PHÄNOMENE DES ALLTAGS

Unsere Erde ist leider kein idealer Standort für astronomische Beobachtungen: Die Atmosphäre verschluckt einen Teil des Sternlichtes, und die Drehung der Erde sowie ihr Lauf um die Sonne erschweren zunächst die Orientierung am Himmel.

WARUM IST DER HIMMEL BLAU?

Wer einen wolkenlosen, strahlend blauen Urlaubshimmel winters im tief verschneiten Hochgebirge genießt, kann der Antwort auf diese Frage ein Stück näherkommen. Der weiße Schnee bezieht seine Farbe wie alle weiß erscheinenden Oberflächen aus dem Vermögen, das auftreffende Licht aller Farben gleichermaßen gut zu reflektieren. Auf dem Foto einer verschneiten Landschaft wird dies besonders deutlich, denn dort kann man erkennen, dass nur der sonnenbeschienene Schnee wirklich weiß erscheint; Schnee im Schatten, der nur das Blau des Himmels reflektieren kann, zeigt dagegen einen bläulichen Schimmer. Die Sonne aber leuchtet eindeutig gelblich, zumindest dann, wenn sie hoch am Himmel steht – wieso also erscheint der Schnee weiß und nicht auch gelb?

SPURENSICHERUNG IM SCHNEE

Wenn der Schnee im Schatten bläulich erscheint, weil er nur das Himmelsblau reflektieren kann, der sonnenbeschienene Schnee dagegen weiß aussieht, weil er das blaue Himmelslicht und das gelbe Sonnenlicht reflektiert, dann liefert offenbar die Addition von blauem und gelbem Licht weißes Licht.

Umgekehrt wird weißes Licht gelb, wenn man den blauen Anteil ganz oder teilweise herausfiltert. Genau das passiert in der irdischen Lufthülle, wo das an sich weiße Licht der Sonne seinen Blauanteil verliert und eine gelbe Sonne zurückbleibt.

Jetzt müssen wir nur noch herausfinden, was diese Aufspaltung des weißen Sonnenlichtes in das aus allen Richtungen gleichmäßig auftreffende Himmelsblau und die nach wie vor scharf begrenzt erscheinende Sonne bewirkt. Dazu ist uns eine weitere Beobachtung hilfreich: Die Sonne sieht nur hoch am Himmel leicht gelb aus – näher zum Horizont erscheint sie dagegen zunehmend gelborange, orange oder gar orangerot. Da kaum jemand ernsthaft behaupten wird, dass die Sonne selbst ihre Farbe verändert, muss auch hier ein anderer Prozess am Werke sein – vielleicht sogar der gleiche, der für das Himmelsblau verantwortlich ist. Dazu betrachten wir die Abbildung hier. Im rechten Teil steht die Sonne hoch am Himmel, und der Weg ihres Lichts durch die Erdatmosphäre ist auffallend kurz – erst auf den letzten rund 50 Kilometern bis zum Erdboden muss es durch eine Gasschicht von nennenswerter, nach unten deutlich zunehmender Dichte hindurch. Im linken Teil steht die Sonne dagegen für den gleichen Betrachter tief über dem Horizont. Oberhalb der Atmosphäre kommt nach wie vor weißes Sonnenlicht an, der Betrachter am Erdboden dagegen sieht die Sonne rötlich, und auch der Himmel ist nun in ein rotes Licht getaucht. Auch ohne eine exakte geometrische Betrachtung sieht man sofort, dass der Weg des Sonnenlichtes durch die dichteren Schichten der Erdatmosphäre jetzt wesentlich länger ist als im ersten Fall, denn es trifft nur noch streifend auf die Lufthülle und muss entsprechend schräg durch die Atmosphärenschichten hindurch. Wenn jetzt aber Sonne und Himmel rötlich leuchten (und entsprechend auch der sonnenbeschienene Schnee im Hochgebirge in der Abendsonne einen deutlichen Rotschimmer zeigt), ist offenbar der gesamte Rest des ursprünglich weißen Sonnenlichtes auf dem langen Weg durch die Atmosphäre verloren gegangen. Dafür spricht auch, dass die Sonne jetzt bei Weitem nicht mehr so grell leuchtet und so stark wärmt wie um die Mittagszeit. Der Blauanteil färbt einige Hundert Kilometer weiter westlich, wo die Sonne noch etwas höher über dem Horizont steht, den Himmel weiterhin blau, und wenn aus dem verbleibenden gelben Licht der Sonne dann auch noch die mittleren Wellenlängen herausgefiltert werden, bleibt am Ende ein orangeroter Glutball übrig.

DES RÄTSELS LÖSUNG

Mit anderen Worten entsteht das Blau des Taghimmels durch einen Ausleseprozess, der innerhalb der Erdatmosphäre abläuft und umso stärker wirkt, je länger der Weg des Lichtes durch diese Lufthülle ist. Dieser Prozess macht sich darüber hinaus bei blauem Licht besonders stark bemerkbar. Beobachtungen des britischen Physikers Lord John William Rayleigh lieferten im 19. Jahrhundert eine Erklärung für diesen Vorgang: Es sind die Atome und Moleküle der Erdatmosphäre selbst, die für die himmlischen Farbkompositionen verantwortlich gemacht werden können. Wenn sie vom Sonnenlicht getroffen werden, werden sie kurzzeitig gleichsam elektrisiert, müssen aber diese überschüssige Energie unmittelbar danach wieder an die Umgebung zurückgeben. Und da diese „Rückgabe“ der von außen auf sie eingeprasselten Energie in alle möglichen Richtungen denkbar ist, wird ein Teil des Lichtes aus dem ursprünglichen Strom herausgefischt und in alle anderen Richtungen „gestreut“.

An dieser Stelle ist es hilfreich, auf eine Modellvorstellung der Physiker für die Beschreibung des Lichtes zurückzugreifen: Sie betrachten Licht (und andere Formen der elektromagnetischen Strahlung) als Wellen mit unterschiedlicher Frequenz oder Wellenlänge. Dabei entsprechen die einzelnen Farben verschiedenen Wellenlängen: Blaues Licht zum Beispiel besitzt Wellenlängen von etwa 420 bis 480 Nanometer (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter), während Licht von 640 bis 800 Nanometer Wellenlänge als rot bezeichnet wird. Die betroffenen Luftmoleküle sind noch etwa 50- bis 100-mal kleiner.

Lord Rayleigh fand 1861 heraus, dass der beschriebene Streuprozess stark wellenlängenabhängig ist und damit eine klare Farbauslese begünstigt: Je kürzer die Wellenlänge des auftreffenden Lichtes, desto stärker wird das Licht gestreut – blaues Licht etwa 16-mal so stark wie rotes. Kein Wunder also, dass der Himmel tagsüber blau erscheint.

So schön ein strahlend blauer Himmel auch aussehen mag – für astronomische Beobachtungen hat er einen entscheidenden Nachteil: Er ist so hell, dass man die Sterne am Tag mit bloßem Auge nicht sehen kann. Allenfalls Mond und Venus – in Ausnahmesituationen auch Jupiter – können sich gegen diesen hellen Himmel abheben. Daraus kann man ableiten, dass der Taghimmel rund 10.000-mal heller als der Nachthimmel erscheint.

ATMOSPHÄRISCHE ERSCHEINUNGEN

Dass sich das an sich weiße Sonnenlicht aus verschiedenen Farben zusammensetzt, wird auch beim Regenbogen deutlich. Er entsteht, wenn das Sonnenlicht auf Regentropfen trifft und von diesen reflektiert wird. Dabei vollzieht sich die Reflexion aber nicht an der Außenhülle der Regentropfen – dann gäbe es nämlich nur eine Vielzahl von Lichtpunkten, die zu einem weißen Lichtbogen verschmelzen.

In Wirklichkeit dringt das Licht in die Tropfen ein und wird dabei wie von einer Glaslinse „gebrochen“, das heißt, vom geraden Weg abgelenkt. Und weil diese Lichtbrechung auch wellenlängenabhängig ist, wird blaues Licht stärker abgelenkt als rotes – es trifft also weiter unten im Regentropfen auf die Rückseite, wo es schließlich reflektiert wird. Wenn das solchermaßen vorsortierte und reflektierte Licht an der „Vorderseite“ des Regentropfens wieder austritt, wird es erneut gebrochen, und auch diesmal ist das blaue Licht stärker betroffen als das rote Licht. Das führt dann dazu, dass der Beobachter einen in die typischen Regenbogenfarben aufgefächerten Licht-bogen sieht, der innen blau und außen rot erscheint. Seit alters her, als die Zahl Sieben aus mancherlei Gründen mit der Vollkommenheit der Welt in Verbindung gebracht wurde, kennt man sieben Regenbogenfarben: Violett – Indigo – Blau – Grün – Gelb – Orange – Rot.

Eine ähnliche Ursache haben andere atmosphärisch-optische Erscheinungen wie etwa Nebensonnen und weitere Halo-Formen, Lichthöfe oder auch irisierende Wolken. Jedes Mal gibt es ein „Medium“, das das auftreffende Sonnen- oder auch Mondlicht in seine Farbbestandteile aufspaltet und unter einem bestimmten Winkel reflektiert oder beugt.

Halos, zu denen außer den auffälligen und häufig beobachteten Nebensonnen auch noch der sogenannte 22-Grad-Ring, der (seltene) 46-Grad-Ring, die Lichtsäule und der Horizontalkreis sowie weitere Formen gehören, werden durch Lichtbrechung an sechseckig geformten Eiskristallen verursacht, wobei die jeweilige Ausrichtung dieser Kristalle bestimmte Haloformen bevorzugt: Voraussetzung für Nebensonnen (und Nebenmonde) sowie Lichtsäulen sind waagerecht (horizontal) ausgerichtete Eisplättchen, während beim 22-Grad-Ring keine Vorzugsausrichtung notwendig ist. Diese Eisplättchen treten vor allem in hochfliegenden Cirrus-Wolken auf, die meist frühzeitig auf eine herannahende Warmfront mit zunehmender Luftfeuchte hinweisen. Lichthöfe werden dagegen durch die Beugung des Sonnen- oder Mondlichtes an mehr oder minder großen Wassertröpfchen in vergleichsweise dünnen Wolken verursacht; je kleiner die Tröpfchen, desto größer erscheint der kreisförmige Lichthof und kann so zwischen drei und sechs Grad Durchmesser erreichen. Mitunter kann man selbst um die helle Venus einen kleinen Lichthof erkennen. Da auch diese Beugungserscheinung wellenlängenabhängig ist, zeigen Lichthöfe einen rötlichen Außenrand; weiter innen überlagern sich die einzelnen Farben wieder zu einem einheitlichen Grauton. Auch das gelegentliche Irisieren von dünnen Wolken in der Umgebung der Sonne ist auf solche Beugungseffekte innerhalb der Wolken zurückzuführen.

Leuchtende Nachtwolken, die in den Wochen um die Sonnenwenden vornehmlich in hohen nördlichen und südlichen Breiten beobachtet werden können, schweben in extremen Höhen jenseits von 80 Kilometer. Dort oben kristallisiert sich die ohnehin nur geringe Luftfeuchte offenbar an meteoritischen Staubteilchen, die permanent von außen auf die Erdatmosphäre treffen und dann langsam nach unten sinken. Typisch ist ein bläuliches Erscheinungsbild dieser meist fasrigen Wolken, die in dieser Höhe noch von der (Mitternachts-) Sonne beleuchtet werden, während am Beobachtungsort selbst die Dämmerung schon mehr oder weniger weit fortgeschritten ist. Diese geometrischen Voraussetzungen erklären zugleich, warum die leuchtenden Nachtwolken vornehmlich um die Sonnenwende und verstärkt in hohen Breiten gesehen werden – für Beobachter weiter südlich bleiben die Wolken sehr horizontnah oder werden gar nicht mehr von der Sonne beleuchtet.

HIMMLISCHE DREHUNGEN

Jeder weiß aus eigener Anschauung, dass die Sonne allmorgendlich in etwa der gleichen Richtung am Himmel sichtbar wird und jeden Abend auf ungefähr der gegenüberliegenden Seite wieder verschwindet; dazwischen zieht sie in einem mehr oder minder hohen Bogen über den Himmel und erreicht dabei um die Mittagszeit ihre größte Höhe – sie „kulminiert“, wie die Astronomen sagen. Wenn man über Tage, Wochen und Monate immer wieder die Richtung bestimmt, in der die Sonne diese Kulmination erreicht, wird man feststellen, dass die Richtung sich im Laufe der Zeit nicht verändert. Diese Mittagsrichtung wird Südrichtung genannt, die Sonne steht also mittags genau im Süden. Wer nach Süden blickt, hat linker Hand Osten und rechter Hand Westen – und Norden, die vierte der Haupthimmelsrichtungen, im Rücken. Ein bekannter Kinderreim hält diesen Sachverhalt fest: „Im Osten geht die Sonne auf, im Süden steigt sie hoch hinauf, im Westen wird sie untergeh’n, im Norden ist sie nie zu seh’n.“

Da die Sterne nachts das gleiche Bewegungsmuster zeigen, glaubten die Menschen früher, der gesamte Himmel würde sich im Laufe eines Tages von Ost nach West um die Erde drehen. Inzwischen dürfte sich jedoch herumgesprochen haben, dass in Wirklichkeit die Erde in der gleichen Zeit in umgekehrter Richtung – also von West nach Ost – um ihre eigene Achse wirbelt, am Äquator immerhin mit einer Geschwindigkeit von mehr als 460 Metern pro Sekunde, also eigentlich schneller als der Schall; dass wir trotzdem keinen permanenten Überschallknall hören, liegt allein daran, dass sich die Erde gemeinsam mit der Atmosphäre in einem weitgehend leeren (Welt-)Raum dreht.

Die Vorstellung von einer sich drehenden Erde wurde zwar schon im antiken Griechenland diskutiert, ist dann aber aufgrund fehlender Beobachtungsnachweise wieder verworfen worden – aus der bloßen Beobachtung der westwärts gerichteten Wanderung der Gestirne am Himmel entlang lässt sich eine Entscheidung nämlich nicht fällen.

Ein klärendes Experiment wurde in der Mitte des 19. Jahrhunderts von dem französischen Physiker Jean Bernard Foucault ausgeführt: Er ließ damals im Pariser Panthéon ein langes Pendel schwingen und konnte zeigen, dass sich die Erde unter der – räumlich unverändert bleibenden – Schwingungsrichtung des Pendels drehte. Einen weiteren Hinweis auf die real existierende Drehung der Erde liefern die typischen Windströmungen in der Tropenzone: Luft, die aus größeren (nördlichen und südlichen) Breiten zum Äquator strömt, bleibt hinter der dort schnelleren Drehgeschwindigkeit der Erde zurück und weht dann nicht aus Norden oder Süden, sondern aus Nordosten oder Südosten (Nordost- bzw. Südost-Passat). Aus dem gleichen Grund strömen die Luftmassen in der Umgebung eines Tiefdruckgebietes auf der Nordhalbkugel entgegen dem Uhrzeigersinn um das Tiefdruckzentrum, auf der Südhalbkugel dagegen im Uhrzeigersinn.

Durch diese Erddrehung verändert sich unsere Blickrichtung ständig: Im Osten taucht der Horizont, der unser Gesichtsfeld „nach draußen“ begrenzt, scheinbar immer weiter ab und gibt so den Blick auf neue Himmelsregionen frei, im Westen dagegen steigt er ständig höher und versperrt den Blick wieder. Unsere Sprache hat diesen Wandel des Weltbildes allerdings verschlafen, denn wir sagen immer noch, dass die Sonne (oder irgendein anderes Gestirn) „aufgeht“, wenn es im Osten sichtbar wird, und „untergeht“, wenn der Horizont es wieder bedeckt.