Warum ist der Himmel blau?

Es ist eine einfache und sicher schon oft gestellte Frage: „Warum ist der wolkenlose Himmel tagsüber mehr oder weniger intensiv blau gefärbt?“ Doch die Antwort hierauf ist gar nicht so einfach.

Das Himmelsblau ist keine Eigenfärbung! Noch bis Ende des 15. Jahrhunderts glaubten die Menschen fälschlicherweise, dass die Blaufärbung des Tageshimmels eine Art Eigenfärbung sei. Erst Leonardo da Vinci (1452-1519) stellte dies in Zweifel. Im Jahre 1810 griff Johann Wolfgang von Goethe diese Zweifel in seiner Farbenlehre wieder auf. Darin schrieb er, die blaue Farbe des Himmels komme vermutlich durch eine Art Streuung des Sonnenlichts an, wie er sich ausdrückte, „atmosphärischen Dünsten“ zustande. Letztlich blieben seine Aussagen aber recht unscharf formuliert.

Rayleigh's Theorie der Lichtstreuung

Erst der englische Physiker Lord John William Rayleigh lieferte im Jahre 1871 erstmals die nach heutigem Wissenstand physikalisch korrekte Erklärung für das Himmelsblau. Er zeigte nämlich, dass die Intensität der Lichtstreuung an den Luftmolekülen wellenlängenabhängig ist. Je kürzer die Wellenlänge der Lichtes ist, umso stärker wird es gestreut.

Der für das menschliche Auge sichtbare Teil des Sonnenlichtspektrums ist eine Abfolge von Licht unterschiedlicher Wellenlänge, den sogenannten Spektralfarben. Diese Spektralfarben lassen sich zum Beipsiel bei einem Regenbogen beobachten und sie erstrecken sich mit ansteigender Wellenlänge von Blau über Grün, Gelb, Orange bis hin zu einem tiefen Rot.

Gemäß Rayleighs Theorie wird also das blaue Licht an den Luftmolekülen deutlich stärker gestreut als die anderen Spektralfarben – mit der Folge, dass uns der wolkenlose Himmel tagsüber blau erscheint. Besäße unsere Erde keine Atmosphäre, so wäre der Himmel aufgrund der fehlenden Lichtstreuung tiefschwarz und man könnte neben einer gleißend weißen Sonne auch die Sterne sehen.

Warum ist das Himmelsblau mal mehr, mal weniger intensiv?

Doch warum ist die Intensität der Blaufärbung nicht jederzeit und überall gleich? Vor allem im Hochgebirge oder in Polargebieten erscheint der Himmel häufig in einem sehr intensivem Blauton. Rayleighs Theorie jedenfalls liefert hierfür keine Erklärung – sie gilt nur für die Lichtstreuung an den winzigen Luftmolekülen.

Doch die Luft enthält auch stets viele andere Teilchen, an denen das Sonnenlicht gestreut werden kann - zum Beispiel Staub, Rauch, Tröpfchen oder Salzkristalle. Man bezeichnet diese Teilchen als Aerosole. Sie sind mit etwa 0,1 bis 10 Mikrometern viel größer als Luftmoleküle.

Unterschiedlich intensives Himmelsblau
Fotos © Björn Beyer

Die Mie-Streuung

Für die Streuung des Sonnenlichts an Aerosolen formulierte der deutsche Physiker Gustav Mie im Jahre 1910 eine recht komplizierte mathematische Theorie, gemäß derer die Intensität der Lichtstreuung an Aerosolen nicht nur von der Wellenlänge des Lichts, sondern auch von der Größe der Aerosole abhängt.

Da fast immer Aerosole vieler unterschiedlicher Größen in der Luft vorhanden sind, werden die verschiedenen Spektralfarben in der Summe weitgehend homogen gestreut, so dass unser Auge das Streulicht insgesamt als weißes Licht sieht. Je mehr Aerosole also in der Luft schweben, desto blasser erscheint demnach das Himmelsblau. Oder umgekehrt: je reiner die Luft, umso intensiver das Himmelsblau.

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