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Physik im Alltag und Naturphänomene, Physik und Kultur, Rubrik: "Schlichting! "

Die Blaue Stunde

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 5 (2021), S. 80 – 81

Es war die Stunde, in der das Licht
die Farben noch nicht hervorgeholt hat

Jorge Luis Borges (1899 – 1986)

Das Licht der tiefstehenden Sonne wechselwirkt maximal mit der Ozonschicht. Dabei werden vor allem Gelb- und Orangetöne absorbiert. Das von Blau dominierte durchgelassene Licht wird in der Atmosphäre gestreut.

Wenn während der Abend- und Morgendämmerung vor und nach der dunklen Nacht ein kräftiges blaues Licht den Himmel beherrscht, ist oft von der Blauen Stunde die Rede. Viele Menschen fühlen sich dem Phänomen emotional verbunden. Schriftsteller und Poeten haben die Blaue Stunde vor allem während und seit der Romantik immer wieder beschrieben und besungen.
Aber auch jenseits aller romantischen Schwärmerei ist die Blaue Stunde aus physikalisch etwas Besonderes. Das zeigt sich bereits darin, dass während dieser Zeitspanne, in der sich die Sonne vom Beobachter aus gesehen etwa 4 bis 8° unter dem Horizont aufhält, die spektrale Zusammensetzung des Blaus eine andere ist als die des Himmelblaus am Tage, das von der Rayleigh-Streuung dominiert wird.
Wenn die Sonne auf- oder untergeht, nimmt sie bekanntlich eine gelbe bis rote Farbe an. Bei besonders farbenprächtigen Sonnenauf– und -untergängen 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.
Da das weiße Sonnenlicht alle Spektralfarben enthält, führen Wechselwirkungen mit der Materie unter bestimmten Bedingungen dazu, dass es in einzelne Farben zerlegt wird. Das bekannteste Ergebnis einer solchen Zerlegung dürfte der Regenbogen sein, der durch Brechung und Reflexion des Sonnenlichts in Wassertropfen zustande kommt. In ihm werden die Spektralfarben nach Wellenlängen sortiert ausdruckstark 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, wird es gestreut. Dabei werden die kurzwelligen Blau- und Violettanteile wesentlich stärker in alle Richtungen abgelenkt 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 (Spektrum, März 2020).
Wenn die Sonne am Horizont steht ist der Weg durch die Atmosphäre etwa 35mal so lang wie die Entfernung vom Zenit zur Erdoberfläche. Deshalb werden bei niedrigem Sonnenstand wesentlich mehr kurzwellige als langwellige Anteile aus dem direkten Sonnenlicht 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 Abend- Morgenhimmels rot erscheinen.
Da die Sonnenstrahlen bei einem Sonnenstand unterhalb des Horizonts sehr hohe Bereiche der Atmosphäre erreicht, wäre zu erwarten, dass auch der Himmel im Zenit sein Blau einbüßt. Lediglich die wenigen Strahlen vom oberen Rand der Sonne, die durch die oberen Schichten der Atmosphäre gehen, würden 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. Die Schicht wirkt daher wie ein den ganzen Himmel umspannender blauer Farbfilter. Auf diese Weise wird verhindert, dass die langwelligen Anteile des Dämmerungslichts den Zenit und die höheren Bereiche der Atmosphäre erreichen und nach wie vor Blau dominiert. Entscheidend für die starke Wirkung ist der besonders lange Weg den die tiefstehende Sonne dabei durch die Ozonschicht zurücklegt (Abbildung 2). Die Absorption des langwelligen Lichts fällt daher entsprechend groß aus.
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. Dies gilt natürlich in umgekehrter Reihenfolge für den Sonnenaufgang im Osten und dem Erdschatten im Westen. Genaugenommen ist der Erdschatten weniger ein Schatten im geometrischen Sinn. Vielmehr wird er weitgehend durch das gestreute blaue Licht bestimmt, das in der Ozonschicht aus dem langwelligen Dämmerungslicht herausgefiltert wird.
Da die Wechselwirkung des Sonnenlichts mit der Ozonschicht der Atmosphäre nicht nur bei tiefstehender Sonne stattfindet, stellt sich die Frage, ob die Blaufilterwirkung der Ozonschicht nicht auch am Tage auftritt. Sie ist am Tage genauso wirksam, allerdings ist der Weg des Sonnenlichts durch die Ozonschicht dann wesentlich kleiner und die Himmelsfarbe wird von der wesentlich stärkeren Rayleigh-Streuung dominiert. Ihr Anteil am Himmelsblau ist daher zu vernachlässigen.
Es ist erstaunlich, dass das was man als selbstverständlich hinzunehmen gewohnt ist, nämlich einen blauen Himmel im Zenit sowohl am Tage als auch in der Nacht, sich zwei gänzlich unterschiedlichen physikalischen Vorgängen verdankt. Man könnte fast den Eindruck gewinnen, dass es der Natur darauf ankäme, das Himmelsblau auf jeden Fall zu erhalten.

Einreichversion. Publikation

Diskussionen

19 Gedanken zu “Die Blaue Stunde

  1. Das klingt alles sehr geheimnisvoll und bedenkenswert, übersteigt aber meine nächtliche Aufnahmefähigkeit. Viellleicht verstehe ich morgen dann, was es mit der Ozonschicht und dem Erdschatten auf sich hat. Gute Nacht (hier sind wir ja schon eine Stunde weiter).

    Verfasst von gkazakou | 3. Mai 2021, 00:11
    • Die blaue Stunde der Romantiker und ihrer Nachfolger wurde lange als Ausdruck rein poetischer Gefühle angesehen. Schon deswegen erscheint mir eine Objektivierung in Form einer physikalischen Erklärung des Phänomens notwendig. Auch wenn ich mich bemüht habe, es so einfach wie möglich zu beschreiben, ist es fachlich anspruchsvoll 😉

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Mai 2021, 07:46
    • Anlässlich eines Kommentars von Gnaddrich ist die Frage aufgekommen, wie es denn in Sprachen geregelt ist, in denen es kein „richtiges“ Wort für blau gibt. Ich erinnere, dass dies bei den Alten tatsächlich der Fall war, weil man sich eher für die hellen Farben interessierte. Aber wie ist es heute? Gibt es so etwas wie die romantischen „Blaue Stunde?

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Mai 2021, 19:30
  2. Ganz wunderbar, danke! Ich bemerkte und liebte schon immer dieses besondere Blau der Dämmerstunde, wusste aber nie, ob nur mir es auffiel, da es sonst niemand zu bemerken schien. Nun weiss ich was passiert, obwohl dadurch der blaue Zauber nicht gemindert wird 😊

    Verfasst von Johanna | 3. Mai 2021, 11:30
  3. Man sieht, man braucht das Ozon auch aus ästhetischen Gründen.

    Verfasst von kopfundgestalt | 3. Mai 2021, 14:57
  4. Sehr interessant. Die blaue Stunde, die allem einen bläulichen Schimmer gibt, kannte ich natürlich. Über die Physik dahinter hatte ich mir nie Gedanken gemacht. So wenige Gedanken, dass ich nicht einmal auf die Idee gekommen war, dass da Physik hinterstecken muss. Vielen Dank für die Aufklärung!

    In dem Zusammenhang würde mich interessieren, ob es das Konzept der blauen Stunde auch in Gesellschaften gibt, in deren Sprache es kein Wort für blau gibt. Davon gibt es eine ganze Menge.

    Verfasst von gnaddrig | 3. Mai 2021, 18:01
    • Die Blaue Stunde ist wohl vor allem ein europäisches Phänomen, insbesondere der deutschen Romantik. Es gibt diesen Ausdruck auch in anderen Sprachen: heure bleu, blue hour… Im Französischen habe ich als Jugendlicher und damals Verehrer von Francoise Hardy, den Ausdruck als Titel eines Chancons gleichen Namens kennengelernt. Darin heißt es „C’est une heure incertaine, c’est une heure entre deux /Où le ciel n’est pas gris même quand le ciel pleut“ (Das ist eine unbestimmte Stunde, das ist eine Stunde zwischen zwei, wo der Himmel nicht grau ist, selbst wenn es regnet.), was zunächst noch keinen Hinweis auf das Phänomen gibt. Im Englischen sieht es meiner (unvollkommenen) Erfahrung nach ähnlich aus.
      Die eher „gefühlte“ Nacht mit dem außerordentlichen Blau in Verbindung zu bringen ist mir bislang nur in der deutschen Literatur aufgefallen.
      Was die „Blaublindheit“ in anderen Sprachen betrifft, so habe ich darüber bislang noch nichts gefunden. Aber es interessiert mich auch und ich werden die Sinne dafür in Zukunft offen halten.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Mai 2021, 19:24
      • Blaublind sind die nicht, sie sehen die Farbe und können sie auch von anderen Farben unterscheiden, haben nur kein Wort dafür. Für uns schwer begreiflich, für die normal. Ähnlich muss es Russen gehen, wenn sie sehen, dass wir nur das eine Wort „blau“ haben, wo sie zwei Farben sehen: голубой (golubój) – hellblau, taubenblau und синий (sínij) – dunkelblau. Russen sehen die Welt in dem Teil des Farbspektrums tatsächlich etwas anders als wir, obwohl sie dieselben Augen haben.

        Der Sprachwissenschaftler Guy Deutscher hat das Phänomen in seinem Buch „Through the Language Glass“ (auf Deutsch: „Im Spiegel der Sprache“) besprochen. Da geht er der Frage nach, ob unsere Sprache Einfluss darauf hat, wie wir die Welt sehen (er kommt zu dem Schluss: Auf jeden Fall, aber anders als Edward Sapir und Benjamin Whorf das dachten), und eines der Phänomene, anhand derer er das untersucht, sind die Farbwahrnehmung und das Vokabular für Farben. Hochinteressant, kann ich nur empfehlen.

        Verfasst von gnaddrig | 3. Mai 2021, 20:21
      • Mit „blaublind“ wollte ich verkürzt genau das sagen. Mit echter Farbenblindheit hat das natürlich nichts zu tun. Von den alten Griechen wusste ich, dass sie die dunklen Farben, darunter blau, angesichts der Dominanz der hellen Farben nicht weiter ausdifferenziert haben. Nach der Sapir-Whorfschen Hypothese sollte ja die semantische Struktur einer Sprache das Vorstellungsvermögen über die Welt mitbestimmen. Ich kann mir auch nicht vorstellen, dass der Einfluss wirklich so groß ist, wie er darin zum Ausdruck kommt. Ich werde deine Anregung zum Anlass nehmen, mir mal das von dir genannte Buch von Deutscher zu Gemüte zu führen. Vielen Dank für den Hinweis!

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Mai 2021, 20:51

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