Die Frage der Woche: Warum sind das Wasser und der Himmel blau?

Jede Woche beantworten wir euch Fragen zu allen möglichen Themen. Heute fragt uns Fanzi aus Deggendorf: "Warum ist das Wasser und der Himmel blau?" Hier erfahrt ihr die Antwort ...

An einem sonnigen, klaren Tag genießt man gern die Natur und erfreut sich am sprichwörtlich strahlend blauen Himmel. Wieso ist er so blau, wenn die Sonne doch scheinbar weißes Licht abstrahlt? Und wieso hat er überhaupt eine Farbe?

Dass wir einen blauen Himmel haben, verdanken wir zunächst der Atmosphäre, also der Lufthülle, die die Erde umgibt. Das Gasgemisch besteht zum überwiegenden Teil aus Stickstoff, gefolgt von Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und anderen Gasen in geringen Mengen.

Keine Atmosphäre - kein farbiger Himmel

In Form von kleinsten Teilchen, so genannten Molekülen, bilden diese Gase unsere Lufthülle. Auf Himmelskörpern, die keine Atmosphäre haben, etwa auf dem Mond, ist auch am Tag der Himmel schwarz. Sonne und Sterne erscheinen auch bei Tag als Lichtpunkte am Mondhimmel.

Foto: Die Atmosphäre der Erde - 1999 aus dem Space Shuttle Discovery aus aufgenommen.

Seit Isaac Newton wissen wir, dass weißes Licht nur dem Auge so erscheint. Newton konnte mit einem Prisma zeigen, dass das weiße Sonnenlicht in Wirklichkeit aus rotem, grünen und blauen Licht zusammengesetzt ist. Von der Sonne gelangt das Licht in Form elektromagnetischer Wellen zu uns.

Licht ist elektromagnetische Strahlung

Licht ist nur ein winziger Ausschnitt aus

dem elektromagnetischen Spektrum. Hin zu kürzeren Wellenlängen, jenseits des Blau (hier nach "links"), liegt die energiereiche, kurzwellige Röntgen- und Gammastrahlung. Unterhalb des Rot (hier nach "rechts") kommt zunächst das als Wärme zu spürende Infrarot und schließlich sehr langwellige Radiowellen.

 

 

Das, was wir als sichtbares Licht wahrnehmen, ist ein kleiner Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum. Blaues Licht hat eine kurze Wellenlänge, grün eine etwas längere und rot ist deutlich langwelliger als blaues Licht. Man kann sich auch vorstellen, dass sich blaues Licht mit vielen kleinen, schnellen Trippelschritten bewegt, grün macht schon etwas größere Schritte und rotes Licht schließlich bewegt sich mit weit ausholenden Schritten fort.

Nun trifft der weiß erscheinende, zusammengesetzte Lichtstrahl der Sonne auf die Erde. Während also nun das eilig trippelnde Blau auf seinem Weg sehr häufig mit den Molekülen der Atmosphäre zusammenstößt, kommt das rote Licht in gewisser Weise viel besser voran, weil es große Schritte macht.

Zusammenstöße am Himmel

Fachlich spricht man auch davon, dass die blauen Anteile des Sonnenlichts besonders stark gestreut werden, eben wegen der vielen Zusammenstöße. Die roten Anteile hingegen stoßen viel weniger häufig mit Molekülen zusammen und können viel geradliniger vorankommen. Der Himmel ist also deshalb blau, weil der blaue Anteil des Sonnenlichts besonders stark gestreut wird.

Diesen Effekt nennt man Rayleigh-Streuung nach dem britischen Lord Rayleigh, der das Phänomen entdeckte. Die Rayleigh-Streuung beschreibt, wie sich elektromagnetische Wellen, also auch Licht, an Atomen oder Molekülen brechen.

Besonders blau erscheint der Himmel, wenn die Luft ganz rein und frei von Staubteilchen ist. Denn das Sonnenlicht wird nicht nur an den Molekülen der Luft gebrochen, sondern auch an den in der Atmosphäre vorkommenden Schwebstoffen: Rauchgase aus Vulkanen, Abgase der Fabriken, Staub und Flugsand aus den Wüsten.

Die Luftverschmutzung durch ein Kohlekraftwerk in den USA, bevor Filteranlagen eingebaut wurden. Auch Vulkanausbrüche setzen große Mengen Schwebstoffe frei. Und der Wind nimmt auch aus Wüsten große Mengen Staub auf und transportiert sie über tausende von Kilometern.

Je mehr solcher Schwebstoffe vorhanden sind, desto trüber und weißlicher erscheint der Himmel. Das liegt daran, dass nun auch die roten und grünen Anteile des Sonnenlichts an den Staubteilchen in der Atmosphäre gestreut werden. Und, wie oben schon gesagt: Eine Mischung aller Farbanteile ergibt wieder weißes Licht - darum ist der Himmel bei trüber Atmosphäre weißlich.

Die Zusammenstöße von Licht mit viel größeren Teilchen als Molekülen, also Staubteilchen in der Luft oder gelösten Fetttröpfchen in der Milch, nennt man Tyndall-Effekt. Der irische Physiker John Tyndall (1820-1893) hat nämlich herausgefunden, dass ein Lichtstrahl beim Durchgang durch ein trübes Medium aufgrund der Streuung von der Seite her sichtbar wird.

Den Tyndall-Effekt nutzt man in Rauchmeldern. Bei klarer Luft wird kein Licht gestreut. Trübt Rauch die Luft, dann wird Licht seitlich gestreut und ein Detektor kann es auffangen und Alarm schlagen. Der Tyndall-Effekt ist auch dafür verantwortlich, dass man Lichtstrahlen von der Seite wahrnehmen kann, etwa wenn Licht durch das Fenster fällt oder zwischen Bäumen hindurch in einem Wald.

Und warum ist Wasser blau?

Oft wird vermutet, dass Wasser blau sei, weil sich der Himmel darin spiegele. Aber auch bei trübem Wetter hat Wasser einen bläulichen Schimmer. Diese Färbung ist eine optische Eigenschaft des Wassers und nicht nur eine Spiegelung der Umgebung.

Die Menge in einem Glas ist aber zu klein, als dass hier die blaue Färbung wirklich auffallen würde. Nach dem oben Gesagten könnte man annehmen, dass auch im Wasser die blauen Anteile des Lichts besonders stark gestreut werden und dadurch das Wasser färbt.

Jedoch, die Erklärung ist eine andere: Wasser besteht aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom, zusammen bilden sie das H2O-Molekül, die kleinste Wassereinheit. Auf Grund ihrer Temperatur zuckeln und zappeln die H2O-Moleküle ständig herum.

Dieses Zippeln und Zappeln der Moleküle hat einen Filtereffekt: während das kurzwellige blaue Licht relativ unbehindert an den tanzenden Molekülen vorbei sausen kann, wird das rote Licht deutlich häufiger von den Wassermolekülen aufgefangen , man spricht auch von Absorption.

Wasser erscheint also deshalb blau, weil die blauen Anteile des Lichts das Wasser zügig und problemlos durchqueren können und schließlich das Auge erreichen.

Übrigens:

1. Fülle Wasser in ein Glas und gieße etwa einen Esslöffel Milch dazu. Lass nun im Dunkeln den stark gebündelten Strahl einer Taschenlampe von der Seite aus etwa 2-5 cm Abstand auf das Glas fallen. Die Flüssigkeit scheint wolkig, weil die winzigen Fetttropfen der Milch den Lichtstrahl in alle Richtungen streuen. Aber du sieht noch etwas anderes: Die verdünnte Milch erscheint bläulich.

2. Licht ist nicht farbig! Die Empfindung von Farbe entsteht erst in Auge und Gehirn. In der Philosophie ist diese Tatsache als Qualia-Problem bekannt. Noch immer ist es rätselhaft, wie aus der Erregung von Nervenzellen im Auge durch elektromagnetische Strahlung die Empfindung von Rot wird.

Text: -jj- 4.3.2011 // Bilder: Theo, Tess & Quentin © Tessloff Verlag; Atmosphäre NASA/PD; Spektrum Tatuote cc-by-sa 3.0; Blauer Himmel USDA/PD; Luftverschmutzung US/PD; Meer NOAA/PD;

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