Wenn sich der Himmel bei strahlendem Sonnenschein in seinem schönsten Blau zeigt, dann liegt das daran, dass das Licht der Sonne an den kleinsten Teilchen in unserer Atmosphäre abgelenkt wird. Das Sonnenlicht besteht, vereinfacht gesagt, aus vielen einzelnen Lichtstrahlen, die sich wie eine Welle fortbewegen. Wenn wir alle diese Lichtstrahlen auf einmal sehen, erscheint uns das Licht weiß. Sobald das Licht aber auf ein Prisma oder auch in einem bestimmten Winkel auf Regentropfen trifft, können wir die einzelnen Lichtstrahlen, die so genannten Spektralfarben, sehen: zum Beispiel in einem Regenbogen, der aus den Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett besteht. Das Licht jeder dieser Spektralfarben hat eine andere Wellenlänge, also einen anderen Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Wellenbergen. Rotes Licht etwa hat eine lange Wellenlänge, blaues Licht dagegen hat eine sehr kurze.

Der blaue Himmel am Tag

Wenn die Sonne hoch am Himmel steht, dann ist der Weg, den das Licht durch die Atmosphäre der Erde zurücklegen muss, relativ kurz. Die Erdatmosphäre besteht zum größten Teil aus den Molekülen Stickstoff und Sauerstoff. Die Lichtstrahlen treffen auf diese kleinen Teilchen in der Luft und werden von ihnen abgelenkt, genauer gesagt: Sie werden gestreut. Das kurzwellige blaue Licht wird dabei von den Luftmolekülen stärker gestreut als das langwellige rote. Weil also hauptsächlich blaues Licht von den kleinsten Luftteilchen zurückgeworfen wird, erscheint uns der wolkenlose, klare Himmel blau.

Die Rayleigh-Streuung gibt dem Himmel seine Farbe

Im 19. Jahrhundert entdeckte dieses physikalische Prinzip der Engländer John William Strutt, dritter Baron Rayleigh. Ihm zu Ehren wird das Phänomen, das uns den blauen Himmel beschert, als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Es beschreibt nicht nur konkret, was passiert, wenn Sonnenlicht an Luftmolekülen gestreut wird, sondern gilt ganz allgemein für alle Arten elektromagnetischer Strahlung und für alle Teilchen, die kleiner als die Wellenlänge dieser Strahlung sind. Die Leistung, mit der diese Teilchen die aufgenommene Strahlung wieder abgeben, ist dabei umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge dieser Strahlung: Je geringer die Wellenlänge der Strahlung, desto stärker wird sie daher gestreut.

In der Dämmerung rot, bei schlechtem Wetter grau

Am Abend oder am Morgen sind die Verhältnisse jedoch ganz anders: Beim Morgen- oder Abendrot steht die Sonne tief am Himmel, und der Weg, den das Licht zurücklegen muss, bevor es beim Betrachter ankommt, ist wesentlich weiter. Das kurzwellige blaue Licht wird dann bereits nach kurzer Strecke von den Molekülen abgefangen, und bei uns kommt nur noch der langwellige rote Anteil an.

Doch wie wir wissen, zeigt uns der Himmel nicht immer seine schönste Farbenpracht, sondern kann durchaus auch mal grau und trüb aussehen. Das ist immer ein Zeichen für eine staubige oder feuchte Luft – von einer durchgängigen Wolkendecke mal ganz zu schweigen. An den verhältnismäßig großen Staub- und Wasserteilchen wird das Sonnenlicht nämlich gar nicht erst in seine Spektralfarben aufgespalten, sondern direkt, wie an einem Spiegel, reflektiert – und lässt den Himmel dadurch weiß-gräulich erscheinen.

Der Himmel anderer Planeten

Wie sieht es aber nun auf anderen Planeten aus? Ist da der Himmel auch blau oder rot? Das kommt ganz auf die Atmosphäre des Himmelkörpers an – genauer gesagt auf ihre Dichte und ihre Zusammensetzung. Auf dem Mond zum Beispiel gibt es gar keine Atmosphäre – der Himmel ist dort immer schwarz, und das Licht der Sonne trifft ungehindert auf die Oberfläche, erscheint also grellweiß. Der Mars wiederum hat eine sehr dünne Atmosphäre, die hauptsächlich aus Kohlendioxid und kleinen Rostteilchen (Eisen(III)-oxid) besteht. Die NASA-Sonden, die den Mars erkunden, blicken daher immer in einen gelbroten Himmel. Auf der Venus besteht die Atmosphäre zwar auch hauptsächlich aus Kohlendioxid, sie ist aber sehr dicht. Zudem wird sie von einer 20 Kilometer dicken Wolkenschicht umgeben, die zum größten Teil aus Schwefelsäure besteht. Das Sonnenlicht kann diese dicken Schichten nur schwer durchdringen. Farbaufnahmen sowjetischer Venus-Sonden lassen aber vermuten, dass der Himmel von der Venusoberfläche aus betrachtet gelborange aussieht.