Die Gewaltigkeit des Lichts

Warum ist der Himmel tagsüber blau? Und woher kommen die Rottöne am
Morgen und Abend? Und wohin verschwindet der blaue Himmel in der
Nacht?

Am Morgen und Abend oft rötlich oder violett, tagsüber blau, nachts
schwarz: Die Farben, die sich an unserem Himmel zeigen, decken den
gesamten Spektralbogen ab. Und damit nähern wir uns bereits der
Erklärung für die Vielfärberei über unseren Köpfen. Das Sonnenlicht
erscheint uns nur weiß, tatsächlich ist es bunt. Das erkennen wir
aber nur, wenn es gestreut und gebrochen wird, denn dann treten die
unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts in verschiedenen
Intensitäten hervor und wir nehmen die Farben wahr. Dabei kann es je
nach Wetterlage und Betrachtungswinkel zu ganz unterschiedlichen
Farbtönen am Firmament kommen.

Licht breitet sich wellenförmig aus. Wichtig für die Färbung des
Himmels ist die Wellenlänge. Diese beträgt zwischen 400 und 800
Nanometer. Trifft das Licht auf ein "Hindernis", z.B. auf Wasser oder
Eis, aber auch Ruß und Staub in der Luft, so wird der Lichtstrahl
abgelenkt oder gebrochen. Je nach Wellenlänge des Lichts, wird dieses
unterschiedlich gebrochen und gestreut und der Himmel färbt sich ein.


Das tägliche Himmelblau und auch Morgen- und Abendrot beruhen auf der
Streuung des Lichts an in der Atmosphäre vorhandenen Teilchen
(Molekülen). Tagsüber muss das Licht bzw. die Welle nur einen relativ
kurzen Weg durch die Atmosphäre bis zum Betrachter am Erdboden
zurücklegen, es erreichen also alle Farbanteile des gestreuten Lichts
den Beobachter am Boden. Jedoch wird der kurzwellige Anteil stärker
gestreut und der Himmel erscheint blau. Diese Erkenntnis und das
wissenschaftliche Prinzip dahinter gehen auf John William Strutt,
dritter Baron Rayleigh zurück. Ihm zu Ehren heißt die Streuung des
Lichts an kleinen Teilchen in der Atmosphäre Rayleigh-Streuung.

Beim Morgen- und Abendrot muss das Licht einen längeren Weg bis zum
Beobachter zurücklegen. Nun wird der kurzwellige Anteil, also das
blaue Licht, durch weitere Streuung herausgefiltert und der
langwellige, rötliche Anteil erreicht den Beobachter. Daher sieht der
Himmel am Morgen und am Abend häufiger rot oder pink, manchmal auch
violett aus.

In der Nacht, wenn die Sonne die andere Seite der Erde erhellt, kann
sich an den Molekülen in der Atmosphäre über uns kein oder nur sehr
wenig Licht brechen und wir blicken (zumindest in wolkenlosen
Nächten) in den schwarzen Sternenhimmel.

Neben der Rayleigh-Streuung gibt es noch die Mie-Streuung. Sie
erklärt die Streuung des Lichts an relativ großen Partikeln in der
Luft, wie zum Beispiel Ruß oder Staub oder auch großen Wassertropfen.
Dabei wird das Licht weitgehend wellenlängenunabhängig und somit als
weißes Licht gestreut. Daher erscheinen Wolken auch meist weiß.

Bei Gewittern muss das Sonnenlicht durch recht kompakte Wolken und es
wird an den Tröpfchen und Eiskristallen in der Wolke mehrfach
gestreut. Je nach Sonnenstand erscheint eine Wolke dann schon mal
grün, bei tief stehender Sonne auch gelb.

Ein Beispiel für Brechung des Lichts ist der Regenbogen. In diesem
Fall tritt das Licht in einen Wassertropfen ein und auch wieder aus.
Dabei wird das Licht in seine Spektralfarben zerlegt, so wie bei der
Lichtbrechung an einem Prisma. Jedoch sind die Farben beim Regenbogen
nicht so scharf voneinander getrennt, wie es beim Prisma der Fall
wäre. Ursache für die teilweise Mischung der Farben ist die Reflexion
des Lichtstrahls an unterschiedlichen Stellen der Tropfenfläche und
ihre erneute Ablenkung beim Austritt. Die besten Voraussetzungen für
einen Regenbogen sind leichter Regen vor dem Beobachter sowie die
relativ tief stehende Sonne in seinem Rücken.

Dipl.-Met. Jacqueline Kernn
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 19.04.2020

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst