der Himmel blau ist eine der häufig gestellten Fragen. Die kurze Antwort auf diese Frage lautet: wegen der Erdatmosphäre und des Sonnenlichts. Wenn die Erde keine Atmosphäre hätte, wäre der Himmel tagsüber so schwarz wie nachts.
Der Himmel ist heute blau und nachts schwarz. Was den Tag von der Nacht unterscheidet, ist das Sonnenlicht, das nachts fehlt, weil wir uns dann auf dem sonnenabgewandten Teil der Erde befinden. Das gibt uns schon den ersten Hinweis darauf, wovon wir sprechen – Sonnenlicht beeinflusst die Farbe des Himmels.
Sonnenlicht und Farben
Die Sonne ist weiß, ebenso wie die Sonnenstrahlen, die von uns bis zur Sonne (ungefähr) 150 Millionen Kilometer zurücklegen müssen. Zu sagen, dass die Sonne weiß ist, kann ein wenig irreführend sein, weil Weiß nicht wirklich eine Farbe ist, was bedeutet, dass es nicht nur eine Farbe ist. Es besteht aus vielen Farben (professioneller kann man es so sagen: Weiß ist eine polychromatische Farbe, die aus einer kontinuierlichen Reihe von Farben besteht). Hier ist, was es wirklich bedeutet.
Weiße Lichtstrahlen können mit einem prismenähnlichen Gerät in ein schönes Spektrum bunter Farben zerlegt werden. Dabei handelt es sich um ein Langzeitphänomen, bei dem weißliches Sonnenlicht durch Regentropfen in ein buntes Farbspektrum zerfällt.
Wir können Licht auch als Welle betrachten, und um zu verstehen, warum der Himmel blau ist, müssen wir dies tun. Licht ist also ganz allgemein eine Welle (formeller: elektromagnetische Strahlung) einer bestimmten Länge (bzw. Frequenz).
Wellen des sichtbaren Lichts (das kann unser Auge erkennen und unserem Gehirn ein Bild machen) haben Wellenlängen von ungefähr 400 bis 700 Nanometern, und in diesem Zusammenhang sind Farben nur bestimmte Wellenlängen. Beispielsweise hat rotes Licht eine Wellenlänge von ungefähr 625 bis 740 Nanometer, grünes Licht hat eine Wellenlänge von 500 bis 565 Nanometer, blaues Licht hat eine Wellenlänge von 380 bis 440 Nanometer und violettes Licht hat eine Wellenlänge von 380 bis 440 Nanometer.
In Bezug auf die Frage, die wir hier beantworten, ist es wichtig, sich an Folgendes zu erinnern:
- Blaues und violettes Licht haben die niedrigste Wellenlänge der anderen sichtbaren Lichtfarben,
- Die Sonne durchquert auf ihrem Weg zu unseren Augen den leeren Raum, bis sie die Erdatmosphäre erreicht. Und während du hindurchgehst, passieren interessante Dinge, die den Himmel blau färben.
Atmosphäre der Erde
Was ist die Erdatmosphäre im Allgemeinen? Dies ist der Erdmantel, der aus verschiedenen Gasen besteht (und er existiert, weil die Schwerkraft der Erde stark genug ist, um sie an sich selbst zu „binden“). Wir alle wissen, dass eines dieser Gase Sauerstoff ist, das der Mensch zum Leben braucht.
Aber viele sind überrascht zu erfahren, dass das meiste davon an Stickstoff geht. Der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre beträgt etwa 21 %, Stickstoff sogar 78 %. Die Wechselwirkung von Sonnenlicht mit Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre macht unseren Himmel blau.
Streuung der Sonnenstrahlen in der Atmosphäre
Wenn die Sonnenstrahlen in die Atmosphäre eintreten und ungehindert den Luftraum passieren, beginnen sie mit den Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen zu „kollidieren“. Es gibt ein Phänomen, das wir Streuung oder Rayleigh-Streuung nennen (nach Lord Rayleigh, der dieses Phänomen 1871 beschrieb). Eine solche Streuung tritt auf, wenn die Partikelgröße, an der das Licht gestreut wird, kleiner ist als die Wellenlänge dieses Lichts (und dies gilt für Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Atmosphäre, die viel kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Sonnenlichts).
Wichtig bei der Rayleigh-Streuung ist, dass sie von der Wellenlänge oder Farbe des Lichts abhängt: Kurzwelliges Licht streut am stärksten und langwelliges Licht am wenigsten (wenn auch zufällig in der vierten Potenz der Wellenlänge). Beispielsweise streut typisches blaues Licht etwa fünfmal effizienter als rotes Licht.
Wenn die Sonnenstrahlen die Atmosphäre passieren, werden die violetten Strahlen am stärksten gestreut, gefolgt von den blauen Strahlen. Man kann sich das so vorstellen, dass die violetten und blauen Farben vor dem weißen Sonnenlicht „weglaufen“ und sich neu anordnen, das heißt, sich über den Himmel verteilen und schließlich die Augen erreichen, wodurch ein farbiges Bild des Himmels entsteht. Wenn jedoch Lila diffuser ist als Blau, warum ist der Himmel dann nicht lila, sondern bläulich?
Dafür gibt es zwei Gründe. Zunächst stellen wir fest, dass es im Sonnenspektrum weniger violette Farben gibt als blaue. Zweitens reagieren menschliche Augen empfindlicher auf Blau als auf Violett. Deshalb erscheint uns der Himmel am Ende blau. Und wenn es keine Atmosphäre gäbe, wäre es schwarz, weil es keine Moleküle gäbe, die das Sonnenlicht über den Himmel streuen könnten.
Warum ist der Himmel bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang rot?
Bei Sonnenauf- und -untergang muss das Sonnenlicht eine längere Strecke durch die Atmosphäre zurücklegen als wenn die Sonne hoch am Himmel steht, um unsere Augen zu erreichen. Dabei wird violette und blaue Strahlung mehrfach in zufällige Richtungen gestreut und erreicht letztendlich unser Auge nicht. Und wenn sich in dieser Schicht der Atmosphäre viele Staubpartikel und Smog befinden, trägt das Streuen auf ihnen zu einer noch stärkeren Rötung bei und erzeugt wunderschöne Sonnenuntergänge.
