Die Frage, warum der Himmel blau ist, hat sich sicherlich jeder schon einmal gestellt. Doch blau ist nicht gleich blau. Während man am Wochenende zumindest in der Südhälfte einen tief blauen Himmel beobachten konnte, war das Blau vor einer Woche milchig trüb. Im heutigen Thema des Tages wollen wir diesen Phänomenen auf den Grund gehen.

Die Himmelsfarben haben etwas mit der Streuung des Sonnenlichtes in der Atmosphäre zu tun. Das Sonnenlicht selbst erscheint hellweiß. Tatsächlich setzt es sich allerdings aus den bekannten Regenbogenfarben von violett, blau, grün über gelb bis hin zu rot zusammen. Dabei entsprechen verschiedene Farben jeweils separaten Wellenlängen. Je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher das Licht und umso mehr verschiebt sich die Farbe Richtung violett. Langwelligeres Licht ist energieärmer und geht daher eher ins Rötliche. Die höchste Strahlungsintensität hat die Sonne bei einer Wellenlänge von etwa 550 nm, was etwa gelbgrün entspricht. Trifft nun dieses Licht auf Partikel oder Moleküle in der Atmosphäre, so wird es in verschiedene Richtungen abgelenkt, ähnlich wie ein Wasserstrahl, der auf ein Hindernis trifft.

Dies ist natürlich nur eine sehr vereinfachte Darstellung. Für die Experten, die es genauer wissen wollen, muss man in die Atomphysik gehen. (Für das Allgemeinverständnis kann dieser Abschnitt auch übersprungen werden.) Das Licht besteht aus Lichtquanten, den sogenannten Photonen. Bei einem Streuprozess trifft ein Photon auf eine Elektron, das sich in einer Wolke um den Atomkern bewegt. Es wird von diesem Elektron absorbiert, wobei das Elektron dessen Energie aufnimmt und in einen angeregten, also energiereicheren Zustand übergeht. Diese Energiemenge gibt das Elektron in Form eines neuen Photons aber sofort wieder ab, wobei das Elektron wieder in den Ausgangszustand zurückfällt. Das neue Photon fliegt nun aber in eine andere Richtung, sodass der Eindruck entsteht, dass das Licht abgelenkt wird. Da das neue Photon exakt dieselbe Energiemenge wie das alte Photon hat, hat das gestreute Licht auch dieselbe Farbe.

Ist das streuende Partikel deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes, was bei Molekülen der Fall ist, so ist die Stärke der Streuung von der Wellenlänge abhängig. Man spricht dann auch von Rayleigh-Streuung (nach dem englischen Physiker Baron Rayleigh 1846 -1919). Das heißt, blaues oder violettes Licht wird deutlich stärker gestreut als rotes. So erscheint der Himmel durch die Streuung der Sonnenstrahlen an Molekülen blau.

Sind die streuenden Partikel jedoch gleichgroß oder größer als die Wellenlänge des Lichtes, so wird das Licht über alle Wellenlängen gleich stark gestreut (Mie-Streuung nach dem Physiker Gustav Mie 1868 ? 1956). Somit erscheint das gestreute Licht weiß. Größere Partikel hat man beispielsweise bei Dunst, verschmutzter Luft oder wie vergangene Woche bei Saharastaub. Dann erscheint das Blau des Himmels hellblau oder leicht milchig-trüb. Hat man allerdings nur wenige große Partikel in sehr trockner Luft, sowie es an diesem Wochenende der Fall war oder wie man es häufig im Gebirge erlebt, so hat man kaum Mie-Streuung und der Himmel zeigt sich tiefblau.

Dipl.-Met. Christian Herold

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Offenbach, den 09.03.2021

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