Die Kombination aus einem blauen Himmel, dunkel über dem Kopf, heller in der Nähe des Horizonts, zusammen mit einer geröteten Sonne bei… entweder Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang, kann alles wissenschaftlich erklärt werden, zusammen mit der blauen Farbe der Ozeane als ein unabhängiges Phänomen. Hier ist die Wissenschaft, wie es funktioniert.
Wenn Sie jemals neugierig auf die Welt waren, in der Sie leben, haben Sie sich wahrscheinlich gefragt, warum der Himmel blau ist. Die falschen Antworten, die die Menschen daraufhin oft geben, sind:
- dass Sonnenlicht einen blauen Farbton hat,
- dass Sauerstoff selbst ein blau gefärbtes Gas ist,
- oder dass der Himmel die Ozeane reflektiert.
Während keine dieser Antworten richtig ist, wirft der letzte Versuch eine verwandte Frage auf, über die sich die Menschen oft wundern: Warum sind die Ozeane blau?
Aus dem Weltraum gesehen, wird der Planet Erde oft als ein blasser blauer Punkt beschrieben, aber es sind nur die Ozeane, die blau gefärbt erscheinen. Die Kontinente, die Wolken und die Eiskappen erscheinen überhaupt nicht blau; es sind die Ozeane, nicht die Atmosphäre, die unserem Planeten seinen Gesamtfarbton verleihen. Jahrtausendelang musste die Menschheit diese Eigenschaften unserer Welt einfach als Tatsachen hinnehmen. Aber mit den Fortschritten der modernen Wissenschaft verstehen wir, warum sowohl der Himmel als auch die Ozeane blau sind.
Wenn die Sonne hoch über dem Himmel steht, ist der Himmel in Richtung Zenit ein viel dunkleres Blau, während der Himmel… in Richtung Horizont ein helleres, helleres Cyan ist. Das liegt an der größeren Menge an Atmosphäre und der größeren Menge an gestreutem Licht, das bei niedrigen Winkeln am Himmel sichtbar ist.
Karsten Kettermann /
Im Gegensatz zu dem, was Sie vielleicht gelesen haben, gibt es keinen einzelnen Faktor, der für den blauen Himmel der Erde verantwortlich ist. Der Himmel ist nicht blau, weil das Sonnenlicht eine blaue Färbung hat; unsere Sonne strahlt Licht mit vielen verschiedenen Wellenlängen aus, und dieses Licht summiert sich zu einer weißen Farbe. Sauerstoff selbst ist kein blau gefärbtes Gas, sondern ist für Licht transparent. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Molekülen und größeren Partikeln in unserer Atmosphäre, die eine Rolle spielen und das Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich stark streuen. Der Ozean spielt für die Farbe des Himmels keine Rolle, wohl aber die Empfindlichkeit unserer Augen: Wir sehen die Realität nicht so, wie sie ist, sondern wie unsere Sinne sie wahrnehmen und unser Gehirn sie interpretiert.
Diese drei Faktoren – das Licht der Sonne, die Streuungseffekte der Erdatmosphäre und die Reaktion des menschlichen Auges – sind es, die zusammengenommen dem Himmel sein blaues Aussehen verleihen.
Schematische Animation eines kontinuierlichen Lichtstrahls, der durch ein Prisma gestreut wird. Wenn Sie ultraviolette… und infrarote Augen hätten, könnten Sie sehen, dass sich das ultraviolette Licht noch stärker krümmt als das violette/blaue Licht, während das infrarote Licht weniger gekrümmt bleibt als das rote Licht.
LucasVB / Wikimedia Commons
Wenn wir das Sonnenlicht durch ein Prisma leiten, können wir sehen, wie es sich in seine einzelnen Bestandteile aufspaltet. Das Licht mit der höchsten Energie ist auch das Licht mit der kürzesten Wellenlänge (und der höchsten Frequenz), während das Licht mit der niedrigeren Energie eine größere Wellenlänge (und eine niedrigere Frequenz) hat als seine hochenergetischen Gegenstücke. Der Grund, warum sich Licht überhaupt aufteilt, ist, dass die Wellenlänge die kritische Eigenschaft ist, die bestimmt, wie Licht mit Materie wechselwirkt.
Die großen Löcher in Ihrer Mikrowelle lassen kurzwelliges sichtbares Licht ein- und ausströmen, halten aber längerwelliges Mikrowellenlicht zurück und reflektieren es. Die dünnen Beschichtungen auf Ihrer Sonnenbrille reflektieren ultraviolettes, violettes und blaues Licht, lassen aber die längerwelligen Grün-, Gelb-, Orange- und Rottöne durch. Und die winzigen, unsichtbaren Teilchen, aus denen unsere Atmosphäre besteht – Moleküle wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid sowie Argon-Atome – streuen Licht aller Wellenlängen, sind aber vorzugsweise effizienter bei der Streuung von blauerem, kurzwelligerem Licht.
Rayleigh-Streuung betrifft blaues Licht stärker als rotes, aber von den sichtbaren Wellenlängen… wird violettes Licht am meisten gestreut. Es liegt nur an der Empfindlichkeit unserer Augen, dass der Himmel blau und nicht violett erscheint. Die längste und die kürzeste Wellenlänge des sichtbaren Lichts unterscheiden sich in der Rayleigh-Streuung um fast eine ganze Größenordnung.
Dafür gibt es einen physikalischen Grund: Alle Moleküle, aus denen unsere Atmosphäre besteht, sind kleiner als die verschiedenen Wellenlängen des Lichts, die das menschliche Auge sehen kann. Die Wellenlängen, die näher an den Größen der vorhandenen Moleküle liegen, werden effizienter gestreut; das Gesetz, dem es gehorcht, ist quantitativ als Rayleigh-Streuung bekannt.
Das violette Licht an der kurzwelligen Grenze dessen, was wir sehen können, streut über neunmal häufiger als das rote, langwellige Licht am anderen Ende unseres Sehvermögens. Das ist der Grund, warum bei Sonnenaufgängen, Sonnenuntergängen und Mondfinsternissen rotes Licht noch effizient durch die Atmosphäre dringen kann, aber die blauen Wellenlängen des Lichts praktisch nicht mehr vorhanden sind, da sie bevorzugt weggestreut werden.
Einige opalisierende Materialien, wie das hier gezeigte, haben ähnliche Rayleigh-Streueigenschaften wie… die Atmosphäre. Bei weißem Licht, das diesen Stein von rechts oben beleuchtet, streut der Stein selbst blaues Licht, lässt aber das orange/rote Licht bevorzugt und ungehindert passieren.
Da die blauen Wellenlängen des Lichts leichter zu streuen sind, wird jedes einfallende direkte Sonnenlicht röter und röter, je mehr Atmosphäre es durchdringt. Der Rest des Himmels wird jedoch durch indirektes Sonnenlicht beleuchtet: Licht, das auf die Atmosphäre trifft und dann in Richtung Ihrer Augen umgelenkt wird. Der überwiegende Teil dieses Lichts hat eine blaue Wellenlänge, weshalb der Himmel tagsüber blau ist.
Einen rötlicheren Farbton nimmt er nur an, wenn es genug Atmosphäre gibt, um das blaue Licht zu streuen, bevor es Ihre Augen erreicht. Wenn die Sonne unterhalb des Horizonts steht, muss das gesamte Licht durch große Mengen an Atmosphäre hindurch. Das blaue Licht wird in alle Richtungen gestreut, während das rötliche Licht viel weniger wahrscheinlich gestreut wird, was bedeutet, dass es einen direkteren Weg zu Ihren Augen nimmt. Wenn Sie jemals nach Sonnenuntergang oder vor Sonnenaufgang in einem Flugzeug sitzen, können Sie einen spektakulären Blick auf diesen Effekt werfen.
Aus sehr großen Höhen am Himmel vor Sonnenaufgang oder nach Sonnenuntergang kann man ein Spektrum von Farben sehen,… verursacht durch die mehrfache Streuung des Sonnenlichts durch die Atmosphäre. Direktes Licht aus der Nähe des Horizonts färbt sich stark rötlich, während weit von der Sonne entferntes, indirektes Licht nur blau erscheint.
Das könnte erklären, warum Sonnenuntergänge, Sonnenaufgänge und Mondfinsternisse rot sind, aber es könnte Sie wundern, warum der Himmel blau statt violett erscheint. In der Tat ist der Anteil des violetten Lichts in der Atmosphäre größer als der des blauen Lichts, aber es gibt auch eine Mischung der anderen Farben. Da unsere Augen drei Arten von Zapfen (für die Erkennung von Farben) in sich tragen, zusammen mit den monochromatischen Stäbchen, sind es die Signale von allen vier, die von unserem Gehirn interpretiert werden müssen, wenn es darum geht, eine Farbe zuzuordnen.
Jede Art von Zapfen, plus die Stäbchen, sind empfindlich für Licht verschiedener Wellenlängen, aber alle von ihnen werden zu einem gewissen Grad durch den Himmel stimuliert. Unsere Augen reagieren stärker auf blaue, cyanfarbene und grüne Wellenlängen des Lichts als auf violettes. Auch wenn es mehr violettes Licht gibt, ist es nicht genug, um das starke blaue Signal unseres Gehirns zu überwinden, und deshalb erscheint der Himmel unseren Augen blau.
Der erste Blick mit menschlichen Augen auf die Erde, die über den Rand des Mondes steigt. Die Entdeckung der… Erde aus dem Weltraum mit menschlichen Augen, bleibt eine der ikonischsten Errungenschaften in der Geschichte unserer Spezies. Apollo 8, die im Dezember 1968 stattfand, war eine der wesentlichen Vorläufer-Missionen für eine erfolgreiche Mondlandung, die sich im Juli dieses Jahres zum 50. Mal jährt. Die blaue Farbe der Erde kommt übrigens von den Ozeanen, nicht von der Atmosphäre.
Die Ozeane hingegen sind eine ganz andere Geschichte. Wenn Sie den Planeten als Ganzes betrachten, mit einem Blick wie aus dem Weltraum, werden Sie feststellen, dass unsere Gewässer nicht einheitlich blau sind, sondern je nach Wassertiefe in ihrem Farbton variieren. Tieferes Wasser ist dunkler, flacheres Wasser ist heller.
Wenn Sie sich ein Foto wie das untenstehende genau ansehen, werden Sie feststellen, dass die Wasserregionen, die an die Kontinente grenzen (entlang der Kontinentalschelfe), einen helleren, cyanartigeren Blauton haben als die tiefen, dunklen Tiefen des Ozeans.
Die Ozeane der Erde mögen blau erscheinen, aber entlang der Kontinentalschelfe erscheinen sie in einem helleren Blauton… als in den tiefsten Teilen des Ozeans. Dies ist kein Artefakt der Art und Weise, wie das Bild erstellt wurde, sondern ein reales Phänomen, das den Unterschied zwischen dem, was vom Ozean selbst in verschiedenen Tiefen absorbiert und reflektiert wird, im Detail zeigt.
NASA / MODIS / Blue Marble Project
Wenn Sie einen direkteren Beweis dafür suchen, dass die Ozeane selbst blau erscheinen, könnten Sie versuchen, unter die Wasseroberfläche zu tauchen und aufzuzeichnen, was Sie sehen. Wenn wir das tun, indem wir unter Wasser bei natürlichem Licht – also ohne künstliche Lichtquellen – fotografieren, können wir sofort sehen, dass alles einen bläulichen Farbton annimmt.
Je weiter wir nach unten gehen, wenn wir Tiefen von 30 Metern, 100 Metern, 200 Metern und mehr erreichen, desto blauer erscheint alles. Das macht viel Sinn, wenn man sich vor Augen führt, dass auch Wasser, genau wie die Atmosphäre, aus Molekülen mit einer endlichen Größe besteht: kleiner als die Wellenlängen des Lichts, das wir sehen können. Aber hier, in den Tiefen des Ozeans, ist die Physik der Streuung ein wenig anders.
Wenn Sie in einen Wasserkörper hinabsteigen und Ihre Umgebung nur von… Wenn Sie in ein Gewässer hinabsteigen und Ihre Umgebung nur durch natürliches Sonnenlicht von oben beleuchten lassen, werden Sie feststellen, dass alles einen bläulichen Farbton annimmt, da rotes Licht als erstes seine Wellenlängen vollständig absorbiert.
Anstatt zu streuen, was die primäre Aufgabe der Atmosphäre ist, wenn Licht durch sie hindurchgeht, absorbiert eine Flüssigkeit wie Wasser in erster Linie Licht (oder absorbiert es nicht). Wasser hat, wie alle Moleküle, eine Vorliebe für die Wellenlängen, die es absorbieren kann. Anstatt eine direkte Wellenlängenabhängigkeit zu haben, kann Wasser am leichtesten infrarotes Licht, ultraviolettes Licht und rotes, sichtbares Licht absorbieren.
Das bedeutet, dass Sie, wenn Sie auch nur in eine bescheidene Tiefe hinabsteigen, keine große Erwärmung durch die Sonne erfahren, vor UV-Strahlung geschützt werden und die Dinge beginnen, blau zu werden, da das rote Licht weggenommen wird. Gehen Sie noch ein wenig tiefer, und die Orangen verschwinden auch.
In größeren Tiefen, wenn das Meer von oben durch natürliches Sonnenlicht beleuchtet wird, verschwinden nicht nur rote Farben… sondern auch Orangen und Gelbtöne. Noch tiefer werden auch Grüntöne absorbiert, so dass nur noch schwaches blaues Licht zu sehen ist.
Dennis Jarvis von flickr
Weiter unten beginnen die Gelb-, Grün- und Violetttöne zu verschwinden. In Tiefen von mehreren Kilometern verschwindet schließlich auch das blaue Licht, wenn auch als letztes.
Deshalb erscheinen die tiefsten Meerestiefen in einem tiefen, dunklen Blau: weil alle anderen Wellenlängen absorbiert werden. Die tiefsten Blautöne, die unter allen Wellenlängen des Lichts im Wasser einzigartig sind, haben die höchste Wahrscheinlichkeit, reflektiert und wieder nach außen abgestrahlt zu werden. Gegenwärtig beträgt die globale durchschnittliche Albedo (der Fachbegriff für das Reflexionsvermögen) unseres Planeten 0,30, was bedeutet, dass 30 % des einfallenden Lichts zurück ins All reflektiert wird. Wäre die Erde jedoch ein reiner Tiefsee-Ozean, würde unsere Albedo nur 0,11 betragen. Der Ozean ist tatsächlich ziemlich gut darin, Sonnenlicht zu absorbieren!
Die Daten des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aus den Jahren 2001 und 2002 wurden zu zwei Hemisphären zusammengesetzt… Beachten Sie, dass es unsere Ozeane, und nur unsere Ozeane, sind, die unserem Planeten sein blaues Aussehen aus dem Weltraum verleihen.
NASA
Der Himmel und der Ozean sind überhaupt nicht aufgrund von Reflexionen blau; sie sind beide blau, aber jeder aus eigenem Willen. Wenn man unsere Ozeane ganz wegnehmen würde, würde ein Mensch auf der Oberfläche immer noch blauen Himmel sehen, und wenn man es schaffen würde, den Himmel wegzunehmen (aber trotzdem irgendwie flüssiges Wasser auf der Oberfläche zu haben), würde unser Planet immer noch blau erscheinen.
Für den Himmel gilt, dass das blaue Sonnenlicht leichter gestreut wird und dadurch indirekt von dort zu uns kommt, wo das Sonnenlicht auf die Atmosphäre trifft. Für die Ozeane gilt, dass längerwelliges sichtbares Licht leichter absorbiert wird, so dass das verbleibende Licht umso dunkelblauer erscheint, je tiefer sie gehen. Blaue Atmosphären mögen für Planeten üblich sein, da Uranus und Neptun sie ebenfalls besitzen, aber wir sind der einzige uns bekannte Planet mit einer blauen Oberfläche. Wenn wir eine andere Welt mit flüssigem Wasser auf ihrer Oberfläche finden, sind wir vielleicht in mehrfacher Hinsicht nicht mehr so allein!