Die Farben des beobachteten Himmels ändern sich je nach Tageszeit. Bei wolkenlosem Himmel ist mittags ein intensives Blau zu sehen, aber schon bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang erscheinen Gelb, Orange und Rot. Die Farben, die wir am Himmel beobachten, werden durch ein optisches Phänomen namens Rayleigh-Streuung verursacht.
Licht als elektromagnetische Welle
Das von der Sonne kommende Licht ist nichts anderes als eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Strahlung ist eine der Möglichkeiten, Energie im Raum zu verbreiten. Ordnet man elektromagnetische Wellen nach ihren charakteristischen Parametern, z.B. Frequenz, Länge usw., so erhält man ein Spektrum (auch elektromagnetisches Wellenspektrum genannt). Das elektromagnetische Spektrum präsentiert alle Arten von Strahlung, die im Universum vorkommen.
Das sichtbare Licht (Bereich 380 nm bis 780 nm), also das, was wir wahrnehmen können, ist nur ein kleiner Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums. Es verhält sich sowohl wie eine Welle als auch wie ein Strom von Teilchen. Dieses Phänomen wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Weißes Licht entsteht durch die Überlagerung mehrerer einfacher Farben, der so genannten Grundfarben. Man kann sie zum Beispiel als Regenbogen sehen (weißes Licht, das sich an Wassertröpfchen spaltet). In dem Teil des elektromagnetischen Spektrums, der für weißes Licht steht, hat Rot die längste und Violett die kürzeste Wellenlänge.
Warum sehen wir bestimmte Farben?
Jedem Bereich des weißen Lichtspektrums sind bestimmte Farben zugeordnet. Wenn diese Strahlung auf ein Objekt trifft, wird sie von diesem absorbiert oder reflektiert. Ein Blatt zum Beispiel, das Licht empfängt, absorbiert es, allerdings mit Ausnahme der Wellenlänge, die der Farbe Grün entspricht. Der nicht absorbierte Teil des Spektrums wird in alle Richtungen gestreut. Ein Teil dieser Strahlung erreicht das Auge, und das Gehirn „erkennt“, dass es sich um die Farbe Grün handelt. Andere Farben, wie zum Beispiel das Rot einer Erdbeere, nehmen wir auf ähnliche Weise wahr. Mehr zu diesem Thema hier.
Rayleigh-Streuung
Wenn wir in den Himmel schauen, beobachten wir eigentlich den Teil der Atmosphäre, der von der Erdoberfläche aus sichtbar ist. Eine Lichtwelle, die von der Sonne kommt, legt keine geradlinige Strecke zurück. Auf seinem Weg stößt sie auf zahlreiche Hindernisse. Dazu gehören alle Arten von Partikeln (hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff), Staub, Wassertröpfchen und Eiskristalle, die in der Luft schweben. Diese bewirken, dass sichtbares Licht gestreut, reflektiert oder absorbiert wird. Damit die Strahlung die Erde erreichen kann, muss sie all diese Hindernisse überwinden. Es hat sich herausgestellt, dass das Licht beim Auftreffen auf Schwebeteilchen in der Atmosphäre gestreut wird und von dem gesamten Spektrum die Farbe Blau am stärksten gestreut ist. Dieser Effekt wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet und ist für die blaue Farbe des Himmels verantwortlich.
Im Jahr 1899 bewies John Rayleigh, dass die Intensität des gestreuten Lichts umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge ist. Daraus folgt, dass blaues Licht (das wir am Himmel sehen) viermal stärker gestreut wird als rotes Licht, weil es im Spektrum des weißen Lichts einen kürzeren Wellenlängenbereich hat. Die Wellenlängen, die für die Farbe Violett verantwortlich sind, sind jedoch kürzer, so dass der Himmel violett sein sollte. Warum ist es nicht so? Ein Grund für dieses Phänomen ist, dass die Intensität der violetten Strahlung, die die Erde erreicht, viel geringer ist. Außerdem sind unsere Augen für violettes Licht mehrere hundert Mal weniger empfindlich als für blaues Licht.
Andere Farben des Himmels
Die Art, wie wir den Himmel wahrnehmen, ist auf das Phänomen der Rayleigh-Streuung zurückzuführen, die besagt, dass kurze Wellenlängen, die für die Farbe Blau verantwortlich sind, viel stärker gestreut sind als lange Wellenlängen. Die Farbe des Himmels ändert sich jedoch im Laufe des Tages. Blauer Himmel wird nur für einige Stunden am Mittag beobachtet. Warum ändert sich die Farbe bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang?
Warum ändert sich die Färbung des Himmels, je weiter die Sonne untergeht, von Blau über Gelb bis hin zu intensivem Rot? Sie bezieht sich auf die Strecke, die die Sonnenstrahlen zurücklegen müssen, um die Erde zu erreichen. Je tiefer die Sonne auf dem Firmament scheint, desto größer ist diese Entfernung. Weißes Licht fällt also in einem geringen Winkel ein, und die Wellen kürzerer Wellenlängen, d.h. die der Farben Violett und Blau, werden gestreut und erreichen das Auge des Betrachters nicht. Nur die für lange Wellenlängen charakteristischen Farben, d.h. Gelb und Rot, sind sichtbar. Sie verursachen die charakteristische Färbung des Himmels bei Sonnenuntergang.
Interessant ist, dass sich die von Rayleigh vorgeschlagene Formel auf die Streuung an kleinen, in der Atmosphäre schwebenden Teilchen bezieht. Sie gilt zum Beispiel nicht für Wassertröpfchen oder Eiskristalle. Die Streuung an größeren Individuen wird durch die Mie-Streuung erklärt, die 1908 beschrieben wurde. Sie besagt, dass einfallendes weißes Licht, z. B. auf Wolken, die aus Wasser- und Eisteilchen bestehen, unabhängig von der Wellenlänge gleichmäßig gestreut wird. Dies hat zur Folge, dass die Wolken als weiße Wolken sichtbar sind.
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