Blauer Himmel – Weiße Wolken von Heinz Konrad Müller

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Gastbeitrag von Heinz Konrad Müller* für sinnblock.de


Warum ist der Himmel blau? – Warum sind die Wolken weiß?  Das fragen wissbegierige Kinder und Erwachsene. Hier ist ein Versuch, es verständlich zu erklären. Die physikalischen Vorgänge werden dabei vereinfacht. Der wissenschaftliche Kern bleibt jedoch erhalten.  

Licht besteht aus sehr kleinen Teilchen, die man Photonen nennt. Sie bewegen sich immerzu geradlinig, mit Lichtgeschwindigkeit. Vom Mond bis zu uns brauchen sie nur eine Sekunde. So schnell ist das Licht. Weil die Sonne aber sehr weit von uns entfernt ist, braucht das Licht von der Sonne bis zu uns schon acht Minuten. Ohne dass uns das bewusst ist, sehen wir die Sonne abends noch ein paar Minuten, obwohl sie in Wirklichkeit schon unter dem Horizont verschwunden ist. Die zwar sehr große aber doch endliche Lichtgeschwindigkeit bewirkt, dass wir immer in die Vergangenheit sehen, wenn wir in den Sternhimmel blicken.

Das Sonnenlicht ist eine Mischung aus sehr vielen Photonen, die anscheinend ganz verschiedene Farben hervorbringen. Wir sehen das an den Spektralfarben im Regenbogen, die man grob einteilen kann in Blau, Grün, Gelb, Orange, Rot. Photonen fliegen sehr schnell geradeaus und sie schwingen dabei. Das kann man sich so vorstellen, dass die Photonen sich quer zu ihrer Flugrichtung immerzu ein wenig hin und her bewegen. Jedes Photon schwingt in einem bestimmten Takt, man sagt auch, mit einer bestimmten Frequenz. Ein Photon des blauen Lichts schwingt sehr schnell, mit hoher Frequenz, ein Photon des roten Lichts schwingt langsamer.

Wenn ein Photon, von der Sonne kommend, geradeaus durch den annähernd leeren Weltraum fliegt und dann in die Lufthülle unserer Erde eindringt, ist es dort plötzlich von Luft umgeben. Die Luft besteht aus sehr vielen Teilchen, den Luftmolekülen. In der Luft kann ein Photon nicht dauernd geradeaus fliegen, weil es immer wieder mit Luftmolekülen zusammenstößt. Bei jedem Zusammenstoß ändert sich die Flugrichtung des Photons. Das geschieht mit allen Photonen, die dadurch über den ganzen Himmel gestreut werden. Wegen ihrer schnellen Schwingbewegung stoßen Photonen des blauen Lichts viel häufiger an Luftmoleküle als andere Photonen. Deshalb wird blaues Licht viel mehr gestreut als andersfarbiges, und aus der Luft kommt hauptsächlich blaues Licht auf uns zu. Deshalb erscheint uns der ganze Himmel blau. Photonen werden in alle Richtungen gestreut, nicht nur nach unten, zum Erdboden hin, sondern auch nach oben, zum Weltraum hin. Deshalb sehen Raumfahrer auch vom Mond aus die Erde als blaue Kugel. 

Ohne Lichtstreuung würden uns auf der Erde überwiegend Photonen treffen, die direkt von der Sonne auf uns zu fliegen. Der ganze Himmel würde uns rabenschwarz erscheinen, bis auf die gleißend helle Sonne, die leuchtend blaue Erdkugel und die Sterne. So erleben es Raumfahrer, wenn sie sich außerhalb der Lufthülle im Weltall befinden.

Jetzt kommt die Frage: Weshalb sehen wir am blauen Himmel Wolken und warum sind diese Wolken weiß? Bislang haben wir nur von Luftmolekülen gesprochen. Die Luft enthält aber auch viel Wasser. Auch im blauen Himmel schwebt viel Wasser, das wir aber nicht sehen, weil es zu einzelnen Wassermolekülen verdampft ist, die viel kleiner sind als Luftmoleküle und deshalb die Photonen kaum streuen. Das ändert sich erst, wenn aus den sehr kleinen Wassermolekülen größere Wassertröpfchen werden. Kondensieren heißt das in der Sprache der Physiker. Nun schweben in der Lufthülle spiegelnde Wassertröpfchen. Sie bilden die die Wolken. In den Wolken spiegeln sich Photonen aller Spektralfarben und das sehen wir als weißes Licht. Deshalb sind die Wolken weiß.   

An einem warmen Tag, wenn die weißen Wolken zuerst an den Rändern ausfransen und schließlich im blauen Himmel verschwinden, bedeutet das: die Wassertröpfchen verdunsten und werden wieder zu unsichtbar kleinen Wassermolekülen. Bilden sich hingegen durch Abkühlung immer mehr Wassertröpfchen und die Wolke wird dichter, lässt sie immer weniger Sonnenlicht durch und erscheint vom Erdboden aus immer dunkler. Die Energie der Photonen erwärmt die dichten Wolken, die deswegen nach oben steigen und manchmal hohe Wolkentürme bilden. Vom Weltraum her oder aus einem hoch fliegenden Flugzeug erscheinen uns alle Wolken – auch wenn sie von unten dunkel aussehen – dennoch hell weiß, weil wir von oben her in den Wolken gespiegeltes Sonnenlicht sehen. Aus dem Weltraum sehen wir auch auf der blauen Erdkugel die weißen Wolken.


*Über den Autor: Heinz Konrad Müller, *1933, Univ. Prof. bis 1995; Fluid Sealing Technology; www.fachwissen-dichtungstechnik.de

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