Das Blau des Himmels ist gestreutes Sonnenlicht. Die Streuung erfolgt an Luftmolekülen. Diese sind viel kleiner als die Wellenlänge des optischen Lichts, und sie haben einen großen Abstand zueinander. Unter diesen Bedingungen, bei der sog. Rayleigh-Streuung, ver­rin­gert sich das Streuvermögen mit der vierten Potenz der Lichtwellenlänge. Blaues Licht, dessen Wellenlänge die Hälfte der Wellenlänge roten Lichtes hat, wird demnach 16-fach stärker gestreut als rotes! Im Sonnenlicht ist Licht aller Wellenlängen vertreten. Man sieht das beim Regenbogen. Die Mischung empfindet das Auge als weiß. Durch die Streuung in der Atmosphäre wird der Blauanteil geschwächt. Die Sonne selbst erscheint da­durch röter als sie in Wirklichkeit ist. Besonders stark macht sich das bemerkbar, steht sie nahe dem Horizont. Dann ist der Lichtweg durch die Atmosphäre am läng­sten, der Effekt also am größten. Hinzu kommt der Staub in tieferen Luftschichten. Die Folge: ein roter Son­nen­auf- bzw. Sonnenuntergang.

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Ein Elektron in einem Atom oder Molekül, das von Licht bestrahlt wird, gerät durch das elektrische Wechselfeld der Welle in eine erzwungene Schwingung. Eine schwingende Ladung sendet aber (wie in einer Antenne) eine elekt­ro­mag­ne­tische Welle aus — und zwar unabhängig von der Ein­falls­rich­tung der Welle, die das Elektron in Schwingung versetzte. Die Energie wird der einfallenden Welle ent­zo­gen. Wichtig für die Entstehung des Himmelsblaus ist, dass die Streuzentren, die Mo­le­kü­le mit ihren Elekt­ro­nen, zufällig im Raum verteilt sind. Bei regelmäßiger Anordnung, wie in einem Kristall, käme es nämlich zu Interferenzen, und die würden die Seitwärtsstreuung auslöschen. Ein «kristallener» Himmel wäre schwarz!

Licht von der Sonne ist unpolarisiert. Die Schwin­gungs­ebe­nen sind zufällig verteilt. (Die Schwingungsebene wird aufgespannt aus Ausbreitungsrichtung und dem da­rauf senkrecht stehenden Vektor des elektrischen Fel­des.) Elektronen, die im Sonnenlicht "tanzen", tun dies also immer in einer Ebene senkrecht zur Aus­brei­tungs­rich­tung der Welle. Schaue ich in einem Winkel von 90 Grad zur Sonne in den blauen Himmel, "sehe" ich diese "Tanzfläche" von der Kante. Ich befinde mich sozusagen selbst darauf. Egal wie die Schwin­gungs­ebe­ne vor der Streuung lag, die Elektronen schwingen dann senkrecht zu meiner Blickrichtung und senkrecht zur Richtung zur Sonne sowieso. Die Folge: Ein­fach­ge­streu­tes Licht aus dieser Richtung ist vollständig polarisiert, was man durch Drehen eines Polarisationsfilters nach­prü­fen kann.

Kondensiert der Wasserdampf der Luft, bilden sich kleine Wassertröpfchen. Die blockieren das Sonnenlicht wesentlich effektiver als dies einzelne voneinander un­ab­hän­gige Wassermoleküle tun. (Physikalisch ge­spro­chen, weil dann viele Moleküle in Phase schwingen.) Des­we­gen sind Wolken, obgleich sich an der Ge­samt­an­zahl der Moleküle in einem Kubikzentimeter Luft nichts geändert hat, undurchsichtig.

18.07.2003