Wie entstehen Himmelsblau und Abendrot?

An einem wolkenlosen Tag präsentiert sich der Himmel in einem satten Blau, während in der Dämmerung sowohl der Horizont als auch die Sonne selbst in einer breiten Palette von Orange- und Rottönen aufleuchten können. Dabei erscheint die Sonne vom Weltraum aus betrachtet immer in der gleichen Farbe, nämlich in strahlendem Weiß. Und abgesehen von Sternen und anderen Himmelsobjekten zeigt der Blick ins All nur das tiefste Schwarz.

Wie kommt also das bunte Farbenspiel am irdischen Himmel zustande? Die Ursache liegt in der Erdatmosphäre. Neben Stickstoff, Sauerstoff und anderen Gasen enthält diese kaum hundert Kilometer dicke Lufthülle um den Planeten auch Wassertröpfchen und Staubpartikel unterschiedlicher Größe. Durch diese verschiedenen Bestandteile wird das einfallende Sonnenlicht in jeweils unterschiedlicher Weise beeinflusst.

Streuung von Licht an Molekülen

Licht ist elektromagnetische Strahlung. Sehr schnell schwingende elektrische und magnetische Felder breiten sich hierbei wellenförmig im Raum aus. Menschen können nur Wellenlängen in einem vergleichsweise kleinen Bereich des gesamten elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen: von 400 Nanometern am blauvioletten Ende bis zu 780 Nanometern am roten Ende. Im nahezu luftleeren Raum des Weltalls kann sich das Sonnenlicht ungehindert ausbreiten – und erscheint dadurch unverfälscht.

Ganz anders sieht es in der Erdatmosphäre aus. Den größten Einfluss auf das Sonnenlicht haben die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Luft. Die elektrischen Ladungen in diesen Molekülen sind ungleich verteilt, sodass sich ein leicht verschobener Plus- und Minuspol innerhalb des Moleküls ausbildet – ein elektrischer Dipol. Die elektromagnetischen Wellen des Sonnenlichts können die Moleküle nun zu Schwingungen anregen und so wird jedes Molekül zu einem kleinen oszillierenden Dipol.

Solche oszillierenden Dipole senden selbst wieder elektromagnetische Wellen aus, die sich in alle Himmelsrichtungen ausbreiten. Das Licht wird damit von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt, es wird gestreut. Wie stark dieses als Rayleigh-Streuung bezeichnete Phänomen elektromagnetische Wellen beeinflusst, hängt entscheidend von deren Wellenlänge ab. So streuen die Moleküle in der Luft blaues Licht sehr viel stärker als rotes Licht. Dadurch erhält der Taghimmel seine charakteristische Farbe.

Im Laufe des Tages wandert die Sonne über den Himmel, wodurch das Licht unterschiedlich lange Wege durch die Atmosphäre zurücklegen muss. Und je länger die Strecke, desto größer der Anteil an gestreuten elektromagnetischen Wellen. Steht die Sonne im Zenit, nimmt die Helligkeit der Sonne im sichtbaren Licht durch Streuprozesse etwa um 10 Prozent ab, bei einer Sonnenhöhe von 45 Grad um 14 Prozent und am Horizont etwa um 90 Prozent. Doch die Sonnenscheibe wird nicht nur dunkler, auch ihre Farbe verändert sich – von gelb über orange bis hin zu rot. Auch hier liegt die Ursache in der starken Wellenlängenabhängigkeit der Rayleigh-Streuung. Kurz nach dem Sonnenaufgang beziehungsweise kurz vor dem Sonnenuntergang sind nahezu alle blauen Wellenlängen aus dem Sonnenlicht herausgestreut und nur noch langwelligere Anteile übrig.

Absorption von Licht

Die Moleküle in der Luft streuen das Licht nicht nur, sie können es auch absorbieren. Für sichtbares Licht spielt diese Eigenschaft allerdings keine signifikante Rolle, da die Gase in der Luft andere Wellenlängenbereiche bevorzugen. Eine Ausnahme stellt Ozon dar: Das aus drei Sauerstoffatomen bestehende Molekül absorbiert nämlich Wellenlängen in einem weiten Bereich des sichtbaren Lichts. Das Maximum liegt etwa bei 600 Nanometern, also im gelborangen Bereich.

Die Absorption durch Ozon ist wegen des langen Lichtwegs in der Atmosphäre bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang am stärksten und hat dann zwei wahrnehmbare Auswirkungen: Zum einen verringert sie den Gelbanteil im Sonnenlicht, färbt die Sonne also noch stärker rot, zum anderen verringert sie auch den Gelbanteil im gestreuten Licht und lässt das Himmelsblau so noch kräftiger wirken. Wenn die Sonne wenige Grad unter dem Horizont steht, in der „Blauen Stunde“, macht sich dieses Phänomen am stärksten bemerkbar.

Die Blaue Stunde

Rayleigh-Streuung und Absorption können zwar erklären, warum der Himmel blau und die Sonne am Horizont rötlich erscheint. Für Abend- und Morgenrot braucht es aber einen weiteren Effekt. Denn sonst bliebe der Himmel auch beim Sonnenauf- und Sonnenuntergang überall blau – kräftig blau unter einem Winkel von 90 Grad zur Sonne, blassblau nahe der Sonnenscheibe am Horizont. Solche besonders klaren Auf- und Untergänge sind aber eine Seltenheit und fast nur von hohen Berggipfeln oder auf Hochebenen zu beobachten.

Dass wir Abend- und Morgenrot sehen, verdanken wir einer Vielzahl von festen und flüssigen Schwebeteilchen in der Atmosphäre: Meersalz, Mineralstaub, Ruß, Vulkanasche, Sulfattröpfchen, organische Partikel sowie Wassertröpfchen und Eiskristalle. Ein großer Teil dieser Schwebeteilchen liegt im Größenbereich von hundert bis tausend Nanometern, also vergleichbar mit den Wellenlängen im optischen Bereich. Der Physiker Gustav Mie beschrieb 1908 erstmals die Streuung von Licht an solchen Partikeln.

Mie-Streuung

Der Vorgang ist komplex: Die Schwebeteilchen können das Licht reflektieren, brechen, absorbieren und wieder abstrahlen. Mie erkannte, dass dadurch eine starke Vorwärtsstreuung entsteht, die nur geringfügig von der Wellenlänge abhängt. Im Gegensatz zu den Molekülen in der Erdatmosphäre streuen die winzigen Partikel das Sonnenlicht also in allen Farbbereichen relativ gleichmäßig. Damit verteilen sie weißes Licht über den gesamten Tageshimmel und schwächen dessen blaue Farbe ab. Die Mie-Streuung spielt aber auch bei Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen eine entscheidende Rolle. Die Schwebeteilchen verteilen nämlich auch das durch die Rayleigh-Streuung gerötete Licht der Sonne – und lassen auch deren Umfeld in rötlichen Farben leuchten. So entstehen Morgen- und Abendrot.

Rayleigh- und Mie-Streuung im Vergleich

Zusätzlich haben noch weitere Faktoren in der Erdatmosphäre einen Einfluss darauf, wie spektakulär ein Sonnenaufgang oder -untergang am Dämmerungshimmel abläuft. Mineralstaub – etwa über weite Strecken durch die Luft transportierter Wüstensand – und Ruß beispielsweise absorbieren blaues Licht und verstärken so die Rotfärbung des Himmels. Einen besonders großen Effekt können Vulkanausbrüche haben, die große Mengen an Asche und Sulfaten in die Atmosphäre schleudern. Die Asche sorgt für intensive Rottöne, einzelne Schichten in der Hochatmosphäre rufen dabei mitunter ein lang anhaltendes „Nachglühen“ hervor.

Die Kombination aus stark gerötetem Direktlicht und eher bläulicher Mehrfachstreuung in höheren Schichten kann außerdem violette Bögen am Himmel erzeugen. Ein noch imposanteres Schauspiel bietet sich, wenn Wolken das rote Licht der Sonne – selbst, wenn sie unter dem Horizont steht – wie eine Leinwand reflektieren. Besonders effektiv sind dabei Cirruswolken in großer Höhe und Altocumulus in mittleren Höhen. Eine großflächige Rotfärbung der Wolkenunterseiten lässt den Himmel dann förmlich brennen.