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Himmel (planetär)

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Datei:Misty morning03.jpg
Morgendlicher Himmel mit Wolkenlandschaft

Als Himmel wird allgemein das von der Erde oder noch allgemeiner von der Oberfläche eines Planeten aus durch die Atmosphäre mit Blick in Richtung des Weltraums gesehene Panorama bezeichnet.

Das Himmelsgewölbe

Datei:Trees-sky.jpg
Wolkenloser Himmel am 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 2- bis 3-mal weiter entfernt ist als im Zenit. Dies liegt großteils am unterschiedlichen Azur (Himmelsblau), daneben tragen auch Effekte der Entfernungschätzung in Bezug zum sichtbaren Horizont bei, wie sie etwa der Mondtäuschung zugrunde liegen. Das Erscheinungsbild des Himmels als über die Erde gewölbte Schale ist in vielen Mythologien vorhanden und hat zur langen Dauer des geozentrischen Weltbildes beigetragen.

Der Taghimmel

Warum ist der Himmel hell?

Datei:NASA-Apollo8-Dec24-Earthrise.jpg
Der Mond besitzt keine Atmosphäre, deshalb ist sein Himmel schwarz. Zu sehen ist die Erde aus der Sicht von Apollo 8.

Durchdringt das Sonnenlicht die Atmosphäre, wird ein Teil des Lichts gestreut und erhellt so den Himmel. Ohne diese Streuung bzw. ohne Atmosphäre wäre der Himmel fast − wie der Weltraum − schwarz. Zu dieser Diffusstrahlung trägt wesentlich die Streuung durch Sauerstoff und Stickstoff in der Atmosphäre bei. Eine andere Ursache, speziell bei Dämmerung sichtbar, ist das Absorptionsverhalten der Ozonschicht.

Das Himmelsblau

Datei:Why is the sky blue.svg
Gestreute blaue Strahlung des Himmels tagsüber

Tagsüber erhält der Himmel seine blaue Färbung infolge der Streuung des Sonnenlichts an den Molekülen der Erdatmosphäre. Hierbei wird das kurzwelligere blaue Lichtspektrum etwa 16-mal stärker gestreut als das rote Licht am anderen Ende. Je nach Winkel zur Sonne ist das Streulicht unterschiedlich stark polarisiert.

Die Sonnenstrahlung, die uns normalerweise weiß erscheint, ist aus einem Lichtspektrum verschiedener Wellenlängen zusammengesetzt. Dieses Spektrum wird vom Menschen aufgrund seiner Farbwahrnehmung als weiß empfunden, ist jedoch keine Eigenschaft des Sonnenlichtes selbst. Wird das weiße Licht zum Beispiel mit Hilfe eines Prismas gestreut, sind die unterschiedlichen Spektralfarben wahrnehmbar. Auch die intensiven Farben von monochromatischem Licht sind keine Eigenschaft des Lichts selbst, sondern Teil der menschlichen Farbwahrnehmung. Man muss nicht notwendigerweise monochromatisches Licht verwenden, um Licht farbig erscheinen zu lassen. Es genügt, wenn einige Spektren des Sonnenlichts stärker oder schwächer vorhanden sind als beim weißen Licht.

Datei:Rayleigh-Streuung von Sonnenlicht.png
Leistungsverteilung von direktem und gestreutem Sonnenlicht

Beim Himmelsblau des Tages wird das Sonnenlicht an winzigen Molekülen der Luft gestreut, die erheblich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes (Rayleigh-Streuung) und kann aus beliebigen Richtungen in unsere Augen gelangen. Das Bild zeigt, dass das Intensitätsmaximum der direkten Sonnenstrahlung im grünen Spektralbereich liegt, das Maximum des Streulichtes aber weit in den UV-Bereich wandert. Das genügt für ein Sonnenbad, das menschliche Auge ist dafür aber unempfindlich. Der Himmel scheint zu leuchten und dies vorzugsweise mit kurzwelligem Licht, das der Mensch als blau empfindet.

Der Ort mit dem blausten 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 den Durchtritt des kurzwelligen blauen Lichts stören könnten, was in einem besonders strahlenden Blau resultiert. Ungünstige Streuungseffekte in der Atmosphäre lassen den Himmel andernorts eher weißlich-blau erscheinen.[1]

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 der 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

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Himmelsblau bei Dämmerung verursacht durch das Absorptionsverhalten der Ozonschicht

Durch Licht zu Eigenschwingungen angeregte Teilchen zog schon Leonhard Euler am 27. Juli 1760 heran, um das Blau des Himmels zu erklären.[2] 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, wie Stickstoff oder Sauerstoff für die Lichtstreuung verantwortlich sein müssten. Für eine Streuung an so kleinen Teilchen bestand aber kein Erklärungsmodell. Erst Einstein beschrieb ein Modell für photoelektrische Effekte an Molekülen, das im Einklang mit vielen Experimenten war.

Jedoch blieb eine Ungereimtheit bestehen: das tiefe Blau des Himmels während der Dämmerung. Entsprechend der Theorie der Rayleigh-Streuung sollte eigentlich der kurzwellige blaue Anteil des Sonnenlichts schon beim Durchgang der Sonnenstrahlen durch den langen Weg durch die Erdatmosphäre (~ 35-mal länger als bei Sonnenhöchststand) während eines Sonnenuntergangs herausgestreut werden, 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 dagegen das blaue Licht des Himmels vollständig durch die Ozonschicht verursacht.

Der Himmel zu anderen Tageszeiten

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 einfach zu gering. Vom Weltraum aus betrachtet sieht man deshalb nur den sehr viel helleren Hintergrund des Himmels: die Erdoberfläche. Befindet man sich hingegen auf der Erdoberfläche, hat man einen sehr dunklen Hintergrund zur Verfügung, um den blauen Himmel betrachten zu können: den Weltraum. Die Nachtseite der Erde ist durch Streuungseffekte auch nie ganz dunkel, weitaus beherrschend ist heute – abgesehen von der Wolkendecke – aber die sog. Lichtverschmutzung durch den Menschen.

Siehe auch

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 und/oder Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. www.farbimpulse.de
  2. S.I. Wawilow: Briefe an eine deutsche Prinzessin über einige Gegenstände der Physik und Philosophie


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