Himmel (planetär)

Morgendlicher Himmel mit Wolkenlandschaft

Als Himmel wird die Ansicht bezeichnet, die sich einem Betrachter von der Erdoberfläche aus bietet, wenn er in Richtung Weltall blickt. Je nach Tageszeit und Wetterlage können dabei sowohl Erscheinungen in der Atmosphäre als auch Erscheinungen im Weltall gesehen werden. Analog dazu wird auch die Ansicht von der Oberfläche anderer Planeten aus als Himmel bezeichnet.

Das Himmelsgewölbe

Wolkenloser Himmel am Tag

Blauer Himmel mit Wolken bei Tag

Als Himmelsgewölbe bezeichnet man den Teil der Himmelskugel (Firmament), der sich über dem Horizont als scheinbare Halbkugel wölbt.

Tatsächlich erscheint uns die Himmelswölbung eher wie eine flache Schale, die am Horizont weiter entfernt ist als im Zenit.^[1] Dies liegt zum großen Teil am unterschiedlichen Azur (Himmelsblau), daneben tragen auch Effekte der Entfernungschätzung in Bezug zum sichtbaren Horizont bei, wie sie der Mondtäuschung zugrunde liegen. Das Erscheinungsbild des Himmels als über die Erde gewölbte Schale ist in vielen Mythologien vorhanden und hat zum langen Bestehen eines geozentrischen Weltbildes beigetragen.

Der Taghimmel

Warum ist der Himmel hell?

Der Mond besitzt keine Atmosphäre, deshalb ist sein Himmel schwarz. Zu sehen ist die Erde aus der Sicht von Apollo 8.

Dunst macht den Himmel zur Sonne hin heller und weißer. Im Schatten des Turms dominiert das Himmelsblau.

Durchdringt das Sonnenlicht die Atmosphäre, wird ein Teil des Lichts gestreut und erhellt so den Himmel. Ohne diese Diffusstrahlung wäre der Himmel wie der Weltraum „schwarz“. Das Streulicht lässt die Erde auch von außen betrachtet blau und weiß strahlen.

Je nach Winkel zur Sonne ist das Streulicht unterschiedlich stark polarisiert. Bei bedecktem Himmel wird der Polarisationsgrad durch Vielfachstreuung geringer, aber die Winkelverteilung der Polarisationsrichtung bleibt ähnlich.^[2] Vielfachstreuung egalisiert auch die Wellenlängen- und Winkelabhängigkeit der Streuung, weshalb nicht zu dicke Wolken weiß sind. Ein lediglich dunstiger Himmel zeigt jedoch die überwiegende Streuung in Vorwärtsrichtung durch Partikel, die so groß oder größer sind als die Wellenlänge (Mie-Streuung, Bild rechts). Ohne Dunst ist der Tageshimmel tief blau.

Das Himmelsblau

Leistungsverteilung von direktem und gestreutem Sonnenlicht

Licht mit blauer Spektralfarbe wird in Luft etwa 10-mal stärker gestreut als das langwelligere rote Licht, weil die streuende Struktur – lokale Dichteschwankungen der Luft – sehr kleinskalig ist, siehe Rayleigh-Streuung. Das Bild zeigt, dass das Intensitätsmaximum der direkten Sonnenstrahlung im grünen Spektralbereich liegt, das Maximum des Streulichtes aber weit im Ultraviolett-Bereich. Diese unsichtbare Ultraviolettstrahlung genügt für ein Sonnenbad im Schatten.

Der Ort mit dem blauesten und klarsten Himmel der Erde, also dem intensivsten Tages-Himmelsblau, ist nach Messungen des britischen National Physical Laboratory Rio de Janeiro. Dort gibt es in den oberen Schichten der Atmosphäre nur sehr wenig kondensierte Flüssigkeit (Wassertröpfchen) und Staubpartikel, die auch langwelliges Licht stark streuen würden.^[3]

Das Himmelsblau bei Sonnenauf- und untergang und besonders das intensive Blau des Himmels während der Dämmerung und klarem Himmel hat eine andere physikalische Ursache als die Rayleigh-Streuung. Die auch als Blaue Stunde des Ozons bezeichnete Tageszeit basiert auf dem besonderen Absorptionsverhalten der Ozonschicht in 20 bis 30 km Höhe und wurde erst 1952 von dem amerikanischen Geophysiker Edward Hulburt (1890–1982) entdeckt.

Historisches

Himmelsblau bei Dämmerung verursacht durch das Absorptionsverhalten der Ozonschicht

Leonhard Euler zog am 27. Juli 1760 durch Licht zu Eigenschwingungen angeregte Teilchen heran, um das Blau des Himmels zu erklären.^[4] Im 19. Jahrhundert zeigte Tyndall, dass Licht an Kolloiden (kleine Tröpfchen, Staub) gestreut wird (Tyndall-Effekt), und Strutt (Baron Rayleigh), dass Licht an Kolloiden umso stärker gestreut wird, je kurzwelliger es ist (Rayleigh-Streuung). Lichtstreuung an Kolloiden konnte jedoch die Farbe des Himmels nicht recht erklären, da kaum Abhängigkeit von der Menge an Kolloiden in der Atmosphäre besteht. Daher wurde von anderen Wissenschaftlern vermutet, dass die viel kleineren Moleküle von Stickstoff oder Sauerstoff für die Lichtstreuung verantwortlich sein müssten. Für eine Streuung an so kleinen Teilchen bestand aber kein Erklärungsmodell. Erst Albert Einstein beschrieb ein Modell für photoelektrische Effekte an Molekülen, das im Einklang mit vielen Experimenten stand.

Jedoch blieb eine Ungereimtheit bestehen: das tiefe Blau des Himmels während der Dämmerung. Entsprechend der Theorie der Rayleigh-Streuung sollte der kurzwellige blaue Anteil des Sonnenlichts schon beim Durchgang der Sonnenstrahlen durch den langen Weg in der Erdatmosphäre (bei Tiefstand etwa 35-mal länger als bei Sonnenhöchststand) während eines Sonnenuntergangs heraus gestreut werden und der Himmel müsste eigentlich im Zenit grau bis schwarz erscheinen.

Dieses Phänomen wurde erst 1952 von dem amerikanischen Geophysiker Edward Hulburt entdeckt und konnte durch ihn auch erklärt werden. Hulburt konnte nachweisen, dass das Himmelsblau im Zenit während des Sonnenuntergangs nur zu einem Drittel auf der Rayleigh-Streuung, aber zu zwei Dritteln auf dem speziellen Absorptionsverhalten des Ozons beruht. In der Dämmerung wird das blaue Licht des Himmels zu einem großen Teil durch die Ozonschicht und nur zu einem geringen Teil durch die Rayleigh-Streuung verursacht.

Der Himmel zu anderen Tageszeiten

Abenddämmerung: Erwärmung in den höheren Luftschichten fördert die Bildung von Schichtwolken, die das rote Licht reflektieren^[5]

Ähnliche Zusammenhänge gelten auch für den Nachthimmel, sind aber dem freien Auge kaum sichtbar. Dafür sind etliche andere Effekte erkennbar, die der Artikel Nachthimmel ausführlicher behandelt. Mit dem Anblick der Sterne beschäftigt sich der Artikel Sternhimmel, mit den atmosphärischen Erscheinungen des Tag-und-Nacht-Wechsels der Artikel Dämmerung.

Blick auf den Himmel von außen

Obwohl der blaue Anteil des Sonnenlichtes in der Atmosphäre in alle Richtungen gestreut wird, also auch in den Weltraum zurück, ist der „blaue Himmel“ vom Weltraum aus kaum sichtbar. Die Intensität des Streulichtes der Atmosphäre ist im Verhältnis zum reflektierten Licht der Erdoberfläche zu gering. Vom Weltraum aus betrachtet sieht man deshalb nur den sehr viel helleren Hintergrund des Himmels: die Erdoberfläche. Von der Erdoberfläche wird der Himmel gegen den dunklen Hintergrund des Weltraums betrachtet. Das Himmelblau lässt sich dennoch indirekt beobachten: Die Wasserflächen der Erde reflektieren dort, wo keine Wolkenbedeckung vorhanden ist, den blauen Himmel. Da die Erde zu ca. 70 % von Wasser bedeckt ist, ergibt sich das Bild einer „blauen Murmel“. Die Nachtseite der Erde ist durch Streuungseffekte nie ganz dunkel, insbesondere – abgesehen von der Wolkendecke – durch die menschenverursachte Lichtverschmutzung.

Siehe auch

• Aussehen des Himmels anderer Planeten

Literatur

• Ernst Seidl: Der Himmel. Wunschbild und Weltverständnis. MUT, Tübingen 2011, ISBN 978-3-9812736-2-5.
• H. Dittmar-Ilgen: Wie das Salz ins Meerwasser kommt … Hirzel-Verlag, S. 19: Das Rätsel um unseren blauen Planeten.
• Aden Meinel, Marjorie Meinel: Sunsets, Twilights, and Evening Skies. Cambridge University Press, 2. Aufl., 1991, ISBN 978-0-521-40647-5.
• Craig F. Bohren, Alistair B. Fraser: Colours of the Sky. The Physics Teacher, Band 23, Heft 5, 1985, S. 267–272, doi:10.1119/1.2341808.

Weblinks

Commons: Himmel – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise