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Physik im Alltag und Naturphänomene, Physik und Kultur

Die Blaue Stunde aus der Sicht der Physik

Ich bin öfter darauf angesprochen worden, was es aus physikalischer Sicht mit der Blauen Stunde auf sich hat. Damit ist das Phänomen gemeint, dass kurz nach dem Sonnenuntergang die Gelb- und Rotfärbungen des Himmels verschwinden und einem erstaunlich kräftigen Blau Platz machen.
Doch der Reihe nach. Wenn die Sonne untergeht, nimmt sie bekanntlich eine rote Farbe an und ihr Licht ist dann meist so schwach, dass man bedenkenlos hineinblicken kann. Bei besonders farbenprächtigen Sonnenuntergängen sind nicht nur die Sonne und von ihr beleuchtete Wolken in intensive Gelb- und Rottöne getaucht, sondern auch mehr oder weniger große Teile des ansonsten blauen westlichen Himmels.
Die verschiedenen Farben fallen natürlich nicht vom Himmel. Das weiße Sonnenlicht enthält ein ganzes Spektrum von Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge, denen im sichtbaren Bereich die bekannten Spektralfarben zugeordnet werden können. Wechselwirkungen des Lichts mit der Materie führen unter bestimmten Bedingungen dazu, dass das weiße Licht in einzelne Farben zerlegt wird. Das bekannteste Naturphänomen einer solchen „Entmischung“ dürfte der Regenbogen sein, der durch Brechung und Reflexion des Sonnenlichts in Wassertropfen zustande kommt. In ihm werden die im weißen Licht enthaltenen Farben nach Wellenlängen sortiert vor dem Hintergrund der dunklen Regenwolke entfaltet. Im sichtbaren Bereich erstreckt sich das Spektrum vom langwelligen Rot über Gelb, Grün zum kurzwelligen Blau und Violett.
Wenn das Sonnenlicht auf die Luftmoleküle der Atmosphäre trifft, werden die kurzwelligen Blau- und Violettanteile wesentlich stärker in alle Richtungen gestreut als die langwelligen Rot- und Gelbtöne (Rayleigh-Streuung). Als grobe Veranschaulichung dafür kann man Wasserwellen betrachten. Kleine Hindernisse beeinflussen Wellen mit vergleichbar kleiner Wellenlänge wesentlich stärker als Wellen mit großer Länge.
Die Streuung des weißen Sonnenlichts hat eine für das Leben auf der Erde entscheidende Konsequenz. Tagsüber ist es nicht nur in Richtung der Sonne hell, sondern in jeder Richtung – wir sind von einer Art indirekter dreidimensionaler Beleuchtung durch die Licht streuenden Luftmoleküle umgeben. Als Farbe dieses Tageslichts ergibt sich aus der Summe der zahlreichen Streuvorgänge das typische Himmelsblau. Ähnlich wie beim transparenten Wasser zeigt sich diese Blaufärbung allerdings erst, wenn man durch größere Schichten blickt – ins Meer oder zum Himmel.
Wenn sich die Sonne gegen Abend zum Horizont hin bewegt, wird der Weg des Lichts durch die Atmosphäre immer länger. Am Horizont ist er etwa 35 mal so lang wie der Weg vom Zenit zur Erdoberfläche. Deshalb wird dann aus dem direkten Sonnenlicht wesentlich mehr an kurzwelligen als an langwelligen Anteilen herausgestreut. Außerdem nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass bereits gestreutes Licht erneut gestreut wird (Mehrfachstreuung). Insgesamt bleiben schließlich fast nur das langwellige Gelb und Rot übrig. Zusätzliche größere Streupartikel (Aerosole) verstärken den Effekt, dass nicht nur das direkte Sonnenlicht, sondern mehr oder weniger große Teile des westlichen Abendhimmels rot erscheinen.
Da die Sonnenstrahlen bei weiterem Absinken der Sonne hinter den Horizont immer höhere Bereiche des Himmels erreichen, wäre zu erwarten, dass auch der Himmel im Zenit schließlich sein Blau einbüßt. Lediglich die wenigen Strahlen vom oberen Rand der Sonne, die noch durch die oberen Schichten der Atmosphäre gehen, würden noch in geringem Maße mit seitwärts gestreutem, blauem Licht zur Farbe des Himmels beitragen und eine eher gelbliche bis grünliche Mischfarbe erwarten lassen. Doch der Himmel bleibt im Zenit blau.
Schuld an diesem unerwarteten Befund sind die hauptsächlich in der unteren Stratosphäre (also in einer Höhe von 15 bis 50 km) vermehrt vorkommenden Ozonmoleküle, die man zusammenfassend als Ozonschicht bezeichnet. Ozon absorbiert vor allem orangenes und gelbes Licht; ist aber für blaues Licht weitgehend durchlässig, sodass die Schicht wie ein den ganzen Himmel umspannender blauer Farbfilter wirkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die langwelligen Anteile des Dämmerungslichts den Zenit und die höheren Bereiche erreichen und nach wie vor das Blau dominiert. Begünstigt wird der Effekt dadurch, dass das Licht der bereits untergegangenen Sonne einen besonders langen Weg durch die Ozonschicht zurücklegt, so dass die Absorption des langwelligen Lichts entsprechend groß ist (siehe Grafik).
Je mehr die Sonne im Westen absinkt, desto höher steigt im Osten der Erdschatten, der sich als graublauer Bogen bemerkbar macht. Für den Fall, dass das Dämmerlicht stark genug ist, um auch am östlichen Himmel als schwach rötlicher Schein sichtbar zu werden, verschwindet dieser immer mehr  im aufsteigenden Erdschatten, der schließlich selbst in den tiefblauen Nachthimmel übergeht.
Genaugenommen ist der Erdschatten weniger ein Schatten im geometrischen Sinn, sondern wird weitgehend durch das gestreute blaue Licht bestimmt, das in der Ozonschicht aus der von langwelligem Licht dominierten Dämmerung herausgefiltert wurde.
Der erstaunliche Befund, dass einige Zeit nach dem Sonnenuntergang der Himmel wieder seine blaue Färbung annimmt, hat ursprünglich nicht nur Naturwissenschaftler erstaunt und zu Forschungsanstrengungen veranlasst. Auch Dichter und Denker haben sich von diesem Phänomen beeindrucken lassen und sprechen von der Blauen Stunde. Ihr werden Wirkungen zugeschrieben, die weit über das Physikalische hinausgehen.
Wer bis hierher gefolgt ist, wird sich vielleicht fragen, ob die Blaufilterwirkung der Ozonschicht nicht auch am Tage auftreten müsste. Sie ist natürlich auch am Tage wirksam. Allerdings ist sie wesentlich schwächer als die Rayleigh-Streuung, die uns das Himmelsblau beschert. Es ist erstaunlich, dass das was man als selbstverständlich hinzunehmen gewohnt ist, nämlich, dass der Himmel im Zenit sowohl am Tage als auch in der Nacht blau ist, sich zwei gänzlich unterschiedlichen physikalischen Vorgängen verdankt, so als käme es darauf an, das Himmelsblau auf jeden Fall zu erhalten.
Die Blaue Stunde ist nicht nur am Abend nach Sonnenuntergang, sondern auch am Morgen vor Sonnenaufgang mit vergleichbaren Phänomenen zu erleben. Obwohl physikalisch gesehen die gleichen Vorgänge ablaufen, kann das individuelle Erlebnis aufgrund der umgekehrten Reihenfolge und der damit verbundenen subjektiven Eindrücke ein ganz anderes sein.

Diskussionen

8 Gedanken zu “Die Blaue Stunde aus der Sicht der Physik

  1. Toller Beitrag lieber Joachim ☀️
    Und wie ist das mit dem grünen Leuchten (Filmtitel, Eric Rohmer)?
    Herzliche Morgengrüße vom Lu

    Verfasst von finbarsgift | 5. Juli 2020, 06:55
  2. Sehr interessanter Artikel
    Edgar

    Verfasst von seescho | 12. Juli 2020, 19:50

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