Warum sieht man Berge von der Ferne blau?

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Hallo,

die Antwort und eine Abbildung dazu findest du hier: Ändern sich die Farbe oder der Farbton wenn die Entfernung verändert wird ?

Viele Grüße

Sylvia

Zwei Phänomene sind für das Aussehen des Himmels und atmosphärischer Effekte im Allgemeinen verantwortlich:

Mie-Streuung und Rayleigh-Streuung.

Der allgemeine Fall ist Mie-Streuung, Rayleigh-Streuung ist sozusagen ein Sonderfall der Mie-Streuung und ist viel einfacher zu berechnen.

Mie-Streuung ist die Streuung von Licht (elektromagnetische Wellen) an Objekten.

Die Atmosphäre besteht im Grunde allein aus Sauerstoff(21%) und Stickstoff (78%) und ca. 1% Argon. Diese Gasmoleküle sind viel kleiner als die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes, das etwa zwischen 380 und 780 Nanometern Wellenlänge liegt. Ein Nanometer (Einheit: nm) ist ein Milliardstel eines Meters, ein Millionstel eines Millimeters.

Wie genau das Licht an Molekülen gestreut wird, ist im Grunde unerheblich, die Berechnung ist sehr kompliziert, aber eine Eigenschaft sticht heraus. Rayleigh-Streuung ist eine vereinfachte Version der Mie-Streuung und kann bei Molekülen zur Berechnung verwendet werden. Die Besonderheit ist, dass Licht kurzer Wellenlänge (im Bereich des Spektrums der "blauen" Wellenlängen) viel stärker gestreut wird als Licht langer Wellenlänge ("rotes" Licht). Genau genommen steigt die Streuung mit der 4. Potenz der Wellenlänge. Der Effekt ist, dass blaues Licht etwa 20 mal stärker gestreut wird als rotes Licht.

Deshalb sieht der Himmel blau aus und die Sonne gelb. Der blaue Anteil des Sonnenlichts wird nicht in die Richtung des Betrachters gestreut, sondern von ihm weg. Da der blaue Anteil "fehlt", sieht die Sonne gelblich aus. Wenn die Sichtlinie nicht in Richtung der Sonne ist, dann wird das gestreute blaue Licht der Sonne in Richtung des Betrachters geworfen, das rote Licht strahlt mehr oder weniger ungehindert weg vom Betrachter. Deshalb sieht der Himmel blau aus.

Beim Sonnenauf- oder -untergang muss das Sonnenlicht einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen, da der Einstrahlwinkel viel flacher ist. Also wird wieder der blaue Anteil stark gestreut und es bleibt vor Allem der orange-rote Anteil übrig. Dann sieht die Sonne orange und der Himmel rötlich aus.

Wenn man in Richtung Horizont blickt, findet der gleiche Effekt statt. Das Licht wird nicht nur einmal, sondern natürlich sehr oft an Molekülen gestreut. Da beim Blick in Richtung Horizont in der Regel die Blickrchtung sehr von der Richtung der Sonne abweicht, bleibt wiederum hauptsächlich der blaue Anteil übrig. Wie jedes andere Objekt auch, behindern Moleküle auch die "freie Sicht" auf den Horizont oder die Berge. Die Winzigkeit der Moleküle wird zum Teil durch ihre unglaublich große Anzahl wett gemacht. Dehalb sehen Berge, Hügel usw. um so bläulicher aus je weiter sie vom Betrachter entfernt sind. Stell Dir die Antmosphäre einfach wie eine sehr klare Glasscheibe vor. Je dicker das Glas ist, desto trüber wird die Sicht. Warum sind Flugzeuge oft so klar am Himmel zu erkennen sind und warum sind nicht so weit entfernte Hügel schon deutlich blau eingefärbt?

Die Dichte der Atmosphäre nimmt näherungsweise exponentiell mit der Höhe ab. Das heißt, dass schon in etwa 5,5 km Höhe die Atmosphäre nur noch halb so dicht ist, in etwa 11 km Höhe beträgt die Dichte etwa nur noch ein Viertel der Dichte am Boden. Bei ca. 50 km Höhe herrscht im Grunde schon fast Vakuum. Dies hat zur Folge, dass zusammengerechnet die gesamte Luftsäule senkrecht über dem Boden optisch den gleichen Effekt hat wie nur 8 km in Richtung Horizont. Man sagt auch, dass die optische Länge in senkrechter Richtung 8 km beträgt.

Nun zum zweiten Effekt, der Mie-Streuung. Wenn die Teilchen in der Atmosphäre etwa so groß sind wie dei Wellenlänge des Lichts oder sogar viel größer, wird Licht viel gleichmäßiger gestreut und die Streuung ist viel weniger abhängig von der Wellenlänge des Lichts.

Dieser Effekt wird vor Allem durch Staubpartikel, wie etwa Staub aus Wüstenstürmen, Vulkanausbrüchen, Industrieabgasen usw. hervorgerufen. Außerdem wird Licht an Staubpartikeln in der Regel nicht nur gestreut, sondern auch von diesen teilweise absorbiert. Der "Dunstschleier" über Großstädten ist zum Beispiel auf diesen Effekt zurückzuführen. Der offensichtlichste Effekt der immer in der Atmosphäre herumschwirrenden Staubpartikel ist die weißliche Einfärbung des Horizonts. Da alle Wellenlängen des Sonnenlichts and Staubpartikeln gleichmäßig gestreut werden, wird keine Wellenlänge besonders hervorgehoben. Das Resultat ist "weißes" Licht. Weil Staubpartikel in der Regel nicht so hoch steigen, wie Moleküle, ist das weiße Band am Horizont auch nur relativ schmal. Verglichen mit der Luftsäule liegt die optische Länge der "Staubsäule" senkrecht über der Erde zwischen 1,2 und 7 km. Der Wert hängt sehr stark vom Wetter, dem Ort (Stadt, Meer, Festland usw.) und anderen Faktoren ab. 1,2 km sind aber ein guter Richtwert.

Andere Eigenschaften der Atmosphäre beeinflussen ebenfalls das Erscheinungsbild im Detail: Die Ozonschicht filtert mittlere Wellenlängen aus dem Sonnenspektrum, obwohl die optische Länge der Ozunschicht nur wenige Millimeter bis Zentimeter beträgt. Luftfeuchtigkeit beeinflusst ebenfalls das Aussehen des Himmels, die Wassermoleküle und auch Wassertropfen haben einen bedeutenden Effekt. Der Mineralgehalt der Luft, etwa über dem Meer (Salzwasser) beeinflusst auch das Aussehen des Himmels.

Als Beispiel für einen extremen Mie-Effekt kann man den Himmel über dem Mars nehmen. Die amosphäre ist am Boden des Mars etwa so dünn wie in 35 km Höhe auf der Erde und beträgt weniger als 1% des Erdluftdrucks am Boden. Deshalb trägt Rayleigh-Streuung and den CO2-Molekülen der Marsatmosphäre so gut wie gar nicht bei. Da aber sehr viel Staub in der Marsatmosphäre ist (globale Staubstürme usw.), der auch sehr hoch aufsteigt (viel niedrigere Anziehungskraft), sorgt fast ausschließlich die Mie-Streuung an den Staubpartikeln für das Aussehen des Marshimmels. Ein staubfreier Marshimmel wäre quasi schwarz, bestenfalls blauschwarz, also kaum erkennbar. Selbst mit Staub ist der Marshimmel viel dunkler, da er etwa doppelt so weit von der Sonne entfernt ist wie die Erde und damit die Strahlungsintensität nur noch ein Viertel beträgt.

Mie- und Rayleigh-Streuung sind auf jeden Fall die Hauptphänomene auf der Erde, der Rest ist nur für Details verantwortlich :)

Wow, das ist ja mal gründlich erklärt. Aber folgende Frage drängt sich auf. Wieso ist der Himmel nicht violett?

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@waehuun

Der Grund ist ebenfalls recht einfach. Das kombinierte Spektrum, das beim Auge des Betrachters ankommt, ist nicht schmalbandig, sondern beinhaltet immer noch einen recht hohen Anteil an Licht kurzer und mittlerer Wellenlänge. Statt rapide auf Null abzusinken, klingt die Intensität des Spektrums eher vergleichsweise gemächlich ab. Außerdem strahlt die Sonne im kurzwelligen Bereich schwächer als im mittelwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums. Am stärksten strahlt die Sonne im mittelwelligem Bereich des sichtbaren Spektrums. So wird kurzwelliges Licht zwar stärker gestreut, ist aber im Resultierenden Spektrum weniger stark vertreten, weil die Lichtquelle nicht so viel davon liefert.

Hier ist das extraterrestrische Spektrum der Sonne zu sehen: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg

Der sichtbare Anteil des Lichts liegt zwischen etwa 360 and 830 nm Wellenlänge.

Um “reines Violett” sehen zu können, muss es sich um ein ziemlich schmalbandiges Spektrum sehr kurzer Wellenlängen handeln, das nur noch die Zäpfchen für kurze Wellenlängen (“blau”) anregt und die Zäpfchen für mittlere (“grün”) und lange Wellenlängen (“rot”) nicht anregen kann. Sobald die Zäpfchen für mittlere Wellenlängen auch stark genug angesprochen werden, verschiebt sich der Farbeindruck sehr schnell von Violett in Richtung Blau.

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