Warum ist der Himmel blau? Mit ein paar physikalischen Grundlagen lässt sich diese Frage relativ einfach beantworten. Es lässt sich auch beantworten, warum sich der Himmel an manchen Tagen tiefblau und an anderen - trotz wolkenfreien Verhältnissen - weisslich-verwaschen präsentiert.
Zunächst tauchen wir ein wenig in die Physik ein. Aber keine Angst, es wird nicht allzu kompliziert. Die Beschreibungen sind zum Teil ein wenig vereinfacht. Formeln lassen wir weg, respektive wir beschreiben diese im Text.
Das sichtbare Sonnenlicht ist weiss. Es ist aus sieben Spektralfarben zusammengesetzt (rot, orange, gelb, grün, blau, indigo, violett), welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Beim Durchgang des Lichts durch ein Glasprisma oder durch Regentropfen werden diese Farben aufgrund der Brechung des Lichts sichtbar. Die Stärke der Brechung ist von der Wellenlänge abhängig. Das kurzwellige violette Licht wird stärker gebrochen als das langwellige rote Licht.
Auf dem Weg zur Erde trifft das Sonnenlicht auf verschiedenste Atome, Moleküle und andere flüssige und feste Bestandteile der Luft (Aerosole). Dabei wird ein Teil des Lichts aus seiner geradlinigen Bahn abgelenkt und in alle Richtungen gestreut. Aus direktem Sonnenlicht wird dabei diffuses Licht.
Schauen wir uns die Details der Streuung des Lichts in der Atmosphäre an, wird es ein wenig kompliziert. Die Art wie das Licht gestreut wird, ist nämlich sowohl von der Grösse der beteiligten Teilchen als auch von der Frequenz des Lichts abhängig.
Bleiben wir zunächst bei den kleinen Teilchen (Luftmoleküle, in der Zeichnung oben links). Hier ist die Streuung stark von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Das kurzwellige blaue Licht wird rund 16-mal stärker gestreut als das langwellige rote Licht. Oder anders formuliert für die Freunde von Formeln: die Stärke der Streuung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Diese starke Abhängigkeit von der Wellenlänge hat zwei Folgen, die uns nahezu täglich begegnen:
Die Atmosphäre besteht jedoch nicht nur aus Luftmolekülen. Je nach Wetterlage sind Wassertröpfchen und weitere Aerosole (Schwebeteilchen) vorhanden. Diese weisen einen deutlich grösseren Durchmesser auf als Luftmoleküle. Deswegen haben sie ein markant anderes Streuverhalten (siehe Zeichnung oben rechts). Die Stärke der Streuung ist kaum mehr von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Alle Farben werden ähnlich stark gestreut.
Dafür wird das Sonnenlicht vor allem in Vorwärtsrichtung gestreut. Ein einfaches Beispiel für Vorwärtsstreuung ist eine schmutzige Autoscheibe, durch die Schweinwerfer- oder Sonnenlicht fällt. Durch die Vorwärtsstreuung an den Schmutzteilchen ist die Blendwirkung durch das gestreute Licht sehr gross. In der Atmosphäre bewirkt ein hoher Anteil von Aerosolen nun, dass die Farbe des Himmels nicht mehr strahlend blau, sondern weisslich verwaschen wirkt.
Nun wissen wir also: der Himmel ist besonders blau, wenn die Rayleigh-Streuung dominiert. Dazu muss die Luft möglichst trocken und sauber sein. Dies ist bei uns vor allem in den Herbst- und Wintermonaten bei stabilen Hochdrucklagen und in den Bergen der Fall. Scheint die Sonne von einem tiefblauen Himmel, spricht man auch von einer Rayleigh-Atmosphäre.
Ist die Luft feucht oder enthält sie viele andere Aerosole, so verschwindet die Blaufärbung mehr und mehr. Es dominiert die starke Vorwärtsstreuung (Mie-Streuung) des weissen Sonnenlichts.