Warum ändert der Himmel seine Farbe? Warum ist der Himmel tagsüber blau, bei Sonnenaufgang/Untergang rot und nachts schwarz?
Die Schlüsselwörter hier sind Rayleigh-Streuung . Siehe auch diffuse Himmelsstrahlung .
Aber viel einfacher hat es mit der Art und Weise zu tun, wie Sonnenlicht mit Luftmolekülen interagiert. Blaues Licht wird stärker gestreut als rotes Licht. Wenn wir also tagsüber auf Teile des Himmels blicken, die von der Sonne entfernt sind, sehen wir mehr Blau als Rot. Während des Sonnenuntergangs oder Sonnenaufgangs trifft das meiste Licht der Sonne in einem spitzen Winkel auf die Erde, sodass das blaue Licht jetzt größtenteils gestreut wird und wir hauptsächlich rotes Licht sehen.
Hier ist mein älterer Text "Mische deinen eigenen Reflexionsnebel", der ein verwandtes Experiment beschreibt:
„Der physikalische Prozess, der die blaue Farbe von Staubnebeln (wie denen in den Plejaden) verursacht, kann durch ein großartiges Experiment demonstriert werden, das in The Feynman Lectures On Physics erwähnt wird . Sie brauchen nur ein Becherglas (oder ein gewöhnliches Glas) und zwei übliche chemische Substanzen , verdünnte Schwefelsäure ( ) und Natriumthiosulfat ( ) - Hypo, in der Fotografie verwendet, um entwickelte Filme zu fixieren. Seien Sie vorsichtig beim Umgang mit der Säure – obwohl sie verdünnt ist, ist sie immer noch ätzend. Der andere kleine Nachteil der Demonstration ist, dass diese chemische Reaktion ein stinkendes Schwefeloxid erzeugt, aber glücklicherweise in einer vernachlässigbaren Menge.
Wenn Sie drei Teelöffel des Thiosulfats in einen Liter Wasser mischen und ein Dutzend Tropfen der Säure hinzufügen, erhalten Sie eine farblose klare Flüssigkeit, die nicht sehr auffällig aussieht. Allerdings wird es nach ein paar Sekunden hellblau. Die Farbe wird zuerst heller, verblasst dann und schließlich bekommt die Flüssigkeit ein milchiges Aussehen, ist trüb und weiß (wenn sie gelb ist, war entweder die Säure- oder die Thiosulfatlösung zu konzentriert und der Versuch sollte wiederholt werden).
Diese Veränderungen sind auf die Streuung von weißem Licht an Schwefelkörnern zurückzuführen, die aus der Mischung entfernt werden und allmählich an Größe zunehmen. Am Anfang sind sie winzig klein und die Intensität des gestreuten Lichts ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz seiner Wellenlänge. Dies bedeutet, dass blaues Licht mit der Wellenlänge von 450 nm gegenüber rotem Licht, das typischerweise eine Wellenlänge von 650 nm hat, um einen Faktor von bevorzugt wird , etwa 4,4. Derselbe Prozess, Rayleigh-Streuung genannt, ist für das Himmelblau der Erdatmosphäre verantwortlich. In diesem Fall wird Sonnenlicht durch eine andere Art von Inhomogenität gestreut, mikroskopische Dichteschwankungen, die durch die chaotische thermische Bewegung von Molekülen entstehen. Wenn die Abmessungen der Partikel mit der Wellenlänge vergleichbar werden, ist die Streuung immer noch selektiv, aber nicht mehr so stark. Die Intensität des gestreuten Lichts ist nun näherungsweise umgekehrt proportional zur Wellenlänge selbst. Das gilt für Staubpartikel in Reflexionsnebeln und Zigarettenrauch. Am Ende sind die Schwefelkörner so groß, dass sie keine bestimmte Wellenlänge des optischen Spektrums mehr bevorzugen und das gestreute Licht weiß ist. Ein alltägliches Beispiel sind Wassertropfen in sonnenbeschienenen Wolken.
Um die Demonstration wirklich beeindruckend zu machen, stellen Sie den Becher auf einen Overhead-Projektor und kleben Sie den Rest mit einem Blatt undurchsichtiger Pappe ab, sodass ein Loch darin bleibt, das in den Boden des Bechers passt. Eine solche Anordnung sorgt für eine ideale Beleuchtung, da Sie sehen können, wie das Licht, das durch die Lösung fällt, als heller Punkt auf einem Bildschirm erscheint. Von dem beiseite gestreuten Blauanteil zunehmend verarmt, verändert es sich von Weiß über Gelb und Orange zu Rot und verblasst schließlich, so wie die Sonne im Abenddunst untergeht. Eine ähnliche Rötung (eigentlich Entbläuung, wie David Malin betont) beeinflusst das Licht von Sternen, das durch interstellaren Staub beobachtet wird.
Ich fürchte, dass Overhead-Projektoren, ein optisches Gerät, das in den 1990er Jahren, als dieser Artikel geschrieben wurde, häufig von Dozenten verwendet wurde, verschwunden sind. Irgendeine Idee für einen Ersatz?
Die Rayleigh-Streuung ist ein Element der Lösung, wie jc erklärte.
Wenn jedoch Staub in der Luft ist (z. B. nachdem ein Vulkan riesige Mengen winziger Gesteinspartikel in den Himmel geschleudert hat, wie beim Eyjafjallajökull , oder aufgrund von Sand- oder Rauchpartikeln), haben Sie vielleicht bemerkt, dass die Sonnenuntergänge passieren bunter sein.
Dies wird durch einen anderen verwandten Lichtstreuungseffekt verursacht, der als Tyndall-Effekt bekannt ist .
Da die Sonne tief am Horizont steht, durchdringt das Sonnenlicht bei Sonnenuntergang und Sonnenaufgang mehr Luft als tagsüber, wenn die Sonne höher am Himmel steht. Mehr Atmosphäre bedeutet mehr Moleküle, um das violette und blaue Licht von Ihren Augen weg zu streuen. Wenn der Weg lang genug ist, streut das gesamte blaue und violette Licht aus Ihrer Sichtlinie. Die anderen Farben setzen ihren Weg zu Ihren Augen fort. Deshalb sind Sonnenuntergänge oft gelb, orange und rot.
Und weil Rot die längste Wellenlänge aller sichtbaren Lichter hat, ist die Sonne rot, wenn sie am Horizont steht, wo ihr extrem langer Weg durch die Atmosphäre alle anderen Farben blockiert.
Hervorheben möchte ich dieses Video von minutephysics: https://www.youtube.com/watch?v=R5P6O0pDyMU
bisher die bessere und einfachere Erklärung der Himmelsfarbe. Es berücksichtigt auch die Farbtheorie (natürlich nicht die Teilchenphysik) und nicht nur die Streuung.
Hisham