Warum ist der Himmel blau?


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
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 09.03.2021

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