Warum ist der Himmel blau?

Warum ist der Himmel blau? Am Mond ist der Himmel schwarz (außer Sterne und die helle Sonne). Auf der Erde ist der Himmel blau, weil wir eine Atmosphäre haben. Was passiert dort genau?

Der Himmel ist blau, weil Luftmoleküle das Sonnenlicht streuen. Blaues Licht wird dabei viel stärker gestreut als rotes. Darum kommt aus vielen Richtungen blaues Streulicht in unser Auge.

Wikipedia: Erdatmosphäre | Sonnenlicht | Wellenlänge | Rayleigh-Streuung | Mie-Streuung | Sonnenuntergang

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Hintergrund

Sonnenlicht wirkt weiß, ist aber eine Mischung aus vielen Farben. Diese Farben unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge: Blau hat eine kürzere Wellenlänge als Rot.

In der Erdatmosphäre gibt es sehr viele kleine Teilchen: Luftmoleküle (zum Beispiel Stickstoff und Sauerstoff). Sie sind viel kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Darum passiert vor allem Rayleigh-Streuung: Licht wird in viele Richtungen abgelenkt.

Dabei gilt: Kurzwelliges Licht wird stärker gestreut als langwelliges. Darum wird Blau viel stärker gestreut als Rot. Wenn wir in den Himmel schauen, sehen wir viel blaues Streulicht.

Am Mond gibt es praktisch keine Atmosphäre. Darum wird das Sonnenlicht kaum gestreut. Nur dort, wo direkt Licht in dein Auge kommt, siehst du etwas hell. Der Rest des Himmels bleibt schwarz.

Warum wird der Himmel am Abend oft rot? Wenn die Sonne tief steht, geht ihr Licht einen längeren Weg durch die Luft. Unterwegs wird besonders viel Blau schon weggestreut. Das Licht, das dann noch direkt bei uns ankommt, wirkt rötlich-gelb.

Warum sind Wolken meistens weiß oder grau? Wolken bestehen aus Wassertröpfchen oder Eiskristallen. Diese Teilchen sind viel größer als Lichtwellen. Dann wirkt Mie-Streuung: Viele Farben werden ähnlich stark gestreut. Die Mischung wirkt weiß. Wenn wenig Licht durchkommt, wirkt es grau oder fast schwarz.

Fragen

1. Warum ist der Himmel am Mond schwarz, obwohl dort auch Sonnenlicht ankommt?
2. Warum streut die Atmosphäre blaues Licht stärker als rotes?
3. Warum wird der Himmel bei Sonnenuntergang oft rot oder orange?
4. Warum sind Wolken meist weiß, obwohl der Himmel blau ist?
5. Warum wirkt der Himmel manchmal milchig-weiß (Dunst)?

Rechnungen

Rechnung 1: Wie viel stärker wird Blau als Rot gestreut?
(Bei Rayleigh-Streuung gilt grob: Streuung ∼ 1/λ⁴.)

Lösung ausklappen

Wir nehmen typische Wellenlängen: rot 650 nm, blau 450 nm.

$$\left(\frac{650}{450}\right)^4\approx 4{,}4$$

Ergebnis: Blau wird ungefähr 4,4-mal stärker gestreut als Rot.

Rechnung 2: Frequenz von blauem und rotem Licht (grobe Rechnung)
Zusammenhang: c = λ · f

Lösung ausklappen

Wir verwenden c = 3,0 · 10⁸ m/s. Blau: λ = 450 nm = 450 · 10⁻⁹ m.

$$f_{\text{blau}}\approx\frac{3{,}0\cdot10^8}{450\cdot10^{-9}}\,\text{Hz}\approx 6{,}7\cdot10^{14}\,\text{Hz}$$

Rot: λ = 650 nm → Frequenz ist kleiner.

$$f_{\text{rot}}\approx\frac{3{,}0\cdot10^8}{650\cdot10^{-9}}\,\text{Hz}\approx 4{,}6\cdot10^{14}\,\text{Hz}$$

Ergebnis: Blau hat eine höhere Frequenz als Rot.

Immer noch interessiert?

1. Raumzeit-Podcast: RZ052 Solar Orbiter
2. Suche nach „Rayleigh-Streuung“ und „Mie-Streuung“: Wann wirkt welche Streuung?
3. Beobachte: Wie verändert sich die Himmelsfarbe bei Dunst, Nebel oder nach einem Gewitter?

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Wichtige Wörter: der Himmel, die Atmosphäre, das Sonnenlicht, die Streuung, die Rayleigh-Streuung, die Mie-Streuung, die Wellenlänge, die Frequenz, das Streulicht, der Sonnenstand, der Sonnenuntergang, streuen, ablenken, sichtbar, kurzwelliger, langwelliger

Was muss ich mir merken?
Die Atmosphäre streut Sonnenlicht. Blau wird viel stärker gestreut als Rot, darum wirkt der Himmel tagsüber blau. Bei tiefem Sonnenstand ist Blau schon weitgehend weggestreut – dann bleiben eher Rot und Gelb übrig (Abendrot).