Warum der Himmel blau ist – und Sonnenauf- und -untergänge rot leuchten

Der blaue Tageshimmel gehört zu den vertrautesten Erscheinungen unseres Wetters. Trotzdem steckt dahinter ein faszinierender physikalischer Vorgang. Sonnenlicht erscheint für unsere Augen weiß, besteht tatsächlich aber aus vielen unterschiedlichen Farben. Treffen diese Lichtstrahlen auf die Erdatmosphäre, wechselwirken sie mit den dort vorhandenen Luftmolekülen. Dabei werden die verschiedenen Farben unterschiedlich stark gestreut.

Besonders kurzwelliges Licht wird stark in alle Richtungen abgelenkt. Deshalb erreicht uns aus nahezu allen Bereichen des Himmels vor allem blaues Licht. Steht die Sonne dagegen tief über dem Horizont, muss ihr Licht einen wesentlich längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Ein großer Teil des blauen Lichtes wird auf diesem Weg bereits aus dem direkten Sonnenstrahl herausgestreut. Übrig bleiben vor allem gelbe, orangefarbene und rote Anteile.

So entstehen zwei scheinbar vollkommen unterschiedliche Himmelsfarben durch denselben physikalischen Prozess.

Kernaussagen

Sonnenlicht besteht aus einem breiten Spektrum verschiedener Wellenlängen. Violettes und blaues Licht besitzt relativ kurze, rotes Licht deutlich längere Wellenlängen.

Die Moleküle unserer Atmosphäre – vor allem Stickstoff und Sauerstoff – sind wesentlich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Trifft Sonnenlicht auf diese Moleküle, entsteht die sogenannte Rayleigh-Streuung.

Dabei werden kurze Wellenlängen erheblich stärker gestreut als lange.

Blaues Licht wird deshalb aus der ursprünglichen Richtung des Sonnenstrahls heraus in praktisch alle Richtungen verteilt. Schauen wir an einem klaren Tag irgendwo in den Himmel, erreicht ein Teil dieses gestreuten blauen Lichtes unsere Augen.

Bei tief stehender Sonne verändert sich die Situation. Der Weg des Sonnenlichtes durch die Atmosphäre wird länger. Dadurch wird immer mehr kurzwelliges Licht aus dem direkten Strahl herausgestreut. Die längerwelligen orangefarbenen und roten Lichtanteile können dagegen einen größeren Teil des Weges zurücklegen.

Meteorologischer Hintergrund

Entscheidend für die Farbe des Himmels ist zunächst die Zusammensetzung des Sonnenlichtes.

Das sichtbare Spektrum reicht ungefähr von violett über Blau, Grün, Gelb und Orange bis Rot. Werden alle diese Farben gleichzeitig von unserem Auge wahrgenommen, erscheint das Licht weiß.

Auf dem Weg durch die Atmosphäre trifft dieses Licht auf unzählige Moleküle.

Die Stärke der Rayleigh-Streuung hängt sehr stark von der Wellenlänge ab. Vereinfacht gilt: Je kürzer die Wellenlänge, desto stärker wird das Licht gestreut.

Eigentlich müsste deshalb violettes Licht den Himmel sogar noch stärker prägen als blaues Licht.

Dass wir ihn trotzdem überwiegend blau sehen, besitzt mehrere Ursachen. Die Sonne sendet im sichtbaren Bereich unterschiedlich viel Energie aus, Teile des violetten Lichtes werden in der oberen Atmosphäre absorbiert und vor allem reagiert das menschliche Auge wesentlich empfindlicher auf blaues als auf violettes Licht.

Zusammen ergibt sich der für uns typische blaue Himmel.

Interessant wird es bei tiefem Sonnenstand.

Steht die Sonne mittags hoch am Himmel, durchquert ihr Licht vergleichsweise wenig Atmosphäre. Am Morgen und Abend verläuft der Lichtweg dagegen schräg durch die Lufthülle und ist dadurch um ein Vielfaches länger.

Auf diesem langen Weg wird ein großer Anteil des blauen und grünen Lichtes seitlich herausgestreut.

Der direkte Sonnenstrahl verliert dadurch zunehmend seine kurzwelligen Bestandteile. Gelb, Orange und Rot gewinnen optisch die Oberhand.

Deshalb kann eine tief stehende Sonne intensiv orange oder rot erscheinen.

Doch kein Sonnenuntergang sieht gleich aus.

Neben Luftmolekülen schweben in der Atmosphäre größere Partikel wie Staub, Meersalz, Rauch oder winzige Wassertröpfchen. Diese Aerosole streuen Licht nach anderen physikalischen Mechanismen und können die Farben erheblich verändern.

Nach großen Vulkanausbrüchen können beispielsweise besonders intensive Sonnenuntergänge auftreten, weil sich feine Partikel bis in große Höhen der Atmosphäre verteilen.

Auch Saharastaub kann den Himmel über Mitteleuropa milchiger erscheinen lassen und Sonnenauf- oder -untergänge deutlich orange bis rötlich färben.

Wasserdampf selbst färbt den Himmel dagegen nicht einfach rot. Entscheidend sind vielmehr die Tröpfchen, Aerosole und die Länge des Lichtweges durch die Atmosphäre.

Besonders eindrucksvoll kann die Situation kurz nach Sonnenuntergang werden.

Obwohl die Sonne für einen Beobachter am Boden bereits unter dem Horizont verschwunden ist, werden höher gelegene Wolken noch von ihr beleuchtet. Ihre Unterseiten können dadurch orange, rot oder sogar violett leuchten, während die Landschaft darunter bereits im Schatten liegt.

Schon gewusst?

Der Himmel ist nicht auf allen Planeten blau.

Seine Farbe hängt von der Zusammensetzung und Dichte einer Atmosphäre sowie von den darin schwebenden Partikeln ab.

Auf dem Mars befindet sich beispielsweise sehr viel feiner Staub in der dünnen Atmosphäre. Dieser verändert die Lichtstreuung erheblich. Der Tageshimmel erscheint dort häufig gelblich bis rötlich.

Beim Sonnenuntergang geschieht etwas Überraschendes: In unmittelbarer Umgebung der Sonne kann der Marshimmel bläulich erscheinen.

Damit sind die Farbverhältnisse gegenüber der Erde beinahe umgekehrt.

Auch auf der Erde kann man die Wirkung der Lichtstreuung mit einem kleinen Gedankenexperiment verstehen. Würde unsere Erde überhaupt keine Atmosphäre besitzen, gäbe es keine Luftmoleküle, die Sonnenlicht über den gesamten Himmel verteilen könnten.

Die Sonne würde zwar weiterhin hell leuchten – der Himmel daneben wäre jedoch selbst am Mittag schwarz, ähnlich wie auf dem Mond.

Das Blau über uns ist deshalb nicht einfach die Farbe des Weltraums. Es ist vielmehr ein sichtbares Zeichen unserer Atmosphäre – Sonnenlicht, das auf seinem Weg durch die Lufthülle der Erde in unsere Richtung gestreut wird.