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Kurzantwort: Der Himmel ist blau, weil die Moleküle der Luft das Sonnenlicht streuen und dabei kurzwelliges blaues Licht viel stärker ablenken als langwelliges rotes. Diese Rayleigh-Streuung wächst mit der vierten Potenz der Frequenz: Blaues Licht mit 450 Nanometern Wellenlänge wird etwa 4,4-mal so stark gestreut wie rotes mit 650 Nanometern. Aus jeder Richtung außer der Sonne selbst erreicht dich deshalb vor allem gestreutes blaues Licht. Violett wird zwar noch stärker gestreut, aber die Sonne sendet davon weniger aus, ein Teil wird in der Hochatmosphäre absorbiert, und dein Auge reagiert auf Blau empfindlicher.
Die Frage stellt jedes Kind, und die Antwort hat 150 Jahre Physikgeschichte hinter sich. Sonnenlicht ist weiß. Luft ist durchsichtig. Trotzdem sehen wir über uns Blau.
Der Schlüssel liegt in der Größe der Luftmoleküle. Stickstoff und Sauerstoff sind viel kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Trifft Licht auf solche winzigen Teilchen, wird es nach Regeln gestreut, die der britische Physiker Lord Rayleigh 1871 beschrieb.
Diese Regeln erklären nicht nur das Blau am Tag. Sie erklären auch das Abendrot, den milchigen Himmel bei Dunst, das Weiß der Wolken und den schwarzen Himmel über dem Mond.
Sonnenlicht ist eine Mischung aus Farben
Was du als weißes Licht siehst, ist ein Bündel aus allen Farben. Jede Farbe hat eine eigene Wellenlänge. Sichtbares Licht reicht von etwa 400 Nanometern am blauvioletten Ende bis 780 Nanometern am roten Ende.
Die Sonne strahlt nicht alle Farben gleich stark ab. Ihr Maximum liegt nach Angaben des Deutschen Wetterdienstes bei rund 550 Nanometern, also im Gelbgrünen. Zum Violetten hin nimmt die Intensität ab.
Ein Prisma zerlegt weißes Licht in diesen Fächer. Die Atmosphäre sortiert die Farben ebenfalls, allerdings durch Streuung statt durch Brechung. Und sie behandelt die Farben dabei sehr ungleich.
Rayleigh-Streuung: Blau wird viermal stärker abgelenkt
Ein Luftmolekül ist kleiner als ein Nanometer. Das Licht ist mehrere hundert Nanometer lang. Das elektrische Feld der Lichtwelle bringt die Elektronen des Moleküls zum Schwingen, und das schwingende Molekül sendet Licht in alle Richtungen ab.
Wie stark das passiert, hängt von der Wellenlänge ab, und zwar mit der vierten Potenz. Halbiert sich die Wellenlänge, wird das Licht 16-mal stärker gestreut. Für Blau mit 450 Nanometern und Rot mit 650 Nanometern ergibt das nach der Rechnung in der Wikipedia einen Faktor von rund 4,4.
Blicken wir also irgendwohin in den Himmel, nur nicht direkt in die Sonne, sehen wir Licht, das an Luftmolekülen abgelenkt wurde. Dieses Streulicht ist überwiegend blau. Rotes und gelbes Licht fliegt dagegen weitgehend geradeaus weiter und erreicht uns nur aus Richtung der Sonne.
Ohne Luft wäre der Himmel schwarz
Der Mond hat keine Atmosphäre. Dort gibt es nichts, was das Licht streuen könnte. Der Himmel über dem Mond ist deshalb auch am Tag schwarz, und die Sonne steht als grelle Scheibe darin.
Warum ist der Himmel blau und nicht violett?
Violett hat eine noch kürzere Wellenlänge als Blau. Nach der Formel müsste es noch stärker gestreut werden. Trotzdem sehen wir Blau. Dafür gibt es drei Gründe, die zusammenwirken.
Erstens sendet die Sonne im Violetten weniger Licht aus als im Blauen. Ihr Spektrum fällt zum kurzwelligen Ende hin ab. Zweitens absorbiert die obere Atmosphäre einen Teil des violetten Lichts, bevor es überhaupt gestreut werden kann.
Drittens ist dein Auge im Blauen empfindlicher als im Violetten. Der Deutsche Wetterdienst fasst das so zusammen: Violettes Licht wird zwar noch stärker gestreut, spielt für die Wahrnehmung aber eine geringere Rolle. Die Augen reagieren auf Blau empfindlicher, und ein Teil des violetten Lichts wird bereits in der oberen Atmosphäre absorbiert.
Das Streulicht des Himmels enthält übrigens alle Farben, nur in verschiedenen Anteilen. Sein Maximum liegt bei etwa 450 bis 485 Nanometern. Das Gehirn mischt diese Verteilung zu dem hellen Blau, das du kennst.
Abendrot: Derselbe Effekt, längerer Weg
Steht die Sonne tief, legt ihr Licht einen viel längeren Weg durch die Atmosphäre zurück als mittags. Auf diesem Weg wird das blaue Licht fast vollständig zur Seite gestreut. Übrig bleibt, was kaum gestreut wird: Orange und Rot.
Die Zahlen dazu liefert Welt der Physik: Bei Sonne im Zenit verliert das direkte Sonnenlicht durch Streuung rund 10 Prozent seiner Helligkeit, bei 45 Grad Sonnenhöhe 14 Prozent und am Horizont etwa 90 Prozent. Deshalb kannst du in die untergehende Sonne blicken, mittags aber nicht.
Das Blau geht dabei nicht verloren. Es leuchtet zur gleichen Zeit über anderen Orten, die noch Tag haben. Und über deinem Kopf bleibt der Himmel bei Sonnenuntergang blau, während der Horizont rot glüht.
Die Rolle des Ozons
Das tiefe Blau im Zenit bei Sonnenuntergang hat noch einen zweiten Grund. Ozon in 20 bis 30 Kilometern Höhe absorbiert gelboranges Licht um 600 Nanometer. Laut dem Wikipedia-Artikel „Himmelsblau“ geht das Zenitblau bei Sonnenuntergang nur zu einem Drittel auf die Rayleigh-Streuung zurück und zu zwei Dritteln auf diese Ozonabsorption.
Dunst, Wolken und Saharastaub: Wenn der Himmel weiß wird
Die Rayleigh-Streuung gilt nur für Teilchen, die viel kleiner sind als die Wellenlänge. Schwebeteilchen wie Staub, Ruß, Salz oder Wassertröpfchen sind hundert bis tausend Nanometer groß, also so groß wie das Licht selbst oder größer.
An solchen Teilchen greift die Mie-Streuung, benannt nach Gustav Mie, der sie 1908 beschrieb. Sie streut alle Farben etwa gleich stark. Das Streulicht ist dann weiß, und der Himmel wirkt milchig oder blass.
Genau das passiert bei Dunst, verschmutzter Luft, hoher Luftfeuchte oder Saharastaub. Nach einer Kaltfront, wenn die Luft trocken und sauber ist, dominiert dagegen die Rayleigh-Streuung, und der Himmel zeigt ein besonders tiefes Blau. In den Bergen ist das noch deutlicher, weil dort weniger Luft und weniger Staub über dir liegen.
Wolken bestehen aus Wassertröpfchen und Eiskristallen, die noch viel größer sind. Sie streuen alle Farben gleichermaßen. Deshalb sind Wolken weiß, solange genug Licht durch sie hindurchkommt, und grau, wenn sie dick genug sind, um das Licht zu schlucken.
Der Himmel auf dem Mars ist rot
Der Mars hat eine dünne Atmosphäre mit etwa einem Prozent des irdischen Luftdrucks. Für Rayleigh-Streuung ist da wenig Gas. Dafür schwebt feiner rötlicher Staub in der Luft, der das Licht nach Mie streut.
Tagsüber erscheint der Marshimmel deshalb orange bis rötlich. Bei Sonnenuntergang dreht sich das Bild um: Die NASA beschreibt, dass der Himmel rund um die untergehende Sonne einen blaugrauen Ton annimmt. Der Mars zeigt also blaue Sonnenuntergänge und einen roten Tag, das Gegenteil der Erde.
Wer die Antwort gefunden hat
Der Schweizer Mathematiker Leonhard Euler befasste sich bereits im 18. Jahrhundert mit der Farbe des Himmels. Im 19. Jahrhundert zeigte der Ire John Tyndall im Labor, dass feine Teilchen in einem Gas blaues Licht zur Seite streuen und rotes durchlassen.
Die Formel mit der vierten Potenz stammt von John William Strutt, dem späteren Lord Rayleigh, aus dem Jahr 1871. Er erkannte, dass die Luftmoleküle selbst den Himmel färben und es dafür keinen Staub braucht. Albert Einstein lieferte später die genaue molekulare Begründung dieser Streuung.
Häufige Fragen
Warum ist der Himmel abends rot?
Weil das Sonnenlicht bei tiefem Sonnenstand einen viel längeren Weg durch die Luft nimmt. Das Blau wird unterwegs fast komplett weggestreut, am Horizont gehen rund 90 Prozent der Helligkeit verloren. Rot und Orange kommen durch.
Warum ist der Himmel nicht violett?
Die Sonne sendet weniger violettes als blaues Licht aus, die obere Atmosphäre absorbiert einen Teil davon, und das Auge ist für Blau empfindlicher.
Warum ist der Himmel manchmal weiß oder blass?
Größere Teilchen wie Staub, Ruß und Wassertröpfchen streuen alle Farben gleich stark. Diese Mie-Streuung macht das Blau milchig, etwa bei Dunst oder Saharastaub.
Warum ist der Himmel im Gebirge dunkler blau?
Über dir liegt weniger Luft und weniger Staub. Die Rayleigh-Streuung an Molekülen dominiert, und weniger weißes Streulicht mischt sich bei.
Ist das Meer aus demselben Grund blau?
Nur zum Teil. Wasser hat eine eigene schwache blaue Farbe, weil es rotes Licht absorbiert. Der gespiegelte Himmel kommt dazu.
Welche Farbe hat der Himmel auf dem Mond?
Schwarz, auch am Tag. Ohne Atmosphäre gibt es nichts, was das Sonnenlicht streuen könnte.
Quellen
- Deutscher Wetterdienst — Thema des Tages: Warum ist der Himmel blau? Und was hat die Luftfeuchtigkeit damit zu tun?
- Welt der Physik — Wie entstehen Himmelsblau und Abendrot?
- Wikipedia — Rayleigh-Streuung
- NASA Space Place — Why Is the Sky Blue?
Das passt dazu
Drei Artikel, die dieselbe Frage von einer anderen Seite angehen:
- Warum ist Wasser blau? Die Eigenfarbe von Wasser einfach erklärt
- 09:09 als Engelszahl: Bedeutung, Deutung, Erklärung
- 20:20 als Engelszahl: Bedeutung, Deutung und Erklärung
Geschrieben von Clara, Redaktion wissens-bote.de — sie erklärt hier Alltagsfragen mit belegten Antworten.
