Rayleigh-Streuung

Reflexionen am frühen Morgen

An einem morgendlichen Spaziergang taucht plötzlich wie an einem hell erleuchteten Baum gepinnt, mein Schattenbild auf. Auch wenn es nur ein Schatten ist, das Gefühl, dass er etwas mit mir zu tun hat, lässt sich einfach nicht vermeiden.
Schaut man genauer hin, so zeigt sich, dass die durch die Zwischenräume zwischen den Bäumen hervorgebrachten Lichtspalten nicht nur Teile anderer Bäume erhellen, sondern auch den Boden. Dadurch entsteht zuweilen der irritierende Eindruck als würden die Bäume teilweise ihre Grenzen überschreiten.
Die gelbliche Farbe des Lichts zeigt, dass die Sonne noch sehr tief steht und ihr Licht einen so langen Weg durch die Atmosphäre zurücklegt, dass infolge der sogenannten Rayleigh-Streuung die kurzen Wellenlängen (vor allem die Blautöne) zum großen Teil durch Streuung zu den Seiten verloren gegangen sind. „Verloren“ ist nicht ganz korrekt, denn das vorwiegend herausgestreute kurzwellige Licht sorgt als Himmelblau bzw. Tageslicht tagsüber für die typische indirekte Beleuchtung, ohne die wir ansonsten nur etwas im direkten Licht der Sonne sehen würden. Das wären dann optisch gesehen ähnliche Verhältnisse wie auf dem Mond, der keine Licht streuende Atmosphäre besitzt.

Miniaturdämmerung in großer Höhe

Die Sonne ist bereits hinter dem Wald verschwunden. Der Himmel ist wolkenfrei und leuchtet in einem einheitlichen Blau. Daher gibt es keine Streukörper die das auf die langen Wellen Rot und Gelb reduzierte Sonnenlicht auf die Erde umlenken könnten.
Doch plötzlich flammen in großer Höhe zwei feuerrote Streifen auf, die im ersten Moment wie feurige Fackeln aussehen. Es sind die Kondensstreifen, die das Sonnenlicht in alle Richtungen streuen, sodass es auch in unsere Augen gelangt.

Himmelblaue Augen

Nur etwa 10% der Menschen haben blaue Augen. Damit ist gemeint, dass bei diesen Menschen die Ringblenden (Iris) um die Pupillen blau erscheinen, während bei 90% der Weltbevölkerung Brauntöne dominieren. Von den Blauäugigen leben die meisten Menschen im Ostseeraum. In Estland sind es sogar 99%. Warum das Braun derart dominant ist und das Blau vor allem im Norden vorkommt, kann man beispielsweise hier nachlesen. Entscheidend für die Seltenheit der blauen Augen ist, dass Blau rezessiv vererbt wird. Denn eigentlich ist das Blau der Augen gar keine Farbe. Jedenfalls gibt es im Auge keine blauen Pigmente. Der Effekt, der zu blauen Augen führt, tritt bei allen Menschen auf. Er wird allerdings meistens von den braunen Pigmenten überstrahlt, sodass er bei braunen Augen nicht zu sehen ist. Blaue Augen kommen daher nur dadurch zustande, dass sie kaum über braune Pigmente verfügen.
Dieser Blaueffekt fällt zwar nicht vom Himmel, hat aber mehr mit dem Himmelblau zu tun als man vielleicht vermutet. Dabei denke ich gar nicht so sehr an poetische Vergleiche, sondern knallharte physikalische Fakten. Es empfiehlt sich daher zunächst noch einmal kurz zusammenzufassen, wie es zum Himmelblau kommt.
Der Himmel beginnt auf der Erde. Denn das was wir vom blauen Himmel sehen, ist die transparente Luftschicht, die die Erde umgibt. Deren Blau fällt allerdings erst ab einer bestimmten Schichtdicke auf und tritt vor allem vor entfernten Bergen und dem pechschwarzen Weltall besonders in Erscheinung.
Die Färbung entsteht stark vereinfacht gesagt dadurch, dass der Blauanteil des Sonnenlichts an den Luftmolekülen wesentlich stärker gestreut (also aus der Einfallsrichtung des weißen Lichts abgelenkt) wird als die übrigen Farbanteile (Wellenlängen) insbesondere des langwelligen Rots. Deshalb sehen wir nicht nur Licht aus der Richtung der Sonne, sondern aus allen Richtungen. Diese sogenannte Rayleigh-Streuung führt zu einer für das Leben auf der Erde bedeutsamen indirekten Beleuchtung, deren Blau wir meist gar nicht als solches wahrnehmen.
Die Rayleigh-Streuung tritt aber nicht nur an den Luftmolekülen auf, sondern auch an winzigen Teilchen von der Größenordnung der Wellenlängen des sichtbaren Lichts in Flüssigkeiten (z.B. in Wasser, das mit ein wenig Milch versehen wird), Gasen und in Festkörpern. Auch die Iris bzw. die Regenbogenhaut unserer Augen enthält solche Streuteilchen. Diese bewirken, dass vor allem das kurzwellige blaue Licht gestreut wird, während das restliche Licht weiter eindringt und absorbiert wird. Mit anderen Worten: Die Ähnlichkeit blauer Augen mit dem Himmelblau betrifft nicht nur den gleichen Farbton, sondern auch den physikalischen Entstehungsmechanimus.
Übrigens: Die in der Abbildung zu erkennenden Strukturen in der Iris verweisen auf ein interessantes Strukturbildungsphänomen. Es führt dazu, dass jeder Mensch unabhängig von der Farbe seiner Augen, ein individuelles Muster vorweisen kann. Aber das ist eine weitere Geschichte, auf die ich später eingehen werde.

Reflexionen im und um den Schnee

Um zu begreifen, dass der Himmel überall blau ist,
braucht man nicht um die Welt zu reisen.

Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

Die Ausbeute an Phänomenen war in dieser kurzen aber heftigen Schneeperiode, wie wir sie hier seit Jahrzehnten nicht hatten derart groß, dass ich auch in dieser Tauphase noch einiges nachtragen möchte. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Januar 2019

Wie kommt es zu den blauen Augen?

Erklärung des Rätselfotos des Monats Dezember 2018
Frage: Wie kommt es zu diesen Lichtschweifen?

Antwort: Des Rätsels Lösung besteht darin, dass die Situation durch einen doppelt verglasten Raumteiler hindurch gesehen wird. Da eine Glasscheibe nicht nur Licht durchlässt, sondern auch Licht spiegelnd reflektiert, blicken wir hier auf die leuchtenden Kerzen, die an beiden Glasscheiben reflektiert werden. Genau genommen finden auch noch Reflexionen an den beiden Grenzschichten jeder Scheibe statt. Da diese sehr dicht beieinander liegen, werden sie nicht mehr getrennt sichtbar. Aber es bleibt nicht bei der einen Spiegelung. Da sich die beiden Scheiben gegenüber stehen, werden die Spiegelbilder und auch noch die Spiegelbilder der Spiegelbilder reflektiert und so weiter, bis die Intensität des Restlichts so schwach ist, dass man es schließlich nichts mehr sieht. Denn wir sehen die Spiegelungen der Spiegelungen überhaupt erst dadurch, dass bei jeder Reflexion auch ein Teil des Lichtes durch die Scheibe hindurch geht und in unser Auge gelangt. Was wir hier spiegelnd reflektiert sehen, sind Spiegelbilder. Für sie gilt aber dasselbe wie für reale Objekte. Sie sind so weit hinter dem Spiegel zu sehen, wie der Gegenstand davor. Deshalb erscheint mit jeder Generation einer Spiegelung das Spiegelbild um den Abstand der beiden spiegelnd reflektierenden Grenzflächen weiter entfernt.
Im Prinzip haben wir es mit einer Art Unendlichkeitsspiegel zu tun. Einer zweier parallel gegenüberstehender Spiegel ist mit einem Guckloch versehen. Blickt man hindurch sieht man eine – im Prinzip unendlich lange – Schlange von Gucklöchern und Lampen(bildern). Aber auch manche Designobjekte, z.B. in Form eines Kerzenhalters führen nach diesem Prinzip zu Lichtschweifen.
Bleibt noch die Frage, warum die Schweife von Spiegelbildern auf einen Fluchtpunkt zuzulaufen scheinen. Dies ist ein Perspektiveneffekt der sich vom Beobachter entfernenden Spiegelbilder. Irgendwo am virtuellen Fluchtpunkt der Schweife ist die Linse der gespiegelten Kamera, die hier jedoch nicht zu sehen ist, weil sie durch das Licht der realen Kerzen überstrahlt wird.

Der Abend wechselt langsam die Gewänder

Die Wolken werden noch vom farbigen Licht des Sonnenuntergangs beleuchtet, obwohl die Urheberin der Beleuchtung, die Sonne, bereits untergegangen ist. Sie ist – geozentrisch gesprochen – bereits so tief gesunken, dass ihr Licht nicht mehr direkt zu uns vordringt. Nur die hochstehenden Wolken werden noch erreicht und reflektieren diffus das zu Dämmerungsfarben „herabgefilterte“ gelb-orangene Licht in unsere Augen (oberes Foto). Und einige Wolken liegen – entgegen dem Augenschein – so tief, dass sie bereits einen dunklen, lichtarmen Ton angenommen haben. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Mai 2018

Wie kommt  es zu den Farben?

Erklärung des Rätselfotos des Monats April 2018

Frage:Was spielt sich hier ab?

Antwort: Das Foto zeigt den Moment, in dem eine auf einem flachen Teich (mit einem aus dunklem und hellem Sand bestehenden Boden) driftende Luftblase platzt. Die Haut der Blase zieht sich gerade zu den Seiten hin zusammen. An dem sichelmondförmigen blauen Reflex des Himmelslichts ist noch ein Teil der Blasenhaut zu erkennen.
Da eine Blase auf dem Wasser einen kleinen Überdruck im Vergleich zum äußeren Luftdruck aufweist und infolgedessen das Wasser ein wenig eindellt, bewegt sich mit dem Platzen und dem damit einhergehenden Druckausgleich die Wasseroberfläche im Bereich der Blase nach oben und löst infolgedessen eine Wellenbewegung aus, die auf dem Foto gleich doppelt visualisiert wird.
Zum einen sieht man die konzentrischen Ringwellen um die platzende Blase herum, weil das vom Untergrund ausgehende Licht an der wellenförmig gekrümmten Wasseroberfläche gebrochen wird. Der Untergrund erscheint daher entsprechend verzerrt. Dazu trägt vor allem die Bewegungsunschärfe aufgrund der endlichen Belichtungszeit der Kamera bei. Deshalb erscheint der durch die bewegte Welle hindurch zu sehende Boden längs der Wellen deutlich erkennbar in die Länge gezogen.
Zum anderen sieht man das an den konzentrischen Wellen gebrochene Sonnenlicht durch Fokussierung und Defokussierung in Form von hellen und dunklen Ringen auf den Teichboden projiziert. Da diese Kaustik teilweise durch die Wellen hindurch gesehen wird, tritt eine entsprechende Verzerrung an ihrer oberen Front auf.
Es ist außerdem zu erkennen, dass die kurzen Wellen den längeren vorauseilen. Wir haben es also mit Kapillarwellen zu tun, bei deren Entstehung die Oberflächenspannung von größerem Einfluss ist als die Schwerkraft. Einige weitere Blasen warten noch auf ihren Einsatz.

Morgendämmerung – die Erden-Sonne tritt zwischen ihre Goldberge

Gestern zeigte sich wieder einmal eine farbenprächtige Dämmerung hinter dem unregelmäßigen Gitter der noch winterlich nackten Pappeln. Außer grün sind fast alle Farben des Spektrums vorhanden. Da stört es dann kaum, wenn sie nicht nach Wellenlängen geordnet auftreten sondern sich aus den Rottönen und dem Himmelsblau mischen. Weiterlesen →

Big Red Blue Moon

Gestern habe ich den „blauen“ Supermond zeigen können. Der kupferrote Mond (manchmal auch Blutmond genannt), den man bei einer Mondfinsternis schemenhaft im Erdschatten sehen kann, wenn es denn dunkel genug ist, blieb uns in unseren Breiten ja leider verwehrt. Nun bekam ich gerade eine Mail aus Kalifornien von Lisa Stinken Rösner, die Gelegenheit hatte, die Mondfinsternis vom Dach ihres Hauses zu erleben. Weiterlesen →

Zum Horizont hin wird es heller

Warum wird bei klarem Wetter die schöne Blaufärbung auf Seen und Bächen zum Horizont hin verwaschener? Dafür kann es verschiedene Gründe geben, die mit den unterschiedlichen Wechselwirkungen des Sonnenlichts mit dem Wasser zusammenhängen.
Doch zuvor ein paar Worte zur Lichtwahrnehmung vorweg. Der Mensch kann Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 350 Nanometern (violett) und 750 Nanometern (rot) sehen, die im Sonnenlicht in einer bestimmten Zusammensetzung enthalten sind. Solange man das Sonnenlicht weitgehend ungestört wahrnimmt, erscheint die Mischfarbe als weiß. Weiterlesen →

El misterio de la sombra azul

Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 5 (2016)

Entre el sol poniente y la luna naciente, la estela de un cohete proyecta un enigmático «rayo de sombra». ¿A qué se debe?

En febrero de 2001, durante el despegue del transbordador espacial Atlantis a bordo de un cohete hacia la Estación Espacial Internacional, pudo verse en el cielo un espectáculo fascinante. Entre la luna naciente —que a primera vista podríamos haber confundido con el sol poniente— y la estela del cohete, se dibujó una enigmática línea azul (ilustración). Para explicar por qué, habremos de recurrir a todo tipo de consideraciones físicas. Y ese no es el único misterio que hay en esta imagen. Weiterlesen →

Im Jahr des Lichts (14) – Die Rötung des Himmels weckt Oasen…

… für den Nomaden der Liebe (Guiseppe Ungaretti)

Eine einfache physikalische Erklärung für die Entstehung des roten Himmels findet man hier.

Das Geheimnis des blauen Schattens

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 10 (2014), 52 – 53

Zwischen untergehender Sonne und aufgehendem Mond lässt der Abgasschweif einer Rakete einen rätselhaften Schattenstrahl entstehen.

Was der Mensch sieht, hängt sowohl davon ab,
worauf er blickt, wie davon, worauf zu sehen
ihn seine visuell-begriffliche Erfahrung gelehrt hat.

Thomas S. Kuhn (1922 – 1996)

PDF: Das Geheimnis des blauen Schattens

Die blaue Stunde

Die Dämmerung ist eine Totalität. Sie hüllt tendenziell alles ein, und obgleich sie sich ausbreitet, ist sie ein Zustand des Ganzen: es dämmert. Als Totalität dämmrigen Lichts wäre sie aber im Bild nicht von einem trüben Tag zu unterscheiden. Sie bedarf deshalb zu ihrer Darstellung des Gegensatzes. Es ist das Licht, das die Dämmerung artikuliert, oder besser: Lichter. Denn Bilder vom Sonnenaufgang oder vom Sonnenuntergang sind keine Dämmerungsbilder. Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge sind Spiele des Lichts und haben als solche im Bild ihr angemessenes Medium, in dem sie zur Darstellung kommen. Farbspiele, Lichtsäume, Beleuchtungseffekte sind die Erzeugenden solcher Anblicke. Die Dämmerung, die sich auf dem Boden ausbreitet oder von den Rändern drohend herankriecht, vermag hier das Licht zu artikulieren, nicht umgekehrt. Dagegen mag  die Dämmerung ihre eigene Farbe haben, aber es ist dann die Farbe des Ganzen, die Grundtönung. Der Dichter Gottfried Benn nennt sie deshalb die blaue Stunde. Aber daß es Dämmerung ist, was im Bild erscheint, wird erst deutlich durch die einzelnen Lichter, die ihr widerstreiten oder die sich noch oder schon gegen sie zu behaupten vermögen – durch den Schein.*

Die Blaue Stunde entspringt aber nicht nur einer subjektive Empfindung. Dem Blau der Stunde liegt auch ein physikalisch erklärbares Phänomen zugrunde.

* Aus: Böhme, Gernot; Theorie des Bildes; Wilhelm Fink Verlag München, 2004

Roter Regenbogen

Bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang erreicht uns von der Sonne oft fast nur noch das rote Licht. Die übrigen kurzwelligeren Anteile des Spektrums des weißen Lichts sind auf dem langen Weg durch die dichte Atmosphäre durch Streuung und Mehrfachstreuung bereits „verlorengegangen“. Wenn nun eine Wand von Wassertropfen in dieses rote Licht der Sonne gerät, entsteht ein roter Regenbogen. Andere Farben stehen nicht mehr zur Verfügung. Der Bogen ist folglich nur auf den Bereich beschränkt, der im normalen spektralfarbigen Licht für den roten Anteil vorgesehen war und erscheint daher entsprechend schmal. In dieser Situation bildet der Bogen nahezu einen Halbkreis. Nur von Bergen oder vom Flugzeug aus, kann man einen noch weiter zum Kreis gekrümmten Bogen erleben.

„Sie schauete auf zum Rosen und Feuerregen, der die hohen grünen Tannen mit Goldfunken und Morgenrot bespritzte; und wie verklärt schien sie vom Boden aufzuschweben, und der rotbrennende Regenbogen leuchtete schön auf ihre Gestalt herunter“ (Jean Paul: Hesperus).

Die Gradation des Himmelsblaus

Auf den ersten Blick sieht der Himmel über Greetsiel strukturlos blau aus. Schaut man genauer hin, so entdeckt man vielleicht ein oft übersehenes Phänomen. Je weiter man sich dem Horizont nähert, desto heller wird es. Direkt über einem im Zenit ist der Himmel dunkelblau. Das Phänomen rührt daher, dass man nach oben blickend nur einige Kilometer Atmosphäre (Troposphäre) durch die hindurch man in das dunkle Weltall blickt. In dieser relativ dünnen Luftschicht sind vor allem die Violett und Blauanteile des Sonnenlichts gestreut worden (Rayleigh-Streuung). Demgegenüber blickt man zum Horizont hin durch ein Vielfaches an Atmosphäre. Das weit gereiste blaue Streulicht wird daher mit großer Wahrscheinlichkeit mehrere Male gestreut. Dabei verliert es immer mehr an Licht mit kürzeren Wellenlängen. Vor allem die Intensität des blauen und schließlich auch des grünen und gelben Lichts nimmt immer mehr ab, so dass schließlich der relative Anteil an rotem und gelbem Licht größer wird. Weiterlesen →

Warum vor Weihnachten der Himmel so rot ist?

In meinen Kindheitstagen hat meine Großmutter mir die Erklärung für dieses Ereignis in Form eines Gedichts gegeben:

De Wiehnachtsmann

Kiek mol, wat is de Himmel so rot,
dat sünd de Engels, de backt dat Brot.
De backt dan Wiehnachtsmann sien Stuten
vor all de lütten Leckersnuten.

Nu flink de Teller ünners Bett
un legt jük henn un west recht nett!
De Sünna Klaas steiht vor de Dör,
de Wiehnachtmann, de schickt em her. Weiterlesen →

Steine: Sonnenaufgang in einem Opal

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/8 (2010), S. 32 – 33

Kombiniert mit einer Blaufärbung der Gebäude ist das Phänomen des »Alpenglühens« auch beim Sonnenaufgang über Johannesburg zu bewundern.

… nicht aus einem Zimmer voll Luft,
sondern erst aus der ganzen Höhe der Luftsäule
kann das Ätherblau eines Himmels geschaffen werden
Jean Paul (1763–1825) Weiterlesen →