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Rubriken: "Spielwiese" und "Blickwinkel"

Rote Sonne, blaue Berge

ClipSchlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 36/6, 291 (2005).

Wenn wir bei Sonnenauf- oder Sonnenuntergang zum östlichen oder westlichen Horizont blicken, weichen die gewohnten Blautöne des Himmels vor den Rottönen zurück. Betrachten wir entfernte Berge, so erscheinenClip_2 sie uns hingegen blau. Was ist hierfür die Ursache?

Das Himmelsblau entsteht bekanntlich durch die Streuung von weißem Sonnenlicht an den in ihrer Dichte schwankenden Luftmolekülen. Den Durchbruch zur korrekten physikalischen Erklärung gelang Lord Rayleigh im Jahre 1871. Demnach wird der kurzwellige Anteil des weißen Sonnenlichts stärker gestreut als das langwellige mit der Konsequenz, dass uns aus allen anderen Himmelsrichtungen als der der Sonne himmelsblaues Licht erreicht. Violettes Licht ist zwar noch kurzwelliger. Aber da außerdem mit abnehmender Intensität auch andere Farben gestreut werden, Violett nur einen vergleichsweise kleinen Ausschnitt im Sonnenspektrum ausmacht und das menschliche Auge für Blau empfindlicher ist als für Violett, erscheint uns der Himmel blau. Dabei ist die Tatsache, dass aufgrund dieses Streuvorgangs die Atmosphäre wie eine hemisphärenumspannende indirekte Beleuchtung wirkt, für das Leben auf der Erde vermutlich sehr wichtig. Anders als auf dem Mond beispielsweise ist es auf der Erde auch im Sonnenschatten hell, weil dieser Bereich vom Himmelslicht beleuchtet wird. Ohne Himmelslicht wäre es im Schatten stockdunkel. Das Himmelsblau sorgt auch dafür, dass Schatten auf weißen Untergründen blau sind, obwohl man das meist nicht wahrnimmt. Das direkte Sonnenlicht müsste uns daher im kurzwelligen Bereich stärker „ausgedünnt“ und damit rötlicher erscheinen. Bei hoch stehender Sonne merken wir jedoch davon nichts. Erst wenn sie sich dem Horizont nähert, muss die Strahlung einen sehr langen Weg durch dichte Atmosphärenschichten zurücklegen, bevor sie das Auge des Beobachters erreicht. Dann hat sie so viel an kurzwelligem Licht verloren, dass die Gelb- und Rottöne dominieren. Das Ergebnis sind eindrucksvolle Illuminationen der Wolken im Morgen- und Abendrot (Abbildung oben).
Einen nahezu entgegen gesetzten Effekt kann man am Tage beim Beobachten entfernter Berge wahrnehmen: Je nach Entfernung erscheinen Sie uns in abgestufter Blaufärbung (Abbildung unten). Adalbert Stifter hat dies zu den Worten bewegt: „Und ferne war ein gar so sanftes, fast sehnsuchtreiches Blau der Berge.“ Hier könnte man sich die Frage stellen, warum nicht auch entfernte Berge einen schwachen Rotschimmer annehmen, schließlich unterliegt auch das von ihnen kommende Licht der Rayleigh-Streuung. Der Grund ist: Zwischen den Bergen und dem Beobachter entsteht wie überall in der Luft Himmelsblau. Da der Blick zu entfernten Bergen durch eine relativ große Luftschicht geht, wird die Blaufärbung vor dem relativ dunklen Hintergrund der Berge sichtbar.
Demgegenüber wird das von den Bergen ausgehende Licht vergleichsweise geringer Intensität mit zunehmender Entfernung immer schwächer. Beim Blick in die tief stehende Sonne sieht man hingegen das direkte Licht, das übrig bleibt von dem, was in andere Richtungen gestreut wird. Das sind vor allem langwellige Anteile.
Das von den Bergen kommende Licht wird mit wachsender Entfernung zunehmend gestreut. Müsste demnach die Blauintensität mit zunehmender Entfernung nicht zu statt abnehmen? Man beobachtet jedenfalls das Gegenteil. Entfernte Berge erscheinen in zunehmend verblassenden Blautönen hintereinander gestaffelt, bis sie sich im Dunst zu verlieren scheinen.
Darin kommt zum Ausdruck, dass man bei horizontaler Richtung (anders als bei vertikaler) durch Luftschichten blickt, die stark durch Aerosole, Wasserteilchen und anderes „verunreinigt“ sind. Da diese Teilchen wesentlich größer als die Luftmoleküle sind, überwiegt die Mie-Streuung gegenüber der Rayleigh-Streuung. Mie-Streuung ist aber weitgehend unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes, daher entsteht vorwiegend weißes Streulicht, welches das Blaue der Luft verwässert. Bei sehr großen Entfernungen kommt außerdem die Streuung des gestreuten Lichts hinzu (Mehrfachstreuung), durch die auch langwellige Anteile hinzugemischt werden. Die Mehrfachstreuung ist auch ein wesentlicher Grund dafür, dass der Himmel beim Blick zum Horizont ein helleres Blau aufweist als beim Blick nach oben.
Dieses Phänomen hat übrigens schon Leonardo da Vinci beobachtet und als Farbperspektive bezeichnet. In der Malerei wird räumliche Tiefe auch durch abnehmende Blauintensität dargestellt.

PDF: Rote Sonne, blaue Berge

Diskussionen

21 Gedanken zu “Rote Sonne, blaue Berge

  1. Vielen Dank für deine sehr gut verständliche Erklärung der Farbperspektive. Ich habe schon einige Erklärungen gelesen aber meist schienen sie mir nicht plausibel.

    Verfasst von Christian | 30. Mai 2019, 11:31
  2. Verstanden haben heißt, es genauso einem Fremden wiedergeben zu können.
    Das kann ich nicht, auch weil immer Fragen offenbleiben.
    Aber der Artikel bietet (noblen) Denkstoff.
    Danke dafür 😀

    Verfasst von kopfundgestalt | 18. März 2020, 11:58
    • Immerhin. Das Thema ist auch nicht leicht zu verstehen/vermitteln. Anschaulich könnte man vielleicht in Analogie zu Wasserwellen hinzufügen, dass kleine Wellen durch ein kleines Hindernis stärker aus ihrer Richtung abgelenkt werden als große.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 18. März 2020, 15:25
      • Die Analogie ist schon mal gut.

        „der kurzwellige Anteil des weißen Sonnenlichts stärker gestreut als das langwellige“

        Schon allein dieses „stärker“ dabei:
        1) blau in grösserem Winkel als rot
        oder
        2) mehr blaue Wellenanteile als rote
        ect.

        Verfasst von kopfundgestalt | 18. März 2020, 16:10
      • Noch wichtiger als dass das Tageslicht einen Blaustich hat (blauer Himmel) ist vielleicht, dass es überhaupt hell ist. D.h. das Licht kommt nicht nur aus der Richtung der Sonne – wie es ohne Atmosphäre wäre -, sondern aus allen Richtungen, weil es in der Atmosphäre in alle Richtungen gestreut wird.
        Zu 1. nicht der Winkel ist entscheidend, sondern die höhere Wahrscheinlichkeit für kurze Wellenlängen. An der Atmosphäre wird eben wesentlich mehr violettes als blaues als grünes … als rotes Licht in alle Richtungen gestreut.
        Zu 2. Es sind mehr Blauanteile im Tageslicht als im Sonnenlicht und in diesem weniger als außerhalb der Atmosphäre.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 18. März 2020, 16:35
      • Danke!
        Stärker im Sinne von häufiger.

        Du erwähntest auch die Präferenz des Auges für Blau.

        Verfasst von kopfundgestalt | 18. März 2020, 16:42
      • Noch wichtiger ist, dass das Himmelsblau ja nicht nur blau und violett enthält, sondern mit abnehmender Intensität auch die Farben Grün bis Rot.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 18. März 2020, 16:54
      • Ja, das rundet es ab.

        Danke!

        Verfasst von kopfundgestalt | 18. März 2020, 17:51

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