Fotografie und Licht-Streuung: Warum ist der Himmel blau und rot?

22.08.2010
Dr. Gerald Albach

: Rayleigh-Streuung: Warum ist der Himmel blau? - Dr. Gerald Albach

Auf dem Mond ist der Himmel schwarz, auf der Erde dagegen blau: Hat der Mond-Himmel beim Blaumachen blau gemacht? Was sagen Gott, Moses & Rayleigh dazu?

Lebt man ständig hinter dem Mond oder auf dem Mond mit seinem öden schwarzen Himmel, ist man als Erdbesucher immer wieder vom blauen Himmel auf der Erde entzückt. Kein Wunder also, dass bei Landschafts- und Urlaubsfotos die Erdbesucher mit Digitalkameras, oder noch besser mit Digitalen Spiegelreflexkameras möglichst alles mit einem blauen Himmel im Hintergrund abbilden wollen, möglichst mit einem Polarisationsfilter auf tief himmelblau getrimmt. Doch warum ist der Himmel überhaupt blau?

Der blaue Himmel wird in der Schöpfungsgeschichte nicht erwähnt

Allgemein bekannt schuf Gott nach der Schöpfungsgeschichte am Anfang Himmel und Erde, dann sprach Gott: "Es werde Licht! und es ward Licht". Moses fügte noch hinzu: "Und Gott nannte die Feste Himmel." Doch nirgendwo taucht in der Schöpfungsgeschichte die Farbe Blau auf. Hat Moses bei der Niederschrift der ganzen irdischen Farbpalette wieder mal blau gemacht? Suite101 macht nie blau, Suite101 deckt für Sie schonungslos auf – ohne das Blaue vom Himmel zu versprechen.

Der blaue Himmel auf der Erde und der schwarze Himmel auf dem Mond

"Und Gott machte zwei große Lichter: ein großes Licht, das den Tag regiere, und ein kleines Licht, das die Nacht regiere, dazu auch Sterne", das kleine Licht des Mondes regiert die Nacht, wobei der Himmel des Mondes schwarz wie die Nacht auf der Erde ist, obwohl der Mond auch vom großen Licht der Sonne angestrahlt wird. Um des blauen Himmels Willen, an der Sonne kann es also nicht liegen, dies dämmert mittlerweile auch jedem Mondbewohner während der nicht vorhandenen Mond-Dämmerung. Was unterscheidet jedoch grundlegend den Mond von der Erde, natürlich – die Atmosphäre.

Die Erde hat eine Atmosphäre, der Mond hat eine Exosphäre

Schaut man vom kleinen Mond aus neidisch wie ein Mondkalb auf den kleinen blauen Planeten, blickt man durch eine gasförmige Hülle aus etwa 78 Prozent Stickstoff, 21 Prozent Sauerstoff, Edelgasen, Spurengasen, Aerosole und ein bisschen Kohlendioxid. Die Erdbewohner haben sich so an die Erdatmosphäre gewöhnt, dass sie als Mondbesucher ihre Erdatmosphäre in Tanks auf dem Rücken mit sich herum schleppen müssen; denn der Mond hat keine Atmosphäre, sondern nur eine dünne Exosphäre aus ein bisschen Argon, Helium, Neon und Wasserstoff. Auch die Erde hat als äußerste Schicht der Atmosphäre eine Exosphäre, dort geht der Erdatmosphäre quasi die Luft aus, hier sind die Gasmoleküle recht dünne gestreut, keine optimalen Voraussetzungen für die Rayleigh-Streuung, die Moses in der Bibel mit keinem Sterbenswörtchen erwähnt - typisch Moses.

Die Rayleigh-Streuung, elastische Lichtstreuung oder Luftstreuung

Da innerhalb der Erdatmosphäre der Atmosphäre die Luft nicht ausgeht, herrschen auf der Erde optimale Bedingungen für die Luftstreuung. Da Moses beim Schreiben der Bibel anscheinend zerstreut war, musste der britische Physiker und Nobelpreisträger John William Strutt, dritter Baron von Rayleigh, uns die elastische Lichtstreuung und die blaue Farbe des Himmels erklären: die Rayleigh-Streuung. Sie tritt auf, wenn Lichtwellen auf kleine Gasteilchen treffen, die Teilchen müssen klein gegenüber der Wellenlänge des Lichts sein. Ein Luftmolekül wie Stickstoff hat einen Atomradius von etwa 70 Piko-Meter (10 hoch -12 Meter), die Wellenlänge (lambda) des blauen Lichts dagegen etwa 420 Nanometer (10 hoch -9 Meter), auch die Wellenlänge des sichtbaren roten Lichts ist mit 720 Nanometer um Größenordnungen größer.

Der blaue Himmel - die Rayleigh-Streuung ist stark wellenlängenabhängig

Nicht nur Moses, auch die Lichtstreuung ist bei der Zerstreuung des Lichtes etwas zerstreut, denn die Luftstreuung zerstreut das Licht in der Luft nicht gleichmäßig, sondern stark wellenlängenabhängig: Blaues Licht mit 420 Nanometer Wellenlänge hat eine etwa zehnfach erhöhte Streuwahrscheinlichkeit gegenüber roten Licht mit 720 Nanometer Wellenlänge. Schauen wir also nicht direkt in die sich geradlinig ausbreitenden Sonnenstrahlen, sondern direkt empor zum Himmelszenit, sehen wir das Sonnenlicht welches auf dem Weg durch die Erdatmosphäre gestreut wird. Da das blaue Licht wellenlängenabhängig häufiger gestreut wird, kommt vom Himmel vordringlich blaues Licht in unsere Augen - echtes irdisches Himmelsblau.

Morgenrot und Abendrot - der rote Himmel bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang

Die wellenlängenabhängige Rayleigh-Streuung erklärt auch den roten Himmel während des Sonnenaufgangs und -untergangs: Sind keine Gasteilchen in der Atmosphäre wie beim Mond, bleibt der Himmel wegen der fehlenden Lichtstreuung pechschwarz. Beim Morgenrot und Abendrot sind jedoch quasi zu viele Gasteilchen in der Atmosphäre. Steht die Sonne nämlich sehr tief, laufen die Lichtstrahlen eine über dreißig mal längere Wegstrecke durch die Erdatmosphäre, als wenn die Sonne tagsüber hoch im Zenit steht. Durch die zehnfach erhöhte Streuwahrscheinlichkeit des blauen Lichts, werden die blauen Photonen aus dem Sonnenlicht abgelenkt und zerstreut, bevor sie unsere Augen erreichen, deshalb erscheint uns beim Sonnenaufgang die Sonne rot. Alles in allem sind die Himmelsfarben auf der Erde ästhetisch viel ansprechender als der öde schwarze Himmel auf dem Mond - da kann man Gott ruhig mal anerkennend auf die Schulter klopfen: "Und Gott sah alles an, was er gemacht hatte; und siehe da, es war sehr gut."