Strahlend blauer Himmel, ein blutroter Sonnenuntergang oder eine tiefschwarze Nacht: Warum sind die Farben am Himmel so unterschiedlich und wie entstehen sie überhaupt?
Man sieht ihn jeden Tag und oft sieht er anders aus. Die Rede ist vom Himmel auf unserer Erde. Aber warum erscheint er uns eigentlich an einem schönen Tag blau und bei Sonnenaufgang bzw. beim Sonnenuntergang rot bis orange-rot und warum hat der Himmel in der Nacht keine Farbe?
Die Tatsache, dass der Himmel in der Nacht einfach nur schwarz ist und man problemlos die Sterne und den Mond beobachten kann, lässt darauf schließen, dass die Himmelsfärbung auf jeden Fall mit dem Licht der Sonne zusammenhängt. Wie hierbei aber genau der blaue Himmel bzw. das Abendrot oder Morgenrot am Himmel entsteht, ist etwas komplizierter.
Das der Himmel überhaupt eine Farbe hat, liegt an dem Licht der Sonne. Nachdem die Photonen etwa 1,5 Millionen Kilometer zurückgelegt haben, treffen sie auf die Atmosphäre der Erde. In der Erdatmosphäre stoßen die Sonnenstrahlen dann auf diverse Moleküle, von denen sie abgelenkt werden.
Sehr einfach gesprochen besteht das Licht aus mehreren gebündelten Lichtstrahlen die sich ähnliche wie eine Welle bewegen. Wenn man alle Lichtstrahlen auf einmal sieht, erscheint dem Betrachter das Licht weiß. Wird das Licht aber gebrochen, etwa durch ein Prisma oder einem Regentropfen, spaltet sich der Lichtstrahl in seine Spektralfarben auf – also die Farben, aus denen das weiße Licht zusammengesetzt ist. Auch dieses Phänomen hat jeder in Form eines Regenbogens schon einmal gesehen. Jede dieser Farben, also Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett besitzt eine andere Wellenlänge, also einen anderen Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Wellenbergen. So besitzt das blaue Licht eine sehr kurze Wellenlänge und rotes Licht hingegen eine sehr lange Wellenlänge.
Jetzt ist die Antwort auf die Frage, warum der Himmel am Tag blau ist, sehr einfach erklärt: Steht die Sonne hoch am Himmel, muss das Sonnenlicht nur einen kurzen Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Dort wird das blaue Licht sehr stark durch Moleküle gestreut und zurückgeworfen. Darum erscheint uns ein wolkenloser Himmel am Tag blau.
Die rote Färbung des Himmels am Abend oder am Morgen entsteht dadurch, dass die Sonne tief am Himmel steht. Das Sonnenlicht hat durch seinen Winkel einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurückzulegen. Das kurzwellige blaue Licht wird schnell von den Molekülen in der Atmosphäre abgefangen und so kommt nur das langwellige rote Licht beim Betrachter an.
Neben dem klaren Himmelblau oder Himmelrot existiert eine weitere Farbe, die oft am Himmel beobachtet werden kann: Grau. Der graue Himmel entsteht durch größere Staub- und Wasserteilchen in der Atmosphäre, welche das Sonnenlicht nicht spalten, sondern direkt reflektieren. Ein weiß-gräulicher Himmel ist das Resultat.
Bereits im 19, Jahrhundert beschrieb der Engländer John William Stutt, dritter Baron Rayleigh, dieses physikalische Phänomen, welches dem Himmel seine Farbe gibt. Die sogenannte Rayleigh-Streuung beschreibt aber nicht nur genau, was passiert, wenn das Sonnenlicht durch die Moleküle in der Atmosphäre gestreut wird, die Rayleigh-Streuung gilt für alle Arten der elektromagnetischen Strahlung und für alle Teilchen die kleiner als die Wellenlängen der Strahlungen sind. Stutt fand damals heraus, dass die Leistung, mit der diese Teilchen die aufgenommene Strahlung wieder zurückwerfen, umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge der jeweiligen Strahlung ist. Kurz gesagt: Je geringer die Wellenlänge einer Strahlung ist, desto stärker wird sie gestreut.
Auch in unserem Sonnensystem, gar im ganzen Universum hat die Rayleigh-Streuung Gültigkeit. Der Grund, warum andere Planeten, wie beispielsweise der Mars, eine andere Himmelsfarbe haben, liegt an der dichte und der Zusammensetzung der jeweiligen Atmosphäre. Die Atmosphäre der Erde besteht zu großen Teilen aus Stickstoff und Sauerstoff. Die des Planeten Mars hingegen ist sehr dünn und besitzt große Anteile von Kohlendioxid sowie kleine Eisenoxidteilchen. Die Venus besitzt zwar auch große Mengen Kohlendioxid, aber eine sehr dichte Atmosphäre. In beiden Fällen haben die kurzwelligen blauen Lichtstrahlen keine Chance die Planetenoberfläche zu erreichen und nur die roten Lichtstrahlen schaffen es bis auf die Oberfläche, wodurch der Himmel dieser beiden Planeten rötlich erscheint.
