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Warum der Himmel eigentlich nicht blau ist

Wenn es nach den Physikern ginge, müsste der Himmel violett sein

Der große Isaac Newton hatte nicht immer Recht. So vermutete er, dass Wasserdampf oder Wassertröpfchen in der Atmosphäre den Himmel blau färben. Heute wissen die Physiker, dass die Luftmoleküle selbst für die Färbung des Himmels verantwortlich sind. Dummerweise sagen ihre Theorien aber eine Violettfärbung voraus. Erst die Funktionsweise der menschlichen Farbwahrnehmung erklärt, warum der Himmel dem Menschen blau erscheint.

Warum der Himmel eigentlich nicht blau ist

Obwohl Newton falsch lag, lieferte er doch einen wichtigen Beitrag zur Erklärung der Himmelsfarbe. Er war der erste, der mit einem Prisma systematisch die schon früher bekannte Aufspaltung des weißen Sonnenlichts in die Regenbogenfarben untersuchte. Auch mit seiner Wasserdampf-Vermutung lag er nicht vollkommen daneben. Denn es ist tatsächlich so, dass Licht, das eine mehrere Meter dicke Wasser- oder Eisschicht durchquert hat, blau erscheint, weil Wasser den Rotanteil aus dem weißen Licht herausfiltert.

Doch die Wasserdampfmenge in der Atmosphäre reicht bei weitem nicht für die Blaufärbung des Himmels aus. Zudem dürfte der Himmel – wenn Newton Recht gehabt hätte – bei trockener Luft gar nicht blau erscheinen. Doch das Gegenteil ist der Fall: Bei trockener Luft leuchtet das Blau des Himmels viel intensiver als bei hoher Luftfeuchtigkeit.

Der Wahrheit näher kam da schon der Ire John Tyndall (1820 bis 1893). Er hatte im Jahr 1869 entdeckt, dass Wasser, dem beispielsweise ein wenig Milch oder Seife zugemischt wurde, blaues Licht stärker streut als rotes. Tyndalls Theorie zufolge geschieht in der Atmosphäre ähnliches: Dort sind es demnach Staubteilchen, die das Blau des Sonnenlichts stärker streuen als das Rot. Die Folge: Während sich ein großer Teil des rötlich gefärbten "Restlichts" geradlinig durch die Atmosphäre hindurchbewegt, wird das Blau in alle mögliche Richtungen gestreut – so auch nach unten auf den Erdboden, wo wir es sehen.

So ganz nebenbei folgt daraus auch gleich die Erklärung für das Morgen- und Abendrot: Wenn die Sonne nur knapp über dem Horizont steht, muss ihr Licht bis in unsere Augen einen weiteren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Deshalb fehlt diesem Licht viel mehr Blau als dem Licht, das uns mittags von der Sonne erreicht. Die Folge: Es erscheint rot. 

Lord Rayleigh (1842 bis 1919) untermauerte Tyndalls Beobachtungen im Jahr 1871 mit theoretischen Berechnungen. Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, lässt sich ausrechnen, welche Wirkung das Licht auf die Elektronen eines Moleküls hat. Diese werden nämlich durch das Licht in Schwingungen versetzt und strahlen dann ihrerseits wieder Licht ab. Überwiegend geschieht diese Aufnahme und Wiederabgabe des Lichts "elastisch". Das bedeutet, das Molekül strahlt genauso viel Energie ab wie es aufgenommen hat. Oder einfacher ausgedrückt: Bei diesem gesamten Vorgang, den man heute Rayleigh-Streuung nennt, behält das Licht seine Farbe.

Aber das Blau des Sonnenlichts wird stärker gestreut als das Rot, so fand Rayleigh in seinen Rechnungen heraus. Oder genauer: Die Intensität des gestreuten Lichts ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge des Lichts. Das heißt, violettes Licht wird sehr viel stärker gestreut als rotes Licht mit seiner fast doppelt so großen Wellenlänge. Über den Daumen gepeilt wird Violett damit 2 hoch 4, also 16-mal stärker gestreut als Rot. Blau wird immerhin noch etwa siebenmal so stark gestreut wie Rot.

Bis auf den rätselhaften Umstand, dass der Himmel eigentlich viel violetter als blau sein müsste, hatte Rayleigh mit seinen Berechnungen Tyndalls Beobachtungen bestätigt – allerdings mit einer weiteren Einschränkung: Die von Rayleigh hergeleitete Formel gilt für die Streuung an Teilchen, die klein im Vergleich zu den Wellenlängen des Lichts sind. Das mag zwar für kleinere Fremdteilchen in der Luft so gerade noch zutreffen, aber es trifft erst recht für die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Luft selbst zu. Tyndalls Annahme, es müssten Staubteilchen in der Luft vorhanden sein, um die Blaufärbung des Himmels zu erklären, war also falsch. Die Luftteilchen selbst erledigen den Job genauso gut.

Es bleibt ein Problem: Warum ist der Himmel nicht violett? Die Antwort folgt aus der Funktionsweise der menschlichen Farbwahrnehmung. Das menschliche Auge ist für Violett sehr viel unempfindlicher als für Blau. Zudem werden ja auch alle anderen Farben von Grün über Gelb bis Rot schwach gestreut und vermischen sich mit dem Blau und Violett. Doch diese Information gelangt nicht ins Gehirn. Aus den verschiedenen gleichzeitig vorhandenen Farbanteilen im Licht "errechnet" bereits die Netzhaut einen Ergebnisfarbton. Im Fall der Himmelsfarbe kann dieses Ergebnis aufgrund der Violettschwäche des Auges nur "Blau" lauten.

Hinzu kommt noch, dass ein Teil des Violetts in den höheren Atmosphärenschichten aus dem Sonnenlicht herausgefiltert wird und somit fehlt. Zudem ist die Intensität des Violetts im Sonnenlicht von vorneherein geringer als die der anderen Farben. Dass in dem Sonnenlicht, das uns erreicht, noch ausreichende Violettanteile vorhanden sind, zeigt jeder Regenbogen.

Quelle:
www.Farbimpulse.de und Brillux
http://www.farbimpulse.de/Warum-der-Himmel-eigentlich-nicht-blau-ist.186.0.html

31.08.2005