Eine der ersten Fragen, die ein neugieriges Kind oft über die Natur stellt, ist „Warum ist der Himmel blau?“ Obwohl diese Frage weit verbreitet ist, gibt es viele Missverständnisse und falsche Antworten – weil er das Meer reflektiert, weil Sauerstoff ein blau gefärbtes Gas ist, weil das Sonnenlicht einen blauen Farbton hat – während die richtige Antwort oft völlig übersehen wird. In Wahrheit ist der Himmel blau, weil drei einfache Faktoren zusammenkommen: das Sonnenlicht besteht aus Licht vieler verschiedener Wellenlängen, die Erdatmosphäre besteht aus Molekülen, die Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich stark streuen, und die Empfindlichkeit unserer Augen. Nimmt man diese drei Dinge zusammen, ist ein blauer Himmel unvermeidlich.

Das Sonnenlicht besteht aus allen verschiedenen Farben des Lichts… und noch mehr! Die Photosphäre unserer Sonne ist mit fast 6.000 K so heiß, dass sie ein breites Lichtspektrum ausstrahlt, das vom Ultraviolett mit der höchsten Energie bis ins Sichtbare, vom Violett bis zum Rot und dann tief in den infraroten Bereich des Spektrums reicht. Das Licht mit der höchsten Energie ist auch das Licht mit der kürzesten Wellenlänge (und der höchsten Frequenz), während das Licht mit der niedrigsten Energie eine größere Wellenlänge (und eine niedrigere Frequenz) hat als das Licht mit der höchsten Energie. Wenn man sieht, wie ein Prisma das Sonnenlicht in seine einzelnen Komponenten aufspaltet, liegt das daran, dass das rötliche Licht eine längere Wellenlänge hat als das blaue Licht.

Die Tatsache, dass Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich auf Wechselwirkungen mit Materie reagiert, erweist sich als äußerst wichtig und nützlich in unserem täglichen Leben. Die großen Löcher in Ihrer Mikrowelle lassen kurzwelliges sichtbares Licht durch, halten aber längerwelliges Mikrowellenlicht zurück und reflektieren es. Die dünnen Beschichtungen Ihrer Sonnenbrille reflektieren ultraviolettes, violettes und blaues Licht, lassen aber die längerwelligen Grün-, Gelb-, Orange- und Rottöne hindurch. Und die winzigen, unsichtbaren Teilchen, aus denen unsere Atmosphäre besteht – Moleküle wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid sowie Argonatome – streuen Licht aller Wellenlängen, aber das kurzwelligere Licht viel effizienter.

Da diese Moleküle alle viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts selbst, wird das Licht umso besser gestreut, je kürzer die Wellenlänge ist. Quantitativ gehorcht es einem Gesetz, das als Rayleigh-Streuung bekannt ist und uns lehrt, dass das violette Licht an der kurzwelligen Grenze des menschlichen Sehens mehr als neunmal häufiger gestreut wird als das rote Licht an der langwelligen Grenze. (Die Streuintensität ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge in vierter Potenz: I ∝ λ-4.) Während das Sonnenlicht auf der Tagseite der Erdatmosphäre überall hinfällt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die röteren Wellenlängen des Lichts gestreut werden und somit zu unseren Augen gelangen, nur 11 % so hoch wie die des violetten Lichts.

Wenn die Sonne hoch am Himmel steht, ist deshalb der gesamte Himmel blau. Er erscheint umso heller blau, je weiter man von der Sonne wegschaut, weil in diesen Richtungen mehr Atmosphäre (und damit mehr blaues Licht) zu sehen ist. In jeder Richtung, in die Sie schauen, können Sie das Streulicht sehen, das vom Sonnenlicht ausgeht, das auf die gesamte Atmosphäre zwischen Ihren Augen und dem Beginn des Weltraums trifft. Dies hat einige interessante Auswirkungen auf die Farbe des Himmels, je nachdem, wo die Sonne steht und wohin man blickt.

Wenn die Sonne unter dem Horizont steht, muss das gesamte Licht durch eine große Menge Atmosphäre hindurch. Das blaue Licht wird in alle Richtungen gestreut, während das rötliche Licht viel seltener gestreut wird, so dass es bei deinen Augen ankommt. Wenn Sie einmal nach Sonnenuntergang oder vor Sonnenaufgang in einem Flugzeug sitzen, können Sie diesen Effekt auf spektakuläre Weise beobachten.

Es ist ein noch besserer Blick aus dem Weltraum, sowohl von den Beschreibungen als auch von den Bildern, die die Astronauten zurückgebracht haben.

Bei Sonnenaufgang/Sonnenuntergang oder Mondaufgang/Monduntergang muss das von der Sonne (oder dem Mond) kommende Licht enorme Mengen an Atmosphäre durchqueren; je näher es am Horizont ist, desto mehr Atmosphäre muss das Licht durchqueren. Während das blaue Licht in alle Richtungen gestreut wird, ist die Streuung des roten Lichts weit weniger effizient. Das bedeutet, dass sowohl das Licht der Sonnen- (oder Mond-) scheibe selbst eine rötliche Farbe annimmt, als auch das Licht aus der Umgebung von Sonne und Mond – das Licht, das auf die Atmosphäre trifft und nur einmal gestreut wird, bevor es unsere Augen erreicht – zu diesem Zeitpunkt bevorzugt gerötet ist.

Und während einer totalen Sonnenfinsternis, wenn der Mondschatten über uns fällt und verhindert, dass direktes Sonnenlicht auf große Teile der Atmosphäre in unserer Nähe trifft, färbt sich der Horizont rot, aber nirgendwo sonst. Das Licht, das außerhalb des Totalitätspfads auf die Atmosphäre trifft, wird in alle Richtungen gestreut, weshalb der Himmel an den meisten Orten immer noch sichtbar blau ist. In der Nähe des Horizonts wird das Licht, das in alle Richtungen gestreut wird, höchstwahrscheinlich erneut gestreut, bevor es unsere Augen erreicht. Das rote Licht ist die Wellenlänge, die am ehesten durchkommt und schließlich das effizienter gestreute blaue Licht übertrifft.

Nach all dem haben Sie wahrscheinlich noch eine weitere Frage: Wenn das Licht kürzerer Wellenlänge effizienter gestreut wird, warum erscheint der Himmel dann nicht violett? Es gibt tatsächlich eine größere Menge violetten Lichts aus der Atmosphäre als blaues Licht, aber es gibt auch eine Mischung aus den anderen Farben. Da unsere Augen neben den monochromatischen Stäbchen über drei Arten von Zapfen (für die Farberkennung) verfügen, müssen die Signale aller vier vom Gehirn interpretiert werden, wenn es darum geht, eine Farbe zuzuordnen.

Jeder Zapfentyp und die Stäbchen reagieren auf Licht verschiedener Wellenlängen, aber alle werden bis zu einem gewissen Grad durch den Himmel stimuliert. Unsere Augen reagieren stärker auf blaues, blaugrünes und grünes Licht als auf violettes Licht. Auch wenn es mehr violettes Licht gibt, reicht es nicht aus, um das starke blaue Signal unseres Gehirns zu überwinden.

Es ist die Kombination von drei Dingen zusammen:

1. die Tatsache, dass das Sonnenlicht aus Licht vieler verschiedener Wellenlängen besteht,
2. dass die Partikel in der Atmosphäre sehr klein sind und das Licht kürzerer Wellenlängen viel effizienter streuen als das Licht längerer Wellenlängen,
3. und dass unsere Augen auf die verschiedenen Farben reagieren,

dass der Himmel dem Menschen blau erscheint. Wenn wir sehr gut ins Ultraviolette sehen könnten, würde der Himmel wahrscheinlich eher violett und ultraviolett erscheinen; wenn wir nur zwei Arten von Zapfen hätten (wie Hunde), könnten wir tagsüber den blauen Himmel sehen, aber nicht die roten, orangen und gelben Farben des Sonnenuntergangs. Aber lass dich nicht täuschen: Wenn du die Erde aus dem Weltraum betrachtest, ist sie auch blau, aber die Atmosphäre hat nichts damit zu tun!