Warum ist der Himmel blau?

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Warum ist der Himmel blau?

Hast du dich schon einmal gefragt, warum der Himmel am Tag blau ist? Und warum er am Abend rot erscheint? Um das zu verstehen, wollen wir uns im Folgenden die physikalische Erklärung für den blauen Himmel ansehen.

Die Spektralfarben des Lichts

Bestimmt weißt du schon, dass sich das weiße Licht der Sonne in Licht verschiedener Farben auffächern lässt. Das sogenannte sichtbare Licht ist Teil des elektromagnetischen Spektrums. Schau dir zur Vertiefung dieses Themas gerne das Video zur elektromagnetischen Welle an.

Die Auffächerung des Sonnenlichts können wir uns anhand eines einfachen Beispiels ansehen: Wir halten ein dreieckiges Glasprisma so ins Sonnenlicht, dass es beim Durchqueren des Prismas an zwei Grenzflächen gebrochen wird (Grenzfläche 1: Übergang von Luft zu Glas, Grenzfläche 2: Übergang von Glas zu Luft). Ein paar Regeln zu dieser Ablenkung des Lichts kannst du im Video zur Lichtbrechung lernen.

Wie du in der Abbildung erkennen kannst, wird Licht mit kleinerer Wellenlänge, zum Beispiel blaues Licht, stärker gebrochen (abgelenkt) als Licht mit großer Wellenlänge, zum Beispiel rotes Licht.

Licht kann aber nicht nur an den Grenzflächen von Prismen abgelenkt werden, sondern auch an kleinen Teilchen. Das bezeichnet man als Streuung. Brechung und Streuung beruhen auf unterschiedlichen physikalischen Phänomenen. Mithilfe der Brechung an Übergängen zwischen Medien kann man, zum Beispiel anhand des Glasprismas, gut veranschaulichen, dass Licht in unterschiedliche Spektralfarben zerlegt werden kann. Die Streuung hingegen beschreibt die Wechselwirkung des Lichts mit kleinen Teilchen und ist das, was zur blauen Farbe des Himmels führt. Daher konzentrieren wir uns im Folgenden auf die Streuung.

Die Streuung in der Erdatmosphäre

Auf dem Weg zur Erdoberfläche muss das Sonnenlicht die Erdatmosphäre durchqueren. Diese setzt sich zu einem großen Teil aus Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen zusammen, enthält aber auch Staubteilchen und mikroskopisch kleine Partikel. Da diese Moleküle und Teilchen kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, spricht man in diesem Fall auch von Rayleigh-Streuung. Diese ist umso stärker, je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist: Blaues Licht wird also stärker gestreut als rotes Licht.

Der blaue Himmel am Tag

Am Tag steht die Sonne hoch am Himmel. Das Sonnenlicht trifft deswegen in einem relativ steilen Winkel auf die Atmosphäre. Dadurch ist der Weg, den das Sonnenlicht in der Atmosphäre zurücklegen muss, kurz. Dabei wird das kurzwellige Licht, also zum Beispiel blaues Licht, an den Teilchen der Erdatmosphäre besonders häufig gestreut. Bei der Streuung kann das Licht in alle möglichen Richtungen abgelenkt werden – zum Beispiel in Richtung des Betrachters.

Was passiert nun, wenn wir zum Himmel schauen? Wenn wir uns die Sonne ansehen, nehmen wir die direkten Sonnenstrahlen wahr. Das Licht ist sehr hell und wirkt nahezu weiß (es setzt sich ja aus vielen Farben zusammen). Wenn wir aber neben die Sonne blicken, also auf den Himmel, dann nehmen wir das Licht wahr, das an den Molekülen in der Luft gestreut werden. Da das hauptsächlich die kurzwelligen Anteile sind, wirkt der Himmel blau. An einem klaren Tag wird das Prinzip besonders deutlich, wenn du in unterschiedliche Richtungen blickst: Wenn du die Sonne im Rücken hast, siehst du fast nur gestreutes Licht und der Himmel ist tiefblau. Blickst du grob in Richtung der Sonne, nehmen die direkten Strahlen zu. Der Himmel ist heller und weniger blau.

Doch warum erscheint uns der Himmel blau und nicht violett? Violettes Licht hat doch sogar noch kürzere Wellenlängen als blaues Licht und wird somit noch häufiger gestreut. Das liegt daran, dass die Zellen in unseren Augen, mit denen wir sehen können, viel sensitiver für das blaue als für das violette Licht sind.

Der rote Himmel am Abend

Am Abend ist der Winkel, in dem die Sonnenstrahlen auf die Atmosphäre treffen, flacher. Dadurch muss das Licht einen deutlich längeren Weg durch die Erdatmosphäre zurücklegen als bei Tag. Es trifft also auf mehr Moleküle als zuvor. Das führt dazu, dass das blaue Licht so häufig abgelenkt wird, dass die Wahrscheinlichkeit dafür, dass es in unsere Richtung abgelenkt wird, immer geringer wird. Häufig erreicht es unsere Augen also nicht – man sagt auch, dass der blaue Anteil des Sonnenlichts weggestreut wird. Das langwellige rote Licht kommt aber noch bei uns an: Es wird auf dem Weg zu uns deutlich seltener abgelenkt. Somit erscheint uns der Himmel nun rot.

Der Himmel anderer Himmelskörper und Planeten

Wir haben nun gelernt, dass die Himmelsfarbe durch die Streuung an Molekülen in der Erdatmosphäre entsteht. Wie die Himmelsfarbe anderer Himmelskörper und Planeten aussieht, hängt stark davon ab, ob es dort eine Atmosphäre gibt und wie diese zusammengesetzt ist. Der Mond hat zum Beispiel gar keine Atmosphäre – das Sonnenlicht wird nicht gestreut und der Himmel des Mondes wirkt immer schwarz.

Dieses Video

In diesem Video wird dir auf einfache Weise erklärt, warum der Himmel blau ist. Du lernst außerdem, warum er sich abends rot verfärbt und wie der Himmel anderer Himmelskörper aussieht. Auch zu dem Thema Warum ist der Himmel blau? aus der Physik findest du Übungen und ein Arbeitsblatt.