Am Morgen und Abend oft rötlich oder violett, tagsüber blau, nachts schwarz: Die Farben, die sich an unserem Himmel zeigen, decken den gesamten Spektralbogen ab. Und damit nähern wir uns bereits der Erklärung für die Vielfärberei über unseren Köpfen. Das Sonnenlicht erscheint uns nur weiß, tatsächlich ist es bunt. Das erkennen wir aber nur, wenn es gestreut und gebrochen wird, denn dann treten die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts in verschiedenen Intensitäten hervor und wir nehmen die Farben wahr. Dabei kann es je nach Wetterlage und Betrachtungswinkel zu ganz unterschiedlichen Farbtönen am Firmament kommen.
Licht breitet sich wellenförmig aus. Wichtig für die Färbung des Himmels ist die Wellenlänge. Diese beträgt zwischen 400 und 800 Nanometer. Trifft das Licht auf ein "Hindernis", z.B. auf Wasser oder Eis, aber auch Ruß und Staub in der Luft, so wird der Lichtstrahl abgelenkt oder gebrochen. Je nach Wellenlänge des Lichts, wird dieses unterschiedlich gebrochen und gestreut und der Himmel färbt sich ein.
Das tägliche Himmelblau und auch Morgen- und Abendrot beruhen auf der Streuung des Lichts an in der Atmosphäre vorhandenen Teilchen (Molekülen). Tagsüber muss das Licht bzw. die Welle nur einen relativ kurzen Weg durch die Atmosphäre bis zum Betrachter am Erdboden zurücklegen, es erreichen also alle Farbanteile des gestreuten Lichts den Beobachter am Boden. Jedoch wird der kurzwellige Anteil stärker gestreut und der Himmel erscheint blau. Diese Erkenntnis und das wissenschaftliche Prinzip dahinter gehen auf John William Strutt, dritter Baron Rayleigh zurück. Ihm zu Ehren heißt die Streuung des Lichts an kleinen Teilchen in der Atmosphäre Rayleigh-Streuung.
Beim Morgen- und Abendrot muss das Licht einen längeren Weg bis zum Beobachter zurücklegen. Nun wird der kurzwellige Anteil, also das blaue Licht, durch weitere Streuung herausgefiltert und der langwellige, rötliche Anteil erreicht den Beobachter. Daher sieht der Himmel am Morgen und am Abend häufiger rot oder pink, manchmal auch violett aus.
In der Nacht, wenn die Sonne die andere Seite der Erde erhellt, kann sich an den Molekülen in der Atmosphäre über uns kein oder nur sehr wenig Licht brechen und wir blicken (zumindest in wolkenlosen Nächten) in den schwarzen Sternenhimmel.
Neben der Rayleigh-Streuung gibt es noch die Mie-Streuung. Sie erklärt die Streuung des Lichts an relativ großen Partikeln in der Luft, wie zum Beispiel Ruß oder Staub oder auch großen Wassertropfen. Dabei wird das Licht weitgehend wellenlängenunabhängig und somit als weißes Licht gestreut. Daher erscheinen Wolken auch meist weiß.
Bei Gewittern muss das Sonnenlicht durch recht kompakte Wolken und es wird an den Tröpfchen und Eiskristallen in der Wolke mehrfach gestreut. Je nach Sonnenstand erscheint eine Wolke dann schon mal grün, bei tief stehender Sonne auch gelb.
Ein Beispiel für Brechung des Lichts ist der Regenbogen. In diesem Fall tritt das Licht in einen Wassertropfen ein und auch wieder aus. Dabei wird das Licht in seine Spektralfarben zerlegt, so wie bei der Lichtbrechung an einem Prisma. Jedoch sind die Farben beim Regenbogen nicht so scharf voneinander getrennt, wie es beim Prisma der Fall wäre. Ursache für die teilweise Mischung der Farben ist die Reflexion des Lichtstrahls an unterschiedlichen Stellen der Tropfenfläche und ihre erneute Ablenkung beim Austritt. Die besten Voraussetzungen für einen Regenbogen sind leichter Regen vor dem Beobachter sowie die relativ tief stehende Sonne in seinem Rücken.
Dipl.-Met. Jacqueline Kernn
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 19.04.2020
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