Eine der ältesten Fragen, die Kinder Eltern stellen: Warum ist der Himmel blau? Und eine der Fragen, die selbst Physik-Lehrer manchmal etwas ungenau beantworten. Ich gebe zu, ich habe das früher auch mit „weil das Licht so gebrochen wird“ abgekürzt und gehofft, dass keiner nachfragt. Heute mache ich es ordentlich.

Worum es nicht geht

Vorab das Wichtigste: Der Himmel ist nicht blau, weil sich das Blau des Meeres spiegelt. Dieses Märchen hält sich erstaunlich hartnäckig. Wer mal über einem Wüstengebiet oder über Mitteleuropa im Winter geflogen ist, sieht denselben blauen Himmel ohne Meer in Sichtweite. Die Erklärung muss also in der Atmosphäre selbst stecken.

Sonnenlicht ist gemischt

Sonnenlicht sieht für uns weiß aus, ist aber in Wirklichkeit eine Mischung aus allen Farben des sichtbaren Spektrums, also von Rot über Gelb und Grün bis Violett. Das hat Isaac Newton schon im 17. Jahrhundert mit einem Prisma gezeigt. Jede dieser Farben entspricht einer bestimmten Wellenlänge: Rot ist mit etwa 700 Nanometern die längste Welle, Violett mit etwa 380 Nanometern die kürzeste.

Wenn dieses Licht in die Erdatmosphäre eintritt, trifft es auf Moleküle, hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff. Die sind viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Und genau das ist der Punkt.

Rayleigh-Streuung: kurz ist stark

Wenn Licht auf Teilchen trifft, die deutlich kleiner sind als seine Wellenlänge, wird es gestreut. Dieses Phänomen heißt nach seinem Entdecker Rayleigh-Streuung. Das Entscheidende ist die mathematische Form: die Streuintensität ist proportional zu eins durch die vierte Potenz der Wellenlänge. In Worten heißt das: kurze Wellen werden viel stärker gestreut als lange.

Wie viel stärker? Wenn man Blau (etwa 470 nm) mit Rot (etwa 680 nm) vergleicht, ergibt sich ein Verhältnis von ungefähr 1 zu 4,4. Blau wird also rund viereinhalbmal so stark in alle Richtungen verteilt wie Rot. Genau das sehen wir am Himmel: Das blaue Licht erreicht unser Auge nicht direkt aus Richtung Sonne, sondern aus der ganzen Atmosphäre.

Warum nicht violett?

Hier kommt der Punkt, an dem die meisten Erklärungen aufhören. Denn wenn kürzere Wellen stärker gestreut werden, müsste der Himmel eigentlich violett aussehen. Violett hat ja noch kürzere Wellen als Blau. Warum tut er das nicht?

Zwei Gründe. Erstens: Die Sonne sendet weniger Licht im violetten Bereich aus als im blauen. Das Strahlungsspektrum unserer Sonne hat sein Maximum im grün-gelben Bereich, nimmt nach beiden Seiten ab, und für Violett bleibt einfach weniger übrig. Zweitens, und das ist der eigentliche Knackpunkt: unser Auge. Die Zapfen in der Netzhaut sind für Blau viel empfindlicher als für Violett. Das Auge sieht das wenige Violett, das oben ankommt, einfach kaum.

Was wir als „Himmelblau“ wahrnehmen, ist also eine Mischung aus tatsächlich vorhandenem blauem Streulicht, einem kleinen Anteil Violett, einem Rest von Grün und unserer eigenen Wahrnehmung obendrauf.

Und der rote Sonnenuntergang?

Gleicher Effekt, andere Geometrie. Wenn die Sonne tief steht, läuft ihr Licht durch eine viel dickere Schicht Atmosphäre, bevor es uns erreicht. Auf diesem langen Weg wird das Blau fast komplett weggestreut. Übrig bleiben die langen Wellen: Rot und Orange. Deswegen wird der Himmel am Horizont bei Sonnenuntergang warm-orange, manchmal dramatisch rot, vor allem wenn zusätzlich Staub oder Asche in der Luft schwebt. Nach Vulkanausbrüchen sehen Sonnenuntergänge oft monatelang besonders intensiv aus.

Was man daraus lernen kann

Die Antwort auf eine Kinderfrage führt durch drei verschiedene Themenfelder: Wellenoptik, Sonnenphysik, Sinnesphysiologie. Genau das ist es, was mich an der Physik bis heute fasziniert: scheinbar harmlose Fragen haben oft Antworten, die in mehrere Richtungen gleichzeitig zeigen. Und manchmal ist die kurze Antwort „Rayleigh-Streuung“ zwar richtig, aber eben nur die halbe Geschichte.

Beim nächsten klaren Sommertag mal kurz nach oben gucken und daran denken, dass das ganze Blau, das man sieht, eigentlich Licht ist, das sich in den letzten Sekundenbruchteilen an Luftmolekülen verirrt hat. Finde ich beruhigend.

Drei Stellen, an denen das Modell wackelt

Damit jetzt keiner glaubt, mit Rayleigh-Streuung ist die Sache erledigt: Es gibt mindestens drei Situationen, in denen die simple Erklärung an ihre Grenzen stößt.

• Wolken sind weiß, nicht blau. Wolken bestehen aus Wassertröpfchen, die viel größer sind als die Wellenlänge des Lichts. Hier greift nicht Rayleigh-, sondern Mie-Streuung. Die ist nicht so stark wellenlängenabhängig, also werden alle Farben ähnlich gestreut. Ergebnis: weißlich-grau.
• Nebel macht das gleiche. Auch hier sind die Teilchen groß. Deswegen verschluckt Nebel die Sonne in einem milchigen Schimmer, statt sie blau zu verfärben.
• Der Mars-Himmel ist tagsüber rötlich und am Horizont blau. Genau umgekehrt zur Erde. Liegt am dort hängenden roten Eisenoxid-Staub: Tagsüber dominiert die Staubstreuung, abends die Atmosphären-Streuung über große Distanzen.

Selbstversuch im Wohnzimmer

Wer Rayleigh-Streuung mit eigenen Augen sehen möchte: ein klares Wasserglas, einen Tropfen Milch, eine Taschenlampe. Milch hineinrühren, sehr wenig. Taschenlampe von der Seite durchstrahlen. Von der Seite betrachtet sieht man das Wasser leicht bläulich. Schaut man direkt durch das Glas in die Lampe, wirkt das Licht gelblich-orange, weil der blaue Anteil seitlich weggestreut wurde. Genau dasselbe macht die Erdatmosphäre, nur mit Sonne und Luftmolekülen statt Milch.

Ich habe das vor Jahren in der Schule gerne im Halbdunkel des Physikraums vorgeführt. Hat fast immer einen „Ach so!“-Moment ausgelöst. Und das ist eigentlich das Ziel jedes Physikunterrichts: ein paar Mal Ach-so im Jahr.