Warum ist der Himmel blau?

Der Himmel ist blau, weil die Luft das blaue Licht der Sonne viel stärker in alle Richtungen streut als das rote. Das Sonnenlicht enthält alle Farben des Regenbogens gemischt, doch die winzigen Moleküle der Luft lenken kurzwelliges Blau bis zu sechsmal kräftiger ab als langwelliges Rot. Dieses gestreute Blau erreicht dein Auge aus dem gesamten Himmel, während das rote Licht fast ungestört geradeaus zur Sonne durchläuft. Das Phänomen dahinter heißt Rayleigh-Streuung, benannt nach dem britischen Physiker Lord Rayleigh, der es im 19. Jahrhundert mathematisch beschrieb.

Sonnenlicht ist weiß, aber aus allen Farben gemischt

Wenn dir die Sonne weiß bis leicht gelblich erscheint, täuscht das über ihre wahre Zusammensetzung hinweg. Weißes Licht ist eine Mischung aus allen Spektralfarben, von Violett über Blau, Grün und Gelb bis Rot. Ein Regenbogen oder ein Glasprisma macht das sichtbar, indem es die Farben nach ihrer Wellenlänge auffächert.

Jede Farbe entspricht einer bestimmten Wellenlänge des Lichts. Violett und Blau haben kurze Wellen von rund 400 bis 480 Nanometern, Rot hat mit etwa 700 Nanometern die längste. Diese Längen sind winzig, ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter. Genau dieser Größenunterschied entscheidet aber darüber, wie das Licht mit der Luft wechselwirkt und welche Farbe der Himmel am Ende annimmt.

Warum die Luft Blau viel stärker streut

Die Atmosphäre besteht überwiegend aus Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen. Sie sind viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Trifft Sonnenlicht auf so ein Molekül, wird es nicht verschluckt, sondern in eine neue Richtung abgelenkt. Dieses Umlenken nennt man Streuung.

Entscheidend ist, dass die Streuung extrem stark von der Wellenlänge abhängt. Die Rayleigh-Streuung nimmt mit der vierten Potenz der reziproken Wellenlänge zu. Vereinfacht heißt das: Halbierst du die Wellenlänge, streut das Licht sechzehnmal stärker. Blaues Licht mit rund 450 Nanometern wird deshalb ungefähr sechsmal so kräftig gestreut wie rotes Licht mit 700 Nanometern.

Das Ergebnis: Das blaue Licht wird überall in der Atmosphäre in alle Richtungen umgelenkt und erreicht dein Auge aus jedem Punkt des Himmels. Der Himmel leuchtet dadurch flächig blau. Das rote und gelbe Licht dagegen zieht fast ungestreut geradeaus weiter, weshalb die Sonnenscheibe selbst gelblich-weiß wirkt.

Die folgende Tabelle zeigt, wie dramatisch der Effekt mit der Wellenlänge zunimmt. Die Streuungsstärke ist auf Rot als Bezugswert 1 normiert.

Warum der Himmel blau ist und nicht violett

Ein Blick auf die Tabelle wirft eine berechtigte Frage auf: Violett hat eine noch kürzere Wellenlänge als Blau und wird sogar stärker gestreut. Warum sehen wir den Himmel dann nicht violett?

Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens enthält das Sonnenlicht von vornherein weniger Violett als Blau. Die Sonne strahlt in diesem kurzwelligen Bereich schwächer ab, es steht also schlicht weniger violettes Licht zur Verfügung. Zweitens ist das menschliche Auge für Violett deutlich unempfindlicher als für Blau. Unsere Netzhaut besitzt drei Typen von Farbsensoren, und ihre gemeinsame Empfindlichkeit im violetten Randbereich ist gering. Ein Teil des violetten Lichts wird zudem schon in den oberen Atmosphärenschichten geschluckt.

Das Gehirn mischt das eintreffende Licht am Ende zu einem Farbeindruck zusammen. Weil viel Blau, wenig Violett und noch weniger Grün dabei sind, entsteht das vertraute Himmelblau. Vögel und manche Insekten, die ultraviolettes Licht wahrnehmen können, sehen die Farbe des Himmels vermutlich anders als wir.

Warum der Horizont heller und milchiger wirkt

Schaust du senkrecht nach oben, ist das Blau am kräftigsten und tiefsten. Zum Horizont hin wird es blasser, oft fast weißlich. Auch das ist eine Folge der Streuung, nur der Weglänge wegen.

Direkt über dir durchquert das Licht die Atmosphäre auf kürzestem Weg. Zum Horizont hin blickst du dagegen flach durch eine viel dickere Luftschicht. Auf dieser langen Strecke wird das Licht so oft gestreut, dass es zur Mehrfachstreuung kommt: Ein einmal abgelenkter Blaustrahl wird erneut umgelenkt, wieder und wieder. Dabei mischen sich mit der Zeit auch längere Wellenlängen unter, und die Farben verwaschen zu einem milchigen Weißblau. Dunst, Staub und Wassertröpfchen in Horizontnähe verstärken diesen Effekt zusätzlich.

Warum Abendrot und Morgenrot rot sind

Am schönsten zeigt sich die Rayleigh-Streuung bei Sonnenauf- und -untergang. Steht die Sonne tief am Horizont, fällt ihr Licht extrem flach ein und muss einen sehr langen Weg durch die Atmosphäre zurücklegen, ein Vielfaches der Strecke am Mittag.

Auf diesem langen Weg wird praktisch das gesamte blaue und grüne Licht seitlich aus dem direkten Strahl herausgestreut. Bis das Licht dein Auge erreicht, ist der kurzwellige Anteil fast vollständig verschwunden. Übrig bleibt der langwellige Rest: Rot und Orange, die am wenigsten gestreut werden und deshalb geradlinig zu dir durchkommen. Die Sonne selbst und der Himmel um sie herum leuchten dann in warmen Rottönen. Staub, Aerosole und feine Wolken können das Farbenspiel noch intensivieren.

Nicht zu verwechseln: Warum das Meer blau ist

Naheliegend, aber falsch ist die Annahme, das Meer sei blau, weil es den blauen Himmel spiegelt oder weil dort dieselbe Streuung wirkt. Beim Wasser steckt ein anderer physikalischer Mechanismus dahinter. Wasser schluckt langwelliges rotes Licht regelrecht weg, während blaues Licht tiefer eindringt und teils zurückgeworfen wird. Das ist Absorption, nicht Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen. Warum das Meer blau ist und was Tiefe, Algen und Sediment damit zu tun haben, erklären wir separat unter Warum ist das Meer blau?.

Fazit

Der Himmel ist blau, weil die Luftmoleküle kurzwelliges blaues Licht bis zu sechsmal stärker streuen als langwelliges rotes. Das gestreute Blau erreicht dein Auge aus dem gesamten Himmel, das Rot läuft dagegen geradeaus durch. Violett tritt zurück, weil die Sonne weniger davon abstrahlt und unser Auge dafür unempfindlicher ist. Der milchige Horizont entsteht durch den langen Lichtweg und Mehrfachstreuung, das Abendrot dadurch, dass bei flachem Sonnenstand nur noch der rote Rest ankommt. Ein und derselbe Effekt, die Rayleigh-Streuung, erklärt also das Blau am Tag und das Rot am Abend.