Warum ist der Himmel blau?

Da anzunehmen ist, dass Sie im Augenblick nicht mit Virgin Galactic fliegen, sehen Sie tagsüber aus dem Flugzeugfenster wahrscheinlich einen blauen Himmel. »Warum ist der Himmel blau?«, ist eine der Fragen, die die meisten Kinder irgendwann stellen. Und häufig bekommen sie darauf Antworten, die ziemlich weit von dem tatsächlichen Grund entfernt sind. Es handelt sich nicht, wie manche meinen, um eine Reflexion vom blauen Meer. In viktorianischer Zeit dachte man, Staub und andere Partikel im Himmel würden den blauen Ton erzeugen – doch in Wirklichkeit ist die Quelle subtiler: Es handelt sich um eine direkte Wechselwirkung von Luftmolekülen und ankommendem Sonnenlicht.

Das sichtbare Licht hat eine Reihe von Farben, die wir beim Regenbogen sehen können und von Rot bis Violett reichen. Die traditionellen Farbunterscheidungen (Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett) im Regenbogen sind willkürlich und stellen eine Trennung dar, die von Isaac Newton stammt. Wenn Sie sich ein komplettes Lichtspektrum ansehen, können Sie entweder meinen, es hätte Millionen von Farbnuancen oder fünf oder sechs breite Farbbänder – kaum jemand kann sieben Farben im Regenbogen erkennen.

Es ist nicht ganz sicher, warum Newton die Anzahl von sieben Farben, darunter jene unbekannten Schattierungen Indigo und Violett, gewählt hat, aber viele meinen, dass er eine Parallele zur Musik gesucht hat. Das musikalische »Spektrum« hat sieben Noten. C bis h, und dann wieder C zur Komplettierung der Oktave. Newton hatte wohl das Gefühl, es sollten auch sieben Farben im sichtbaren Spektrum sein, und zwang uns dieses merkwürdige Set auf. Witzigerweise hätte das Spektrum hundert Jahre früher nicht so benannt werden können. Orange wurde erst kurz vor Newtons Geburt zur Bezeichnung für eine Farbe. Vorher war nur die Frucht damit gemeint.

Newton zeigte auf (wie es der Regenbogen tut), dass das Licht von der Sonne das gesamte Farbspektrum (und viele weitere, die wir nicht sehen können) enthält. Zu Newtons Zeit dachte man, die Regenbogenfarben würden durch Verunreinigungen im Prismenglas entstehen, die das weiße Licht tönen würden. Doch Newton separierte eine Farbe und schickte sie durch ein zweites Prisma, wobei sich die Tönung nicht änderte – das Prisma färbte das Licht nicht. Er fand auch heraus, dass er die Farben wieder zusammenführen und das Licht erneut weiß machen konnte. Alle Farben sind bereits im Sonnenlicht vorhanden.

Wenn dieses Licht, das eine Mischung von Photonen mit unterschiedlicher Energie enthält (die wir als Farben sehen), durch die Luft dringt, werden einige Photonen, die das Licht bilden, von den Elektronen der Gasmoleküle der Luft absorbiert. Kurz darauf werden sie wieder emittiert und in alle Richtungen weggestoßen. Diese »Streuung« bedeutet, dass Photonen quer über den Himmel verteilt werden und nicht mehr den gleichen Weg nehmen.

Die Auswirkungen der Streuung hängen von der Energie der Photonen ab und sind daher unterschiedlich. Energiereichere Photonen (die vom blauen Ende des Spektrums kommen) werden eher gestreut. Das bedeutet, dass Licht, das weit weg von der Sonne durch Luftmoleküle gestreut wird, eine blaue Tönung hat, was dem Himmel die blaue Farbe verleiht. Weil das rote Ende des Spektrums weniger gestreut wird, wenn Sonnenlicht durch viel Luft dringt – was der Fall ist, wenn die Sonne dicht über dem Horizont steht –, nimmt das Licht, das ungestreut direkt von der Sonne kommt, eine rote Färbung an: Deshalb ist die Sonne bei ihrem Aufgang und Untergang so rot.