Warum ist der Himmel blau? Rayleigh-Streuung einfach erklärt

Das tiefe Blau an einem klaren Tag ist keine Eigenschaft der Luft selbst. Es entsteht, weil weißes Sonnenlicht in der Atmosphäre gestreut wird. Der Himmel hat keine eigene Farbe – was wir sehen, hängt davon ab, wie Licht mit den Molekülen über uns wechselwirkt.

Sonnenlicht ist eine Mischung aus Farben

Sonnenlicht ist nicht einfarbig. Es enthält alle Farben des Regenbogens: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Jede Farbe hat eine andere Wellenlänge:

• Rotes Licht ist langwellig (etwa 700 Nanometer).
• Blaues Licht ist kürzer (etwa 450 Nanometer).
• Violett hat die kürzeste sichtbare Wellenlänge (etwa 400 Nanometer).

Kommen alle Farben gemeinsam an, sehen wir Weiß. Deshalb kann ein Prisma einen Sonnenstrahl in ein Farbband zerlegen.

Rayleigh-Streuung: winzige Moleküle, große Wirkung

Auf seinem Weg durch die Atmosphäre trifft Sonnenlicht auf Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, aus denen die Luft größtenteils besteht. Diese Moleküle sind viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Trifft Licht auf so kleine Teilchen, wird es in alle Richtungen gestreut.

Der entscheidende Punkt: Die Stärke der Streuung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Wird die Wellenlänge nur etwas kürzer, steigt die Streuung stark an. Der britische Physiker Lord Rayleigh beschrieb diesen Zusammenhang 1871 – daher der Name Rayleigh-Streuung.

Eine kleine Rechnung zeigt, wie groß der Unterschied ist:

Blaues Licht wird fast sechsmal stärker gestreut als rotes. Egal, wohin du am Himmel schaust: Das Licht, das von dort in dein Auge fällt, ist überwiegend gestreutes blaues Licht.

Warum Blau und nicht Violett?

Die Tabelle wirft sofort eine Frage auf: Wenn Violett noch stärker gestreut wird, warum ist der Himmel dann nicht violett? Dafür gibt es drei Gründe:

1. Die Sonne strahlt weniger Violett ab. Im Sonnenspektrum ist der Anteil von Violett deutlich kleiner als der von Blau.
2. Die obere Atmosphäre schluckt einen Teil. Violettes und ultraviolettes Licht wird teilweise in großer Höhe absorbiert, vor allem von der Ozonschicht.
3. Unsere Augen sehen Violett schlecht. Die farbempfindlichen Zapfen in der Netzhaut reagieren am stärksten auf Grün-Gelb und am schwächsten auf Violett. Das Gehirn deutet die Lichtmischung deshalb als „Himmelblau“.

Im Himmelslicht steckt also durchaus Violett – Augen und Gehirn machen daraus aber Blau.

Warum ist das Abendrot rot?

Mittags steht die Sonne hoch, und ihr Licht durchquert eine vergleichsweise dünne Luftschicht. Beim Sonnenuntergang steht sie nahe am Horizont, und das Licht muss eine um ein Vielfaches dickere Atmosphärenschicht durchqueren.

Auf diesem langen Weg wird das blaue Licht immer wieder weggestreut und erreicht uns nicht mehr direkt. Übrig bleibt das orange und rote Licht, das kaum gestreut wird. Staub, Rauch oder Vulkanasche in der Luft können die Farben noch verstärken.

Warum sind Wolken weiß – und manchmal grau?

Wassertröpfchen und Eiskristalle in Wolken sind tausendfach größer als Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle. Teilchen dieser Größe streuen alle Farben etwa gleich stark, ohne sie nach Wellenlänge zu sortieren. Man spricht von Mie-Streuung. Werden alle Farben gleichmäßig gestreut, wirkt die Mischung weiß.

Ist eine Wolke sehr dick, wird das meiste Licht in ihrem Inneren gestreut und absorbiert, und unten kommt nur wenig an. Deshalb sehen Regenwolken dunkelgrau aus.

Welche Farbe hat der Himmel auf anderen Planeten?

Die Himmelsfarbe hängt davon ab, woraus eine Atmosphäre besteht:

• Mars: Feiner Staub in der dünnen Atmosphäre streut rotes Licht stärker. Der Taghimmel ist rötlich-braun, Sonnenuntergänge wirken überraschend bläulich.
• Mond: Ohne Atmosphäre ist der Himmel selbst tagsüber schwarz.
• Uranus und Neptun: Methan absorbiert rotes Licht, deshalb erscheinen diese Planeten blaugrün.

Kurz gesagt

Ein blauer Himmel entsteht aus drei Zutaten: weißem Sonnenlicht, winzigen Luftmolekülen, die kurze Wellenlängen viel stärker streuen als lange, und der Art, wie unsere Augen Farben wahrnehmen. Dieselbe Physik erklärt auch das Abendrot, weiße Wolken und den seltsamen Himmel auf dem Mars.