Ist der Himmel immer blau?

Ist der Himmel immer blau? Nicht immer!

Ist der Himmel immer blau? Die blaue Farbe des Himmels entsteht nicht durch gefärbte Luft, sondern durch die Streuung von Sonnenlicht an Gasmolekülen. Ohne diese Atmosphäre ist der Himmel selbst am Tag pechschwarz. Erfahren Sie, wie die Rayleigh-Streuung genau funktioniert und warum blaues Licht dominant ist.

Warum der Himmel meistens blau erscheint

Der Himmel ist nicht permanent blau, sondern erscheint uns meistens so, weil das Sonnenlicht in der Erdatmosphäre gestreut wird. Es gibt ein physikalisches Detail bei dieser Streuung, das fast jeder falsch versteht und das erklärt, warum der Himmel nachts nicht einfach nur dunkelblau wird - ich werde dieses Geheimnis im Abschnitt über die Abenddämmerung lüften.

Wenn das Licht der Sonne auf die Atmosphäre trifft, interagiert es mit den Gasmolekülen. Blaues Licht hat eine kurze Wellenlänge von etwa 450 bis 490 Nanometern und wird daher viel stärker abgelenkt als rotes Licht, das Wellenlängen von 635 bis 700 Nanometern aufweist. Blaues Licht streut etwa 4 bis 5 Mal effektiver als rotes Licht, wodurch der gesamte Himmel für unser Auge in dieser Farbe leuchtet.^[2] Ohne diese Atmosphäre wäre der Himmel selbst am helllichten Tag pechschwarz. Ich dachte früher immer, die Luft selbst sei blau gefärbt, wie gefärbtes Glas. Aber das ist ein Irrtum. Es ist reines, gestreutes Licht.

Das Prinzip der Rayleigh-Streuung

Die Farbe des Himmels Physik basiert auf der Rayleigh-Streuung. Sie beschreibt, wie elektromagnetische Wellen an Partikeln gestreut werden, die deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Stickstoff und Sauerstoff in unserer Luft sind genau solche winzigen Hindernisse. Da die Intensität der Streuung umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge ist, gewinnen die kurzwelligen Farben das Rennen um unsere Aufmerksamkeit.

Seien wir ehrlich: Die mathematischen Formeln hinter diesem Effekt sind für die meisten von uns ein Albtraum. Ich habe im Studium Stunden damit verbracht, die Gleichungen nachzuvollziehen, nur um am Ende festzustellen, dass das visuelle Ergebnis viel simpler ist. Kurzwellen werden abgelenkt. Langwellen gehen fast ungehindert durch. So einfach ist das im Kern.

Wenn das Blau verschwindet: Rot- und Orangetöne

Der Himmel wechselt seine Farbe dramatisch, wenn die Sonne tief steht, da das Licht einen deutlich längeren Weg durch die Luftschichten zurücklegen muss. Dabei wird der blaue Anteil fast vollständig aus dem direkten Sichtfeld herausgestreut, bevor er unser Auge erreicht.

Bei einem Sonnenuntergang legt das Licht eine deutlich längere Strecke durch die Atmosphäre zurück als am Mittag.^[3] Auf diesem langen Pfad bleibt vom ursprünglichen Blau nichts mehr übrig. Was wir sehen, sind die übrig gebliebenen langwelligen Rot- und Goldtöne. Hier ist die Auflösung des Rätsels vom Anfang: Die Sonne ändert ihre Farbe gar nicht. Wir sehen lediglich das Licht, das nicht gestreut wurde. Es ist ein physikalischer Filterprozess. In Momenten höchster Luftverschmutzung oder nach Vulkanausbrüchen verstärkt sich dieser Effekt sogar, da zusätzliche Partikel die Streuung beeinflussen.

Grauer Himmel und die Rolle der Wolken

Warum ist der Himmel bei schlechtem Wetter grau oder weiß statt blau? Das liegt an der Größe der Streuobjekte und zeigt den starken Einfluss von Staub und Wolken auf Himmelsfarbe. Wolken bestehen aus Wassertröpfchen und Eiskristallen, die viel größer sind als einzelne Gasmoleküle. Hier greift nicht mehr die Rayleigh-Streuung, sondern die sogenannte Mie-Streuung.

Größere Partikel streuen alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts nahezu gleichmäßig. Wenn alle Farben des Spektrums vermischt werden, entsteht für unser Auge Weiß. Wenn die Wolkenschicht jedoch sehr dick ist, wird ein Großteil des Lichts absorbiert oder nach oben zurück in den Weltraum reflektiert. Nur ein kleiner Bruchteil dringt nach unten durch, was wir dann als ein tristes Grau wahrnehmen. Ich saß schon oft an verregneten Tagen am Fenster und habe mich gefragt, wie viel Energie dort oben eigentlich gerade an der Wolkenoberfläche abprallt. Es ist eine enorme Menge.

Die Farbe der Nacht und der Blick ins All

Aber warum ist der Himmel nachts schwarz? Die Antwort ist einfach: weil es kein direktes Sonnenlicht gibt, das gestreut werden könnte. Das klingt logisch, führt aber zur Frage: Warum leuchtet das restliche Licht der Sterne nicht den gesamten Himmel aus?

Dies ist als Olberssches Paradoxon bekannt. In einem unendlich alten und statischen Universum müsste der Nachthimmel so hell wie die Sonnenoberfläche sein. Da sich das Universum jedoch ausdehnt, wird das Licht ferner Galaxien in den Infrarotbereich verschoben, den wir nicht sehen können. Zudem ist das Universum nicht unendlich alt. Das Licht vieler Sterne hat uns schlicht noch nicht erreicht. Die anfängliche Frage, ist der Himmel immer blau, lässt sich also klar verneinen: In der Nacht blicken wir in die wahre Leere des Raums - ohne den schützenden, leuchtenden Schleier unserer Atmosphäre.

Vergleich der Himmelszustände

Klarer Tag

• Kürzester Weg durch die Atmosphäre

• Helles Blau bis Cyan

• Starke Rayleigh-Streuung kurzer Wellenlängen

Sonnenuntergang

• Bis zu 38-mal länger als am Mittag

• Rot, Orange, Pink

• Extremer Verlust blauer Anteile durch langen Weg

Bedeckter Himmel

• Diffuses Licht durch Mehrfachreflexion

• Weiß bis Dunkelgrau

• Mie-Streuung an großen Wassertröpfchen

Lukas und die Jagd nach dem perfekten Blau

Lukas, ein Hobbyfotograf aus München, wollte in den Alpen das tiefste Himmelsblau einfangen, das er je gesehen hatte. Er dachte, ein teurer Filter würde den Job allein erledigen, wurde aber enttäuscht, als seine Bilder im Tal eher milchig-blau aussahen.

Sein erster Versuch scheiterte an der Dunstschicht über der Stadt, die das Licht ungefiltert streute und den Kontrast ruinierte. Er war frustriert, weil seine Ausrüstung nicht die Ergebnisse lieferte, die er in Fachzeitschriften sah.

Er erkannte, dass er höher steigen musste, um die dichten Luftschichten und Aerosole unter sich zu lassen. Auf 2.500 Metern Höhe, wo die Luft dünner und sauberer ist, wurde die Streuung viel selektiver.

Die Aufnahmen waren ein Erfolg: Durch die geringere Partikeldichte wirkte der Himmel fast violett-blau. Lukas lernte, dass nicht die Kamera, sondern die Reinheit der Atmosphäre über die Farbsättigung entscheidet.