Ein Artikel von Dr. Ingo Bertram, ARD-Wetterredaktion, 05.03.2021
Es ist die Sonne, die uns mit Licht versorgt. Und obwohl das von der Sonne abgestrahlte Licht relativ konstant ist, kann der Himmel in sehr unterschiedlichen Farben erscheinen. Welche sind das und welche Effekte sorgen für die Farbenvielfalt?
Am meisten Energie strahlt die Sonne im Bereich des für uns sichtbaren Lichtes zwischen 400 nm (violett) und 700 nm (rot) aus, was kein Zufall ist. Das menschliche Auge hat sich genau so entwickelt, dass es den Großteil des Sonnenlichts sehen kann. Uns entgehen die ultravioletten und infraroten Anteile. Den für uns sichtbaren Anteil des Sonnenspektrums kann man sehr schön bei einem Regenbogen anschauen. Denn dort erscheinen die Farben voneinander getrennt, das Sonnenlicht ist zerlegt. Die Mischung aller Farben hingegen nehmen wir als weißes Sonnenlicht war.
Und dieses weiße Licht bestimmt tagsüber die Farbe der Wolken. Wolkentröpfchen reflektieren das Sonnenlicht gleichförmig, also ohne größere Abhängigkeit von der Wellenlänge. Befindet sich viel Wolkenmasse über dem Beobachter, kommt wenig Licht unten an. Statt weiß erscheint das Licht dann grau. Wolken zeigen bei Tageslicht also alle möglichen Abstufungen von weiß nach grau, aber nur wenig Farben. Eine Ausnahme stellen intensive Niederschlagskerne von Gewittern dar, die mitunter bläulich oder grünlich schimmern. Im Falle einer sehr dunstigen Luftmasse sieht auch der wolkenfreie Himmel grau aus. Die sogenannte Mie-Streuung des Lichtes an Staubteilchen erfolgt ohne größere Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Doch meistens erscheint der wolkenfreie Himmel blau. Hierfür ist die Streuung des Lichtes an den Luftmolekülen schuld. Sie wird Rayleigh-Streuung genannt und besitzt eine starke Abhängigkeit von der Wellenlänge. Das blaue Licht wird am stärksten gestreut. Ein Teil des blauen Sonnenlichts erreicht den Beobachter also nicht mehr als direkte Sonnenstrahlung aus Richtung der Sonne, sondern als diffuses Licht aus allen Richtungen. Somit erscheint der Himmel am Tag blau. Da dem direkten Sonnenlicht ein kleiner Teil des blauen Lichts verloren geht, ist es nicht rein weiß, sondern tagsüber leicht zum gelblichen hin verschoben. Doch das fällt nicht auf.
Die Rayleigh-Streuung ist auch für den Abendhimmel verantwortlich. Der Weg des Sonnenlichts durch die Atmosphäre ist dann um ein Vielfaches länger als am Tag. Der blaue Anteil des Lichts ist durch die Rayleigh-Streuung bereits weitestgehend herausgestreut, bis das Licht bei uns eintrifft. Das Sonnenlicht und die davon angestrahlten Wolken erscheinen somit gelb bis orange. Weil mit sinkender Sonne zunehmend auch das grüne Licht herausgestreut wird, wird der Himmel mit fortschreitendem Sonnenuntergang immer rötlicher.
Das intensivste grüne Licht bietet der Himmel bei Polarlichtern. Im Gegensatz zu den anderen beschriebenen Effekten handelt es sich hierbei nicht um reflektiertes oder gestreutes Sonnenlicht, die Energie kommt aber ebenfalls von der Sonne. Polarlichter entstehen durch geladene Teilchen, die von der Sonne in Richtung Erde geschleudert werden, der sogenannte Sonnenwind. In Höhen zwischen 400 und 100 Kilometern regen diese Teilchen hauptsächlich Sauerstoff- und Stickstoffatome zum Leuchten an. Dabei werden Elektronen der äußeren Elektronenschale in höhere Energieniveaus gehoben. Wenn diese dann in ihr ursprünglich niedrigeres Niveau zurückspringen, wird Licht ausgesandt. Stickstoff leuchtet in blau, Sauerstoff in grün und rot. In den Polarregionen ist das grüne Polarlicht am häufigsten.
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Veröffentlichung mit freundlicher Genehmigung von Dr. Ingo Bertram