Die Farben des Himmels – bei Tag und bei Nacht

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Publikation:	1.7.2002
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Zu den spektakulärsten Phänomenen der Atmosphäre, in der wir leben, gehö­ren Regenbögen und Luftspiegelungen. Andere, genauso er­staunliche Phäno­mene sind uns so vertraut, dass wir sie meistens als selbst­verständlich hin­nehmen. "Der Himmel ist blau" ist eine Beobachtung, die wir täglich machen können (zumindest bei klarem Wetter!), aber diese scheinbare Banalität darf uns nicht daran hindern, die Frage zu stellen: "Warum ist der Himmel eigentlich blau?". Ebenso mag die Frage "Warum ist die Nacht schwarz?" naiv erscheinen, aber wir werden sehen, dass sie das nicht ist. Die Antworten auf diese Fragen lassen uns erstaunliche physikalische und astro­physikalische Phänomene ent­decken!

Warum ist der Himmel blau?

Wenn man den Himmel am Tage bei klarem Wetter betrachtet, ist er blau. Wenn man ein wenig darüber nachdenkt, stellt man fest, dass dies nicht so ganz selbstverständlich ist. Schließlich ist das Licht, das von der Sonne kommt, ja eher gelb und nicht blau, und die Luft ist ja anscheinend völlig transparent, und nicht etwa blau.

Lange hat man geglaubt, dass die blaue Himmelsfarbe auf die Streuung (das heißt die Ablenkung) des Lichts an in der Luft schwebenden Staub zurückzu­führen sei. Man dachte sogar, dass reine Luft (ohne Staub) Licht nicht streu­en würde. Heute weiß man, dass der englische Physiker Lord Rayleigh bereits 1899 die richtige Erklärung gefunden hatte: Die Streuung geht hauptsächlich auf die Moleküle der Luft selbst zurück.

Gäbe es keine Atmosphäre, dann wäre der Himmel auch am Tage schwarz und man könnte selbst mitten am Tag die Sterne sehen – die Sonne würde lediglich als ein (sehr großer) Stern erscheinen. Weil der Mond keine Atmosphäre hat, ist auf Bildern, die die Astronauten während der Apollo-Missionen auf dem Mond aufgenommen haben, der Himmel schwarz – obwohl die Besuche auch am (Mond-)Tag stattfanden.

Im Gegensatz zum Mond hat die Erde eine Atmosphäre, und diese wird durch das von der Oberfläche der Sonne ausgesandte Licht beleuchtet. Wenn dieses Licht auf ein Luftmolekül trifft (haupt­sächlich Stickstoff [N₂] und Sauerstoff [O₂]), wird es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit absorbiert und gleich anschließend wieder abgestrahlt. Allerdings erfolgt diese Abstrahlung in einer völlig beliebigen Richtung, es kann also auch zur Seite oder sogar zurück in die Richtung abgestrahlt werden, aus der es ursprünglich kam.

Abb. 1: Streuung von blauem und rotem Licht an Luftmolekülen

Das weiße Licht der Sonne setzt sich aus allen Farben zusammen. Unter­schiedliche Farben werden aber mit sehr unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit absorbiert und dann wieder abgestrahlt. Licht mit kurzen Wellenlängen, also z. B. blaues Licht, wird viel häufiger absorbiert als solches mit längeren Wel­lenlängen (rotes Licht). Das führt dazu, dass ein wesentlich größerer Anteil des roten Lichts fast ohne absorbiert (und wieder abgestrahlt) zu werden die gesamte Atmosphäre bis zu uns an der Erdoberfläche durchdringen kann. Umgekehrt "schafft" blaues Licht das viel häufiger nicht und wird stattdessen in alle möglichen Richtungen gestreut.

Wenn man also nicht genau in die Richtung der Sonne blickt, sondern an einen anderen Punkt des Himmels, so kommt durch diese "Streuungen" auch von dort Licht, nämlich gerade das Licht, das an Luftmolekülen absorbiert und anschlie­ßend in unsere Blickrichtung wieder abgestrahlt wurde. Da dies viel häufiger mit blauem als mit rotem Licht passiert, sieht das Licht, das nicht direkt von der Sonne kommt, sondern in der Atmosphäre gestreut wurde, blau aus.

Warum ist die auf- und untergehende Sonne rot?

Wenn man die Sonne anschaut, blickt man "in die Beleuchtungsachse". Wie wir weiter oben gesehen haben, enthält das ausgesandte Licht in diesem Fall mehr Rot als Blau.

Man sieht daher die Sonne röter als sie in Wirklichkeit ist, jedoch ist dieser Effekt im Zenit (also am Mittag) vernachlässigbar, da dort die durchquerte Luftschicht nicht sehr dick ist. Die vom Licht durchquerte Luftschicht ist dagegen am Morgen und Abend dicker. Dadurch verstärkt sich der Effekt, so dass er deutlich wahrnehmbar ist: Die Sonne selbst und die in Richtung der Sonne gesehene Atmosphäre erscheinen rot.

Abb. 2: Streuung des Lichts beim Durchqueren unterschiedlich dicker Atmosphären­schichten

Was ist das grüne Leuchten?

Manchmal hat man bei günstigen atmosphärischen Bedingungen das Glück, bei Sonnenuntergang einen grünen Strahl (das grüne Leuchten) zu beobachten, kurz bevor die Sonne hinter dem Horizont verschwindet.

Abb. 3: Grünes Leuchten bei Sonnenuntergang
(Foto: Mila Zinkova, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

Wie lässt sich dieses Phänomen erklären? Zusätzlich zur Streuung, von der wir gerade gesprochen haben, muss jetzt die Brechung des Lichts durch die Atmo­sphäre betrachtet werden. Lichtbrechung kann man beobachten, wenn man einen Stab in ein Glas Wasser taucht: Es sieht dann so aus, als sei der Stab an der Wasseroberfläche geknickt, was daher rührt, dass das Licht beim Wechsel des durchlaufenen Mediums (vom Wasser in die Luft) seine Richtung ändert. In der Atmosphäre wird das Sonnenlicht ebenfalls gebrochen und die Lichtstrahlen werden gekrümmt.

Wenn wir die untergehende Sonne beobachten, ist diese schon längst unter dem Horizont verschwunden; ihr Licht gelangt dennoch zu uns, weil es durch die Atmosphäre gebrochen (abgelenkt) wird. Dieses Phänomen wird auf der Seite über Luftspiegelungen detailliert dargestellt. Die verschiedenen Farben, aus denen sich das weiße Licht zusammensetzt, werden nicht unter dem glei­chen Winkel abgelenkt. Rot wird weniger stark abgelenkt als Grün oder Blau. Rot verschwindet daher als Erstes hinter dem Horizont, gefolgt von Orange und Gelb. Es bleiben also nur Grün, Blau und Violett und man sieht manchmal – wenn die Atmosphäre sehr klar ist – das berühmte grüne Leuchten. Warum sieht man kein blaues oder violettes Leuchten? Weil Blau und Violett wiederum am stärksten gestreut werden (siehe den Abschnitt "Warum ist der Himmel blau?") und daher praktisch kaum bis zum Beobachter gelangen.

Abb. 4: Zum Zustandekommen des grünes Leuchtens

Das grüne Leuchten ist in hohen Breiten (wo der Sonnenuntergang länger dau­ert) und über dem Ozean (wo der Horizont frei ist von Luftverschmutzungen) leichter zu beobachten.

Warum ist die Nacht schwarz?

Stellen wir zuerst klar, dass die Nacht aufgrund der Streuung des Sonnenlichts durch die Atmosphäre niemals vollkommen schwarz ist. Außerdem beleuchten der Mond und die Sterne unseren Planeten. Selbst bei mondlosem, bedecktem Himmel ist die Nacht nicht vollkommen schwarz.

Wenn wir in einem unendlich großen und ewig währenden Universum mit einer unendlichen Anzahl von Galaxien und Sternen lebten, müsste unser Blick, wo auch immer wir hingucken, das Licht kreuzen, das von einem dieser Sterne kommt: Der Himmel wäre überall so hell wie die Oberfläche der Sonne! Dieses zum ersten Mal von Kepler im 17. Jahrhundert erkannte Paradoxon wurde von einem Schriftsteller gelöst: Edgar Allen Poe hat 1848 ein Prosagedicht mit dem Titel "Eureka" veröffentlicht, aus dem hier ein Auszug wiedergegeben ist:

Were the succession of stars end­less, then the background of the sky would present us an uniform lumino­sity, like that displayed by the Gala­xy – since there could be absolutely no point, in all that background, at which would not exist a star. The only mode, therefore, in which, un­der such a state of affairs, we could comprehend the voids which our te­lescopes find in innumerable direc­tions, would be by supposing the distance of the invisible back­ground so immense that no ray from it has yet been able to reach us at all.

Gäbe es unendlich viele Sterne, würde der Himmelshintergrund gleichmäßig hell erscheinen, so hell wie die Milch­straße, da es keinen einzigen Punkt im All gäbe, an dem nicht ein Stern existierte. Um unter diesen Bedingungen die Leere zu verstehen, die unsere Teleskope in unzähligen Richtun­gen beob­achten, muss man an­neh­men, dass der unsichtbare Hintergrund so weit entfernt ist, dass uns von dort bisher kein Strahl je erreichen konnte.

Anders gesagt: Die Sterne des Himmelhintergrundes sind zu weit entfernt, als dass ihr Licht genügend Zeit gehabt hätte, zu uns zu gelangen. Diese Erklä­rung ist tatsächlich die richtige und beruht auf zwei wichtigen Pfeilern der modernen Physik und Astrophysik:

• Das Universum hat nicht schon immer existiert. Das ist eine der Grundla­gen der Urknalltheorie (zu Poes Zeiten noch unbekannt!): Das Universum entstand vor etwa 15 Milliarden Jahren und seitdem dehnt es sich aus.
• Das Licht breitet sich nicht mit unendlicher Geschwindigkeit aus: Es legt im Vakuum ca. 300 000 km pro Sekunde zurück.

Letzte Aktualisierung: 18.10.2017