Mama, Papa, warum ist der Himmel blau?
Einführung
Warum ist der Himmel blau? Warum ist der Himmel blau? Es ist die typische Kinderfrage, die Eltern immer wieder in Verlegenheit bringt. Aber wenn Ihr Kind sie stellen würde, könnten Sie sie beantworten? In diesem Artikel kommen wir direkt auf das Wesentliche zu sprechen, um Sie zum Experten für die Farbe des Himmels zu machen.
- Was macht den Himmel blau?
- Die Erde hat eine Atmosphäre
- Warum ist der Himmel aus dem Weltraum blau?
- Warum streut rotes und grünes Licht nicht am Himmel?
- Ist der Himmel immer blau? Warum Sonnenuntergänge rot oder orange aussehen
- Warum streuen kürzere blaue Wellenlängen mehr als rote und grüne (Tieftauchen)?
Abbildung 1 Warum ist der Himmel blau?
Was macht den Himmel blau?
Die Antwort liegt darin, wie blaues Licht in der Atmosphäre gestreut wird. Mit anderen Worten: Das Blau des Himmels während des Tages ist darauf zurückzuführen, dass die blauen Wellenlängen des Sonnenlichts von der Atmosphäre effizienter gestreut werden als andere Farben, so dass der Himmel in alle Richtungen blau erscheint.
Um die lange Antwort zu verstehen, müssen Sie ein paar Dinge wissen. Erstens enthält das Sonnenlicht alle Farben des Regenbogens (rot, blau, grün usw.). Sie sollten auch wissen, dass sich das Licht größtenteils in geraden Linien bewegt.
Abbildung 2 Wir sehen nur Licht, das direkt auf unsere Augen trifft.
Da die Sonne eine Kugel ist, breitet sich ihr Licht in alle Richtungen aus. Aber wir sehen nur das Licht, das direkt auf unsere Augen trifft. All das andere Licht, das in verschiedene Richtungen geht, sehen wir nicht. Und es gibt noch eine weitere Sache, die Sie wissen müssen und die als nächstes erklärt wird.
Die Erde hat eine Atmosphäre
Die Atmosphäre der Erde enthält Partikel wie Sauerstoff und Stickstoff. Blaue Lichtphotonen, die von der Sonne kommen, treffen auf diese Partikel und streuen in alle Richtungen.
Abbildung 3 Blaues Licht trifft auf Partikel in der Atmosphäre und wird gestreut.
Ein Teil des gestreuten blauen Lichts erreicht unsere Augen, und das ist es, was den Himmel blau erscheinen lässt. In Wirklichkeit sind es Milliarden und Abermilliarden von blauen Lichtphotonen, die am Himmel gestreut werden, die den gesamten Himmel blau erscheinen lassen.
Abbildung 4 Milliarden von Milliarden von gestreutem blauem Licht lassen den Himmel blau erscheinen.
Ohne die Atmosphäre würde der Himmel zu jeder Tageszeit dunkel erscheinen.
Ohne Atmosphäre gäbe es keine Streuung des Lichts und der Himmel würde dunkel erscheinen, selbst wenn die Sonne über ihm steht. Haben Sie die Bilder der Mondlandung gesehen – der Himmel ist immer dunkel, weil es keine Atmosphäre und keine Lichtstreuung am Himmel gibt.
Abbildung 5 Keine Atmosphäre bedeutet keine Streuung und einen dunklen Himmel.
Warum ist der Himmel aus dem Weltraum blau?
Vom Weltraum aus sehen Astronauten keinen blauen Himmel, der sie umgibt. Das liegt daran, dass sie sich außerhalb des dichten Teils der Erdatmosphäre befinden, wo es nicht genügend Luftmoleküle gibt, um das Sonnenlicht in alle Richtungen zu streuen. Ohne diese Streuung erscheint der Himmel schwarz, selbst wenn die Sonne hell leuchtet.
Das bedeutet jedoch nicht, dass die Erde selbst nicht blau ist. Aus dem Weltraum betrachtet erscheint der Planet immer noch blau, was auf eine Kombination aus der Reflexion der Ozeane und der Streuung des Sonnenlichts in der Erdatmosphäre zurückzuführen ist, insbesondere entlang der gekrümmten Kante des Planeten.
Diese Unterscheidung hebt ein wichtiges Konzept hervor: Für einen blauen Himmel muss sich der Beobachter innerhalb der Atmosphäre befinden, während eine blaue Erde aus der Ferne zu sehen ist, da das Sonnenlicht mit dem Planeten als Ganzem interagiert.
Warum streut rotes und grünes Licht nicht am Himmel?
Der Hauptunterschied zwischen einem blauen Photon und grünem/rotem Licht ist ihre Wellenlänge. Blaue Wellenlängen sind kürzer als grüne oder rote Wellenlängen, weshalb sie beim Auftreffen auf atmosphärische Partikel stärker gestreut werden.
Abbildung 6 Die Wellenlängen verkürzen sich beim Übergang von Rot zu Grün zu Blau.
Rote und grüne Photonen streuen zwar, aber weniger als blaue Photonen. Die meisten dieser rot-grünen Photonen der Sonne bewegen sich in geraden Linien von der Sonne weg und erreichen nie unsere Augen.
Ist der Himmel immer blau? Warum Sonnenuntergänge rot oder orange aussehen
Das hat auch mit der Atmosphäre zu tun, aber es ist ein wenig knifflig. Die Atmosphäre hat eine gleichmäßige Dicke um die Erde herum. Ihr Standort relativ zur Sonne verändert jedoch die Dicke der Atmosphäre, durch die sich das Licht bewegt. Um dies zu verstehen, müssen Sie sich die Situation visuell ansehen.
Abbildung 7 Der Horizont ist rot, weil das Licht bei Sonnenuntergang mehr Atmosphäre durchqueren muss.
Das Licht der Sonne am Mittag durchquert die Atmosphäre mit einer gewissen Dicke. Die Sonne in der Morgendämmerung steht jedoch tiefer am Himmel und muss aufgrund des Winkels zwischen Ihnen und der Sonne im Verhältnis zur Sonne und der Atmosphäre eine größere Dicke der Atmosphäre durchqueren.
Abbildung 8 Das Licht durchquert bei Sonnenuntergang mehr Atmosphäre als zur Mittagszeit.
Diese Entfernung gibt den blauen Photonen mehr Zeit, sich von uns wegzustreuen, weil die Winkel mit zunehmender Entfernung größer werden. Dadurch bleibt hauptsächlich rotes und grünes Licht durch. Wenn Grün und Rot kombiniert werden, erhalten Sie das orangefarbene Leuchten des Sonnenuntergangs. Denken Sie daran, dass Rot und Grün nicht so stark gestreut werden.
Abbildung 9 Ein großer Teil des blauen Lichts wurde gestreut, bevor es uns erreichen kann, und hinterlässt das orangefarbene Glühen des rot/grünen Lichts.
Warum streuen kürzere blaue Wellenlängen mehr als rote und grüne (Tieftauchen)?
Wir nennen dieses Streuphänomen den Rayleigh-Effekt, benannt nach Lord Rayleigh, auch bekannt als John William Strutt, der darüber im 19. Er erklärte die Beziehung zwischen Streuung und Lichtwellenlängen anhand der Formel in Abbildung 10. Im Grunde genommen ist Lamda (λ) die Wellenlänge und Sigma (σ) kann als die Menge der Streuung betrachtet werden.
Abbildung 10 – Die Rayleigh-Gleichung, die das umgekehrte Verhältnis von Streuung und Wellenlänge erklärt.
Wenn Ihr Lamda (λ) oder Ihre Wellenlänge abnimmt, steigt der Sigma-Wert (σ). Daher hat eine kürzere Wellenlänge (λ), z.B. Blau, einen größeren Sigma- oder Streueffekt, und weniger für Grün und noch weniger für Rot. Dies ist in Abbildung 11 des Spektrums zu sehen.
Abbildung 11 – Dieses Spektrum des Himmels zur Mittagszeit zeigt, dass Blau stärker streut als Grün, das wiederum stärker streut als Rot (mit Ausnahme des fernen Rots), entsprechend der Gleichung für das umgekehrte Verhältnis in Abbildung 10.
Der Rayleigh-Effekt erklärt das Verhalten, aber nicht den Grund. Der Grund für das Ausmaß der Streuung im Verhältnis zur Wellenlänge der Photonen liegt in den Quantenwechselwirkungen zwischen Licht und Teilchen.
Dies wurde erst viel später in der Arbeit „The Quantum Theory of Atomic Rayleigh Scattering“ erklärt, die von A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov, und A. A. Lisyansky (2020). Diese Publikation befasst sich eingehend mit subatomaren Teilchen, Elektronenzuständen und der Teilchenverschränkung, was den Rahmen dieses Artikels bei weitem sprengen würde (siehe Endnachweis der Publikationen).
Abbildung 12 – Das Spektrum in der Dämmerung – mehr rotes und grünes Licht oberhalb des Horizonts.
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Zusammenfassung
Der Grund, warum der Himmel blau ist, ist nicht so schwierig. Das Sonnenlicht enthält alle Farben des Regenbogens. Die blauen Farben streuen am Himmel in alle Richtungen, weil sie auf Partikel in der Atmosphäre treffen (z.B. Sauerstoff, Stickstoff). Ein Teil dieser verstreuten blauen Farbe erreicht unsere Augen und lässt den Himmel blau erscheinen. Andere Farben (rot, grün, usw.) streuen nicht so gut, weil sie längere Wellenlängen haben.
Und deshalb ist der Himmel blau.
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Referenzen:
- XXXIV. Über die Übertragung von Licht durch eine Atmosphäre, die kleine Teilchen in Suspension enthält, und über den Ursprung des Himmelsblaus | William John Strut alias Lord Rayleigh |1899 | https://zenodo.org/records/1431249
- The Quantum Theory of Atomic Rayleigh Scattering | A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov, and A. A. Lisyansky | October 2020. |https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-2501&id=446591.
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