Die Natur bietet uns eine beeindruckende Farbenvielfalt. Am faszinierensten ist zweifellos das "Feuerwerk" am Himmel vor und nach Sonnenauf-/untergang. Doch auch beim Tageshimmel, dann wenn die Farben blau (Himmel) und weiss (Wolken) dominieren, sind bei näherer Betrachtung spannende Muster und Strukturen erkennbar. Hast du gelernt diese optischen Zeichen zu deuten, dann besitzt du ein wertvolles Tool das es dir erlaubt draussen das Verhalten des Wetters besser zu verstehen.
Es ist ja allgemein bekannt, dass man aus den Wolken mit blossem Auge Rückschlüsse über den Zustand der Atmosphäre und die mögliche Wetterentwicklung in den nächsten Stunden ziehen kann (siehe Artikel "Wolken lesen und deuten"). Gerade an wolkenarmen Tagen kannst du zusätzlich aus der Beobachtung der Atmosphären-Farben weitere ergänzende tolle Erkenntnisse gewinnen. Dies sowohl am Tag, wie auch bei Sonnenauf- und untergang.
kräftiges Alpenglühen deutet auf trockenes Wetter am nächsten Tag hin
(Quelle: ©sanderstock - stock.adobe.com)
Das Licht der Sonne ist im Grunde weisses Licht. Es trifft in der Atmosphäre auf Luftmoleküle, Aerosole und Dunsttropfen, manchmal auch auf Eiskristalle, Wolken- oder sogar Regentropfen. Erst die Wechselwirkung des Lichtes mit diesen Teilchen lässt dann die Farbenvielfalt am Himmel entstehen. Umgekehrt lassen sich aus der Analyse der Farben Rückschlüsse auf die Teilchen ziehen, die sich gerade in der Atmosphäre befinden.
weiss-gräulicher Dunst in der Atmosphäre verrät etwas über den Durchmesser der Dunsttröpfchen und somit der Luftfeuchtigkeit
(Quelle: ©Hwang - stock.adobe.com)
Ist beispielsweise der Blick in den Himmel milchig trüb, lässt dies, wegen dem Zusammenhang von Streuungsverhalten und Partikelgrösse, auf eine eher hohe Luftfeuchtigkeit schliessen. Bei strahlend blauem Himmel erscheinen Berge oder Hügel in der Ferne oft mit einem Blaustich, was auf sehr kleine Dunsttröpfchen und somit eine niedrige Luftfeuchtigkeit schliessen lässt. Das überhaupt der Himmel blau ist, hat ebenfalls mit dem Streuungsverhalten an den kleinsten Teilchen in der Atmosphäre, den Luftmolekülen zu tun.
In diesem Artikel zeige ich dir die verschiedenen Streuungsvorgänge der Atmosphärischen Optik und wie sie sich an in der realen Welt manifestieren. Ich erkläre auch, wie du anhand der Teilchengrösse die Lichtstreuung von der Lichtbrechung/-reflektion (die z.B. den Regenbogen verursachen) abgrenzen kannst. Dazu zeige ich dir, wie du mit eigenen Beobachtungen des Farbschemas am Himmel das derzeitige und künftige Wetter deuten kannst.
Inhaltsverzeichnis
Spektrum des sichtbaren Lichtes
Doch erstmal von Anfang an. Das natürliche Licht auf der Erde hat ihren Ursprung bekanntlich in der Sonne. Sichtbares Licht ist elektromagnetische Strahlung. Wie das genau funktioniert würde hier den Rahmen sprengen. Eigentlich ist es nur wichtig zu wissen, dass elektromagnetische Strahlung verschiedene Wellenlängen haben kann (Wellenlänge = Distanz zwischen den Wellenbergen bzw. Wellentäler). Anhand der Wellenlänge lässt sich die elektromagnetische Strahlung unterteilen. Das sichtbare Licht ist dabei nur ein kleiner Teil vom gesamten Spektrum:
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung: Der schmale Ausschnitt des sichtbaren Lichtes ist etwas genauer hervorgehoben
(Quelle: Horst Frank / Phrood / Anony - Horst Frank, Jailbird and Phrood, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3726606)
Wie du auf der Grafik oben bereits sieht, liegt das für uns Menschen sichtbare Licht ungefähr bei Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometer (0.4 bis 0.7 μm; μm = Mikrometer). Davon entsprechen bestimmte Wellenlängen bestimmten Farben. Am unteren Ende liegen violett und blau, gefolgt von grün, gelb und schliesslich am oberen Ende rot. Mischt man alle Farben sichtbaren Lichtes zusammen, ergibt dies für unsere Augen die Mischfarbe weiss.
Der Grund weshalb wir Menschen genau dieses Spektrum wahrnehmen können ist kein Zufall, denn es sind in etwa die Wellenlängen an elektromagnetischer Strahlung, welche die Sonne zu uns sendet:
Strahlungsintensität der Sonne nach Wellenlänge, vor Eintritt in die Atmosphäre (orange «extreterrestrical sunlight») und beim Auftreffen auf die Erdoberfläche (schwarz «terrestrical sunlight») nach Reflektion / Absorbtion von Strahlungs-Anteilen in der Atmosphäre. Das Maximum der Strahlung liegt beim sichtbaren Licht
(Quelle: Der ursprünglich hochladende Benutzer war Degreen in der Wikipedia auf DeutschImproved Baba66 (opt Perhelion) on request;En. translation LocustaFr. translation Eric BajartNl. translation BoH - Übertragen aus de.wikipedia nach Commons.;, CC BY-SA 2.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10287551)
In der extraterrestrischen Strahlung der Sonne gibt es einen hohen Anteil an (für uns) schädlicher UV-Strahlung. Diese wird zum Glück in der Stratosphäre (ca.15-50 km Höhe) zu einem hohen Anteil absorbiert, vor allem deren kurzwellige UVC-Strahlung. Auch ein wesentlicher Anteil an (nicht sichtbarer) Infrarot-Strahlung trifft auf die Erdatmosphäre, bzw. wird darin teilweise absorbiert.
Das extraterrestrische Sonnenlicht ist vor dem Eintritt in die Atmosphäre erst mal Weiss, danach tritt es in Wechselwirkung mit der Atmosphäre, genauer gesagt an deren Teilchen wie Luftmoleküle, Aerosole, Dunst-/Wolkentröpfchen, Eiskristalle und Regentropfen. Dadurch entsteht die Farbenpracht in der Atmosphäre.
Teilchen in der Atmosphäre
Zum einen gibt es die Luftmoleküle mit einer Grösse von <0.001 μm. Der grösste Teil davon sind Moleküle von Stickstoff (78.08%) und Sauerstoff (20.95%).
die Grösse der Luftmoleküle bewegt sich im unteren Nanometer-Bereich
(Quelle: ©aleutie - stock.adobe.com)
Etwas grösser sind die (festen) Aerosole. Es handelt sich um kleine Festkörper, die in der Atmosphäre schweben, also Mineralstaub, Salzkristalle, Pollen oder Sulfate. Sulfat-Aerosole entstehen aus Schwefeldioxid-Gas, welches industriell durch Verbrennung fossiler Energieträger oder natürlich durch Vulkane bzw. Waldbrände in die Atmosphäre emittiert wird. Der Aerosol-Gehalt schwankt sehr stark zwischen ca. 100 Aerosol-Teilchen pro cm3 in «reiner Luft» und bis zu 1 Mio Aerosol-Teilchen pro cm3 in weniger reiner Luft. Der Grössenbereich schwankt zwischen 0.001 bis 10 μm, wobei die grössten Konzentrationen ungefähr in Bereichen von ca. 0.015 und 0.3 μm liegen.
Salzkristalle (links) und Pollen (rechts) unter dem Mikroskop, beides bedeutende Aerosole der Atmosphäre
(Quelle: ©Christoph Burgstedt und Pawel Burgiel - stock.adobe.com)
Diese kleinen festen Aerosole bilden wiederum die Keime der Dunsttröpfchen. Denn je nach Aerosol-Typ können daran gasförmige Wassermoleküle aus der Luft kondensieren. Dies geschieht bereits bevor der Luft gesättigt ist. Die Wassermoleküle lagern sich dabei in flüssiger Form um den «festen Kern» (Lösungseffekt). Aus diesem Grund hat es in der Atmosphäre neben festen Aerosolen, immer auch Dunsttröpfchen. Das Grössen-Wachstum eines Dunsttröpfchens ist jedoch begrenzt und das nicht nur abhängig von den Eigenschaften der festen Aerosol-Kerne, sondern auch von der Luftfeuchtigkeit und der Aerosol-Konzentration.
Dunsttröpfchen bilden sich auch in nicht wassergesättigter Luft. Deren Grösse hängt u.a. von der Luftfeuchtigkeit ab
(Quelle: ©jolunepa - stock.adobe.com)
Die Dunstteilchen weisen in der Regel Grössen von ca. 0.1 bis 1 μm auf. Generell gilt die Regel: Je höher die Luftfeuchtigkeit ist, desto grösser können die Dunstteilchen wachsen. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit können auch Tröpfchen mit Grössen <0.1 μm, bzw. bei hoher Luftfeuchtigkeit >1μm auftreten. Sind sehr viele feste Aerosole in der Atmosphäre (meist in kontinentaler Luft, da viel Staub-Aufwirbelung vom Boden) kann das Grössenwachstum auch trotz hoher Luftfeuchtigkeit begrenzt sein, weil die vielen Teilchen sich das Wasser aufgeteilt müssen.
Von trockenem Dunst, spricht man, wenn viele «trockene» Aersolpartikel, also feste Aerosole ohne Wasserhülle, auftreten. Das ist möglich, wenn die Aerosoldichte sehr hoch, die Luftfeuchtigkeit aber gleichzeitig sehr gering ist. Es kann sich aber auch einfach um Aerosole aus hydrophilen («wasserabweisende») Substanzen handeln. Eine hohe Aerosoldichte ergibt sich z.B. bei Waldbränden, menschlicher Luftverschmutzung oder Vulkanausbrüchen (in diesem Fall spricht man von «Vulkanasche»). Auch kann z.B. in der Sahara viel Staub von der Erdoberfläche aufgewirbelt werden und bei gewissen Wetterlagen bis nach Mitteleuropa verfrachtet werden («Saharastaub»).
bei vulkanischen Eruptionen werden u.a. viele feine Aerosole freigesetzt, die trocken blieben (ohne Umhüllung mit einem Wassermantel)
(Quelle: ©lukakikina - stock.adobe.com)
Erst ab einer Luftfeuchtigkeit von 100% bilden sich Wolkentröpfchen und damit Wolken in der Atmosphäre. Die Wolkentröpfchen haben Grössen von ca. 2 bis 20 μm. In Gewitterwolken können sie mit bis zu 200 μm auch etwas grösser sein.
die Wolken in der tieferen Troposphäre (hier Stratocumulus) bestehen aus Wassertröpfchen
(Quelle: ©dustin welzien/EyeEm - stock.adobe.com)
In den mittleren bis hohen Wolken hat es durch die dort herrschenden tiefen Temperaturen zunehmend Eispartikel mit variabler Form (6-eckige Plättchen, Säulen, Nadeln, Dendriten,..) und Grösse (Grösser der Kristalle ca. 10-100 μm), abhängig von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Wachstumsgeschwindigkeit (je schneller, desto zunehmend Dendriten, also «Sterne»). Bei wenig Turbulenz in der Atmosphäre richten sich die Plättchen, bzw. die Längsachsen der Säulen parallel zur Erdoberfläche aus.
Einregelung der Eisplättchen und Eissäulen bei niedriger Turbulenz
Eiskristalle bilden sich übrigens auch durch das Anfrieren von Wasserdampf an ein festes Aerosol. Im Gegensatz zum flüssigen Wasser sind nur wenige Aerosol-Typen auch als Eiskeime geeignet. Aus diesem Grund können auch bei Temperaturen weit unter 0°C gleichzeitig mit den Eiskristallen auch noch viele «unterkühlte Wassertröpfchen» auftreten.
Bei den hohen Wolken, wie den Cirren (Foto unten), ist die Temperatur (-40°C) so tief, dass auch spontanes Gefrieren von Wassertröpfchen zu Eiskristallen einsetzt.
die Wolken in der höheren Troposphäre (hier "Cirrus uncinus") bestehen nur aus Eiskristallen. Durch das Verwehen dieser Eiskristalle entsteht die (für hohe Wolken typische) faserige Struktur
(Quelle: ©Mauro Rodrigues - stock.adobe.com)
Regnet es gerade, dann hat es (sobald der Niederschlag in Form von Schnee geschmolzen ist) Regentropfen in der Atmosphäre. Die Tropfen haben Grössen von ca. 0.25 bis 3 mm (250-3'000 μm), bzw. bei Nieselregen sind sie mit ca. 0.05 bis 0.25 mm (50 bis 250 μm) etwas kleiner.
grosse Wassertropfen bei Starkregen
(Quelle: ©Yakobchuk Olena - stock.adobe.com)
Wechselwirkung zwischen Licht und Teilchen unterschiedlicher Grösse
Wenn Licht auf Teilchen in der Atmosphäre trifft, ist je nach Grösse dieser Teilchen ein unterschiedliches optisches Verhalten wirksam.
Bei kleinen Teilchen von Luftmolekülen bis Wolkentröpfchen wird das Licht in mehrere Richtungen abgelenkt, man spricht von Streuung. Dabei unterscheidet man die Rayleigh-Streuung (an Luftmolekülen und sehr kleinen Dunsttröpfchen) und die Mie-Streuung (an den etwas grösseren Dunst– und Wolkentröpfchen). Bei den Wolkentröpfchen kommt zusätzlich noch der Prozess der Beugung hinzu. Dieser Prozess wird später im Artikel beim optischen Phänomen "Kranz" erläutert.
Übersicht über die Streuungarten beim Auftreffen von Licht auf kleine Teilchen («Wellenoptik»)
Bei der Grösse, welche Eiskristalle und die Regentropfen aufweisen, wird ein Lichtstrahl gebrochen (Refraktion/Brechnung) und /oder reflektiert (Reflektion). Dabei entstehen Phänomene wie Regenbogen und Halos. Wenn die Oberfläche glatt ist, dann findet eine gleichmässige Brechung, bzw. Spiegelung statt (z.B. an ruhiger Wasseroberfläche). Wenn die Oberfläche jedoch unregelmässig ist (z.B. unruhige Wasseroberfläche), dann werden parallele Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen abgelenkt und so ebenfalls «gestreut» (Diffuse Reflexion). Durch Dichteunterschiede wegen unterschiedlicher Temperaturen von Luftschichten gibt es ebenfalls Lichtbrechung, welche Fata Morganas bilden kann.
Übersicht über die Prozesse beim Auftreffen von Licht auf grosse Teilchen (Oberflächen) («Geometrische Optik»)
In diesem Artikel werde ich primär auf die Streuungsprozesse der keinen Teilchen eingehen. Das Thema Refraktion / Reflexion war jedoch wichtig zu erwähnen, damit du allgemein bekannte Phänomene wie Regenbogen und Halo in den richtigen Kontext setzen kannst. Mehr zu diesen Phänomenen findest du in den Blogartikeln:
Also merke:
Kleine Teilchen wie Luftmoleküle, Aerosole, Dunsttröpfchen, Wolkentröpfchen >>> Streuung / Beugung: Himmelsfarbe, Sonnenfarbe, Dämmerungs-Feuerwerk, Wolkenfarbe, Horizontfarbe, Kranz,..
Grosse Teilchen wie Regentropfen, Eiskristalle, Wasseroberfläche, Landoberfläche >>> Refraktion / Reflexion (/ Absorbtion): Regenbogen, Halo, Spiegelungen,...
Rayleigh-Streuung an Teilchen Ø < 10 bis 20% Wellenlänge Licht
Die Streuung an Teilchen, dessen Grösse kleiner als 10 bis 20% der Wellenlänge des Lichtes beträgt, nennt man Rayleigh-Streuung. Bei Wellenlängen des sichtbaren Lichtes zwischen 0.4 bis 0.7 μm ist dies bei den Luftmolekülen (<0.001 μm), aber auch bei ganz kleinen trockenen Aerosolen oder gar kleinen Dunsttröpfchen bei sehr niedriger Luftfeuchtigkeit (<0.1 μm) der Fall. Bei der Rayleigh-Streuung wird das Licht im Durchschnitt ungefähr in allen Richtungen gleich stark gestreut.
Prinzip der Rayleigh-Streuung an den Luftmolekülen.
Wie oft das Licht in der Atmosphäre beim Auftreffen auf ein Luftmolekül überhaupt gestreut wird (Streuungsstärke) ist abhängig von der Wellenlänge. Das (kurzwellige) blaue Licht wird dabei 16x so oft gestreut wie das (langwellige) rote Licht. Gemittelt führt dies beim direkten Sonnenlicht zu einer Verarmung und beim Streulicht zu einer Anreicherung der blauen Anteile.
Die Rayleigh-Streuung führt letztendlich dazu, dass der Himmel blau ist. Denn trifft nun das weisse Licht der Sonne auf die Erdatmosphäre, dann trifft tagsüber (bei steilem Sonneneinfall) ein geringer Anteil davon auf ein Luftmolekül. Am Molekül wird dieses nun nach dem Rayleigh-Prinzip gestreut. Aus diesem Grund gelangt nicht nur direktes Sonnenlicht (sichtbare Sonne), sondern auch Streulicht aus ganz vielen verschiedenen Richtungen in unser Auge. Dieses diffuse Licht hat einen hohen blauen Anteil, weil bei der Rayleigh-Streuung ja vor allem diese Anteile gestreut werden:
an den Luftmolekülen werden bevorzugt die blauen Anteile aus dem direkten Sonnenlicht weggestreut und dadurch erscheint der Himmel blau (Grafik stark schematisch vereinfacht!)
Das heisst jedoch nicht, dass beim Streulicht nur blaue Anteile auftreten. Auch die anderen Farbanteile sind vertreten, nur eben in ihren Anteilen gegenüber blau verarmt, so dass unser Auge den Himmel als «ungesättigtes» blau (d.h. blau mit Weissanteilen zugemischt) wahrnimmt. Auch das gegenüber dem blau noch kurzwelligere violett ist in der Farbmischung des "Himmelsblau" vertreten.
Gleichzeitig verarmt der «direkte Sonnenstrahl» an blauem Licht. Die Sonne erscheint dadurch aus der verbleibenden Mischung leicht gelblich.
der Himmel ist blau und die Farbe der Sonne geht ins weissgelbliche. Dies weil an den Luftmolekülen der Atmosphäre vor allem die blauen Anteile aus dem Lichtstrahl der Sonne weggestreut werden
(Quelle: ©Günter Albers - stock.adobe.com)
Die Streuung des blauen Lichtes kann auch an der Farbe vom Schnee (der das auftreffende Licht diffus reflektiert) im Schatten beobachtet werden. Bei direktem Sonnenlicht ist der Schnee weiss. Im Schatten erreicht jedoch nur noch Streulicht den Boden. Da dieses vor allem aus blauen Anteilen besteht, erscheint auch der Schnee blau.
durch Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen, welche vor allem die blauen Anteile des Sonnenlichtes betrifft, erscheint der Himmel und der Schnee im Schatten blau (siehe Schneedecke in den tiefen Bereichen des Gletschers). Direkt von der Sonne beschienener Schnee (siehe Berggipfel) ist weiss, genau wie das Spektrum des Sonnenlichtes
Zurück zum blauen Himmel: Bei trockener Luft erscheint der Himmel tagsüber, je näher du zum Horizont schaust, zunehmend weisslicher.
je näher am Horizont, desto weisslicher wird der Himmel
(Quelle:©Pakhnyushchyy - stock.adobe.com)
Streulicht, dass uns aus der Richtung nahe der Sonne erreicht, wurde in der Regel nur einmal an einem Luftmolekül gestreut. Streulicht nahe des Horizontes muss jedoch zwangläufig eine grössere Strecke innerhalb der Atmosphäre zurückgelegt haben und muss so zwangsläufig an mehreren Luftmolekülen gestreut worden sein, ehe es unser Auge erreicht (Mehrfachstreuung). Blaues Licht wird dabei nicht nur öfters gestreut, es wird durch die Mehrfachstreuung auch zunehmend wieder weg-gestreut.
Somit verarmt das flach einfallende Streulicht wieder an blauen Anteilen. Dabei verschiebt sich das Farbspektrum, zusammen mit den grünen, gelben und roten Anteilen des Streulichts, wieder zu einer gleichmässigeren Verteilung (und somit der Farbe weiss)
die zunehmende Weiss-Färbung gegen den Horizont entsteht, weil durch die zunehmende Mehrfachstreuung das Spektrum des Streulichtes an blauen Anteilen verarmt und somit gleichmässiger verteilt ist (Grafik stark schematisch vereinfacht)
Je höher in der Atmosphäre, desto weniger Wegstrecke muss das Licht durch die Atmosphäre zurücklegen. Auch wird die Luft dünner, d.h. die Dichte an Luftmolekülen nimmt ab. Dabei ist die Chance, dass ein Lichtstrahl auf ein Luftmolekül trifft, und so Licht-Streuung entsteht, viel geringer. Je weniger Licht gestreut wird, desto dunkler wird die Atmosphäre. Wenn du dich also im Gebirge befindest, dann wird der Himmel zunehmend dunkelblau.
der Himmel hoch oben in den Bergen (hier Mount Everest) ist dunkler, weil durch die kürzere Wegstrecke und die dünnere Luft weniger Licht gestreut wird
(Quelle: I, Luca Galuzzi, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1810976)
Aus dem gleichen Grund ist der Himmel auf dem Mond schwarz, denn dieser hat keine nennenswerte Atmosphäre. Beim Blick vom Mond auf die Erde ist hingegen die blaue Hülle («der blaue Planet») erkennbar. Dabei handelt es sich um Streulicht, welches von Atmosphäre zurück in den Kosmos gestreut wird.
Auf dem Mond ist der Himmel schwarz. Dies wegen der fehlenden Atmosphäre und somit der fehlenden Licht-Streuung
(Quelle: ©Oleg_Yakovlev - stock.adobe.com)
Mie-Streuung an Teilchen Ø ca. Wellenlänge Licht
Bei der Streuung von Teilchen mit Grössen von ungefähr der Wellenlänge des Lichtes (ca. 0.4 bis 0.7 μm) spricht man von Mie-Streuung. Das Licht wird zwar in alle Richtungen gestreut, jedoch mit einem Maximum in Vorwärtsrichtung, bzw. einem kleinen Maximum in Rückwärtsrichtung. Diese Anisotropie der Streurichtung nimmt mit der Teilchengrösse zu.
Prinzip der Mie-Streuung
Die wellenlängen-abhängige Streuungsstärke ist weniger stark ausgeprägt als bei der Rayleigh-Streuung. Sie nimmt ausserdem mit zunehmender Teilchengrösse weiter ab. Bei kleinen Dunsttröpfchen (0.1 bis 1 μm) wird blaues Licht nur noch ca. 4 mal so oft gestreut wie das rote Licht. Bei Teilchen, die deutlich grösser sind als die Wellenlänge des Lichtes, so es bei den grösseren Dunst- (>1 μm) und Wolkentröpfchen (2-10 μm) der Fall ist, gibt es bei der Streuung keine Abhängigkeit von der Wellenlänge mehr, d.h. von blau bis rot wird das Licht in etwa gleich stark gestreut.
Nebst dem an den Luftmolekülen gestreuten blauen Lichtes, gesellt sich so also am Himmel auch das an den Dunsttröpfchen gestreute Licht dazu. Bei trockenen Verhältnissen (und somit kleinen Dunstttöpfchen) ist dieses Licht zwar immer noch blau dominiert. Mit zunehmender Feuchtigkeit (und somit grösseren Dunsttröpfchen) wird es zunehmend weiss, was dann ein blaugrauer Himmel zur Folge hat.
Da die Richtung der Mie-Streuung vorwärts dominiert ist, bekommt vor allem der Himmel nahe der Sonne einen weisslichen Stich. Wenn du bei (leicht bis stark) dunstigem Wetter in die Ferne blickst, dann wird der Himmel umso blauer, je weiter weg du von der Sonne blickst.
bei dunstigem Wetter ist der Himmel blauer und die Sicht besser, je grösser der Winkelabstand zur Sonne ist. Dies weil bei der Mie-Streuung (an den grösseren Dunststeilen) die Vorwärtsrichtung dominant ist.
Farbenvielfalt am Tag
Schauen wir uns nun ein paar Beispiel an, wie sich die verschiedenen Streuungsvorgänge auf die Farbvielfalt am Tag auswirken:
trockene Luft >>> blaue Berge: Stehst du auf einem Berg oder Hügel und schaust in die Umgebung, wird dir (spätestens bei der genauen Betrachtung der gemachten Fotos) auffallen, dass sich die Farbe der Landschaft mit zunehmender Entfernung in bläuliche verschiebt: grüne Wälder werden so zu grünblauen Wälder.
Der Grund liegt darin, dass sich zwischen dem entfernten Objekt (z.B. Baum) und dir blaues Streulicht dazu mischt, das an Luftmolekülen und kleinen Dunsttröpfchen gestreut wurde. Je weiter weg, desto mehr Luftmoleküle liegen dazwischen. So mischt sich auch zunehmend mehr Streulicht hinein und die Objekte werden blauer. Bei grossen Distanzen ab ca. 30 bis 40 km verschiebt sich dann die Farbe zunehmend wieder ins weissliche und zwar wegen Mehrfachstreuung analog zur hellblauen Himmelsfarbe am Horizont.
mit zunehmender Entfernung vom Beobachtungsort erscheint die Farbe des Waldes zunehmend bläulich, was auf eher kleine Dunsttröpfchen hindeutet (wegen tiefer Luftfeuchtigkeit oder «sauberer» Luft)
(Quelle: ©ARochau - stock.adobe.com)
Meistens ist bei trockener Luft auch die Fernsicht sehr gut und die Konturen kontrastreich. Zunehmende Fernsicht kann also auf eine Wetterverbesserung (Abtrocknung der Luft durch Hochdruckgebiet) hindeuten.
feuchte Luft >>> «weissgraue» Berge: Bei feuchter Luft sind auch die Dunsttröpfchen grösser. Dann werden alle Farbanteile gleichmässig gestreut. Nicht nur dem Himmel, sondern auch der Landschaft, wird so auch «weisses» Streulicht zugemischt. Der Übergang vom blauem (trockene Luft) zum weisslichen (sehr feuchte Luft) Touch ist dabei fliessend. Durch die Streuung nehmen auch die Konturen in der Landschaft ab und die Sichtweite reduziert sich. Da die Streurichtung vorwärts dominiert ist, ist die Fernsicht mit der Sonne im Rücken meist etwas besser (und klarer).
bei feuchter Luft dominiert zunehmend weissgrau die Färbung des Waldes. Auch der Himmel färbt sich eher hellblau / graublau.
Ändert sich beim Wandern die Farbe der Umgebung vom blauen zum blaugrauen bis weisslichen, dann kann das auf eine Wetterverschlechterung (Front, Gewitter) hindeuten.
an diesem Tag hat sich die Waldfarbe zunehmend von blau zu blaugrau hin verschoben. Auch die Bewölkung deutet auf eine kommende Wetterverschlechterung hin.
nach dem Regen >>> «klare» Luft: Mit dem Regen werden auch die Aerosole in der Luft «ausgewaschen». Nach dem Regen ist deshalb die Aerosol-Konzentration und somit auch die Dunsttröpfchen-Dichte geringer. Das führt nicht nur zu sauberer Luft zum Atmen, sondern es wird dabei auch weniger Licht an Dunstteilchen oder trockenen Aerosolen gestreut. Dadurch erscheint der Himmel wieder blauer, die Kontraste in der Landschaft werden deutlicher und die Fernsicht nimmt zu.
Durch Westwindlagen herangeführte maritime Luft bringt also zwar Regen, reinigt aber gleichzeitig die Atmosphäre. Hinzu kommt, dass über den Ozeanen deutlich weniger Staub aufgewirbelt werden kann und die menschlichen Aerosol-Emissionen sehr gering sind (Menschen wohnen auf dem Land). Meeresluft ist deshalb zwar feucht, in der Regel gleichzeitig aber auch «sauber».
klare Sicht trotz feuchtem Klima in den schottischen Highlands. Der Westwind aus dem Atlantik enthält wenig feste Aerosole
(Quelle: ©Helen Hotson - stock.adobe.com)
kein Regen >>> trübe Luft: Schönes Wetter soll ja eigentlich trockene Luft bedeuten. Trotzdem ist bei sonnigem Hochdruckwetter, vor allem nach mehreren Tagen, eine bodennahe dunstige Trübung zu beobachten, die meist mit jedem weiteren Tag zunimmt. Wie bereits erwähnt, wäscht der Regen Aerosole aus der Luft raus. Bleibt nun bei schönem Wetter der Regen aus, dann reichert sich die Luft mit Aerosolen an (durch Wind aufgewirbelter Staub, industriell verursachten Verunreinigungen,…).
Meist beschränkt sich das dunstige Wetter aber auf die bodennahen Schichten. Dies liegt an der stabilen Luft-Schichtung bei Hochdruckwetter, welche vertikale Durchmischung verhindert. So kann die bodennahe «verunreinigte» Luft nicht mit der höheren "sauberen" Luft vermischt werden.
Bei hochdruckbestimmten Ostwindlagen im Sommer, die dann sonniges Wetter bringen, wird dieser Effekt durch die Industriegebiete Osteuropas (wo die Luft her weht) zusätzlich verstärkt.
hochdruckbestimmter Dunst beschränkt sich meist auf die tieferen Lagen
Bei stabiler Schichtung ist ausserdem die nächtliche bodennahe Abkühlung stärker ausgeprägt. Mit der Abkühlung in der Nacht erhöht sich auch die Luftfeuchtigkeit und es bildet sich Dunst, bzw. im Herbst oder Winter oft Nebel. Falls sich der Nebel im Tagesverlauf auflöst, geht er meist in Dunst über.
Immerhin: Solange der bodennahe Dunst verbleibt (und mit ihm die stabile Luftschichtung mit geringer vertikaler Durchmischung), ändert sich auch die Wetterlage nicht.
Saharastaub >>> Dunst: Bei Südlagen wird hin und wieder Saharastaub zu uns nach Mitteleuropa verfrachtet. Dabei entsteht ebenfalls eine dunstige Trübung der Atmosphäre. Der dabei entstehende Farbstich kann weisslich, gelblich oder rötlich-braun sein.
rötlich-braune Färbung durch Saharastaub
(Quelle: Mussklprozz - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=99630315)
Je nachdem in welcher Schicht sich die Staubteilchen befinden, liegt diese Dunstschicht höher oder tiefer, siehe die folgenden Artikel aus dem Meteoschweiz-Blog:
Verfrachtung von Saharastaub in den höheren Schichten durch Südlage (22.02.2021): https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/aktuell/meteoschweiz-blog.subpage.html/de/data/blogs/2021/2/schon-wieder-staubig.html
bei anschliessender Hochdrucklage bodennahes Absinken (23.02.2021): https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/aktuell/meteoschweiz-blog.subpage.html/de/data/blogs/2021/2/staub-im-sinkflug.html
Mit dem Saharastaubes bilden sich bevorzugt Wolken, welche die Atmosphäre zusätzlich abdunkeln.
Ähnliche Phänomene treten auch bei Vulkanausbrüchen oder Waldbränden auf, wo ebenfalls viele Staubteilchen emittiert werden.
deutlich rötlich bis orange geprägte Farben in der Atmosphäre um die Mittagszeit. Es hat mit dem Streuungsverhalten der Russteilchen zu tun, welche durch die Nahe gelegen Waldbrände emmitiert wurden (Banff Nationalpark Sommer 2017)
Weisse Wolken: Wie bereits erwähnt, werden an den (vergleichsweise grossen) Wolkentröpfchen alle Farbanteile gleich stark gestreut. Das Streulicht bleibt daher weiss. Demnach erscheinen auch die Wolken weiss. Doch wie wird das Sonnenlicht an der Wolke reflektiert, obwohl bei der Mie-Streuung doch die Vorwärtsrichtung dominant ist?
Wolken sind bekanntlich weiss
(Quelle: ©Oleg - stock.adobe.com)
Durch die hohe Tröpfchendichte in der Wolke wird das in sie eindringende Licht nicht einmal, sondern mehrfach gestreut. Während jede Streuung an sich zwar stark anisotrop in Vorwärtsrichtung stattfindet, nimmt die Ablenkung jedes mal zu. Dabei wird ein Teil des Sonnenlichtes über mehrere Ablenkungen wieder zur sonnenzugewandten Seite «zurückgestrahlt».
die Rückstreuung von weissem Sonnenlicht erfolgt über mehrfache anisotrope Vorwärtsstreuung. Dadurch wird nicht nur weisses Sonnenlicht "zurückgestrahlt", es erreicht auch weniger Licht die sonnenabgewandte Seite (Grafik stark schematisch vereinfacht!)
Wegen dieser starken Mehrfachstreuung nimmt die Intensität des Lichtes in der Wolke zunehmend ab. Die Farbe der sonnenabgewandten Seite der Wolke ist somit dunkler als bei der sonnenzugewandten Seite. Je mächtiger und je dichter eine Wolke ist, desto weniger Sonnenlicht kann durch sie durchdringen. Somit weisen dichte und/oder mächtige Wolken an ihrer Unterseite eine graue bis schwarze Färbung auf.
Wolken sind auf der sonnenabgewandten Seite dunkler, weil viel Sonnenlicht durch die Mehfachstreuung abgelenkt wird. Je mächtiger und je dichter die Wolke, desto weniger Licht erreicht das Ende der Wolke
(Quelle: ©Chris - stock.adobe.com)
Aber Achtung: Wolken können auch dunkel sein, wenn sie sich im Schatten einer anderen Wolke, bzw. im Schatten eines Berges befinden.
Durch die Mehrfachstreuung ist innerhalb der Wolke nicht nur die Sicht stark begrenzt, sondern auch das Licht stark diffus-weisslich (weniger «tief» in der Wolke) bis diffus-gräulich («tief» in der Wolke). So kann es zu einem gefährlichen Whiteout kommen, und zwar dann, wenn eine weisse Schneedecke mit der weissen Luft verschmilzt. Dies kann zur völligen Desorientierung führen.
ein Whiteout innerhalb einer Wolke kann gefährlich werden, da sich der weisse Schnee am Boden mit dem gestreuten weissen Sonnenlicht vermischt
(Quelle: ©Andre - stock.adobe.com)
Farben-Feuerwerk bei Dämmerung
Um die Uhrzeit des Sonnenauf- und untergangs zeigt sich die Atmosphäre zweifelslos von ihrer schönsten Seite!
Weil dann der Einfall des Sonnenlichts sehr flach ist, ist die Strecke, die das Licht durch die Atmosphäre zurücklegen muss, besonders lang (etwa Faktor 40 gegenüber Zenit). Deshalb trifft es auf diesem Weg auf mehrere Teilchen, so dass bis zum Erreichen des Bodens mehrere Streuungen stattfinden.
Weil v.a. blaues Licht gestreut wird, verarmt das direkte Sonnenlicht zunehmend an den blauen Anteilen. Der Lichtstrahl der Sonne verfärbt sich dabei zunehmend ins gelbliche bis orange (Achtung: nie direkt in die Sonne blicken!). Je mehr kleine Aerosole in der Atmosphäre vorhanden sind, desto mehr verarmt das Sonnenlicht auch stark an grünen und gelben Anteilen, so dass die Sonne sogar rot leuchten kann.
beim direkten Sonnenlicht wird ein Lichtstrahl wegen der langen Wegstrecke durch die Atmosphäre auf mehrere Teilchen treffen, was dazu führt, dass der blaue (und zunehmend auch der gelbe) Anteil zunehmend "daraus weggestrahlt" wird (Grafik stark schematisch vereinfacht!)
kurz vor Sonnenuntergang färbt sich die Sonne gelb, orange bis rot. Je flacher (untere Seite der Sonne), desto dominierender ist der Rot-Anteil, weil dort die Distanz des Sonnenlichts durch die Atmosphäre am längsten ist. Auf diesem Bild ist der graduelle Übergang gut sichtbar
(Quelle: ©magann - stock.adobe.com)
Hat es im Westen jedoch Wolken oder starker Dunst (mit grossen Tröpfchen), dann verschwindet (wegen der Mehrfach-Mie-Streuung in der Wolke bzw. im Dunst) die Sonne schon vor dem Sonnenuntergang. Das könnte auf eine baldige Wetterverschlechterung hindeuten, da Fronten mit schlechtem Wetter in der Regel aus Westen kommen (Achtung, nicht jede Wolke führt auch zu Niederschlag!)
bei Wolken oder dunstiger Atmosphäre geht die Sonne schon über dem Horizont unter, was möglicherweise baldiges schlechtes Wetter aus Westen bedeuten könnte
(Quelle: ©Corri Seizinger - stock.adobe.com)
Mit dem direkten Sonnenlicht verschiebt sich auch die Farbe des Streulichtes am Horizont. Meist zeichnen sich in Richtung der Sonne "Horizontalstreifen" ab, dessen Farben sich gegen den Horizont zunehmend ins rötliche verschieben. Typischerweise liegt direkt bei Sonnenuntergang die Abfolge blau > grau (teils mit etwas Grünstich) > gelb > orange/orangerot vor.
die Horizontalstreifen bei den Streufarben haben bei Sonnenuntergang eine typische Abfolge blau > grau (-grünlich) > gelb > orange. Je nach Bewölkung, Feuchtigkeit und Aerosole sind davon jedoch zahlreiche Abweichungen möglich!
nach Sonnenuntergang nimmt am Horizont der Rot-Anteil des Streulichtes wegen der Mehrfachstreuung weiter zu
(Quelle: ©Simon - stock.adobe.com)
Wie bereits erwähnt, hat das Streulicht auch tagsüber geringe rote Anteile. Bei flachem Sonneneinfall wird durch die lange Wegstrecke innerhalb der Atmosphäre nicht nur das direkte Sonnenlicht, sondern auch das Streulicht mehrfach gestreut. Damit dringt auf dem Weg zu dir als Beobachter/-in viel weniger blaues Streulicht durch, da es bereits vorher hin- und her gestreut wird und dort quasi "steckenbleibt". Hinzu kommt, dass das direkte Sonnenlicht, welches nahe bei dir gestreut wird, bereits stark an blauen Anteilen verarmt ist.
Nachdem die Sonne untergegangen ist, erreicht uns immer noch Streulicht. Mit der dabei nochmals längeren Wegstrecke ist die Farbe dann am rötlichsten geprägt. Meist ist dann die Farbe direkt am Horizont orangerot bis rot.
Der Farbeindruck, der entsteht, wenn du in eine bestimmte Richtung zum Himmel schaust, ist eine Mischung aus mehreren "Lichtstrahlen", die am Ende dieselbe Richtung aufweisen, jedoch verschiedene Pfade genommen haben, bzw. verschiedene Farbanteile beeinhalten.
bei Dämmerung findet auch beim Streulicht nahe des Horizontes eine Farbdifferenzierung statt. Mehrfachstreuung führt zu abnehmenden blau-Anteilen. Zusätzlich hat der direkte Sonnenstrahl bereits beim Auftreffen auf ein Teilchen bereits selbst tiefere blau-Anteile. Die Farbe des Streulichtes beim Auftreffen auf den Erdboden ist eine komplexe Mischung aus verschiedenen Lichtpfaden, die am Ende dieselbe Richtung aufweisen (Achtung: Grafik stark schematisch vereinfacht!)
Generell verstärken (kleinere) Aerosole und Dunsttröpfchen, je nach Grösse, Teilchenart und Dichte, die Farbverschiebung zum roten hin. Je mehr Aerosole in der Atmosphäre, desto ausgeprägter kann die Färbung des Streulichtes werden. So können die Sonnenuntergänge in der Nähe von industriellen Verschmutzungen, Vulkanausbrüchen oder Waldbränden sehr intensiv werden. Dabei ist deutliches rot nur vorhanden, wenn sich viele Aerosole oder kleine Dunsttröpfchen in der Atmosphäre befinden. Es wird auch berichtet, dass in der Nähe grosser Städte der Sonnenuntergang generell farbiger als der Sonnenaufgang sei, weil dann die Konzentration an industriellem Feinstaub höher ist.
Schöne Streufarben zeigen sich nicht zur Sonne hin, sondern auch auf der entgegengesetzten Seite (bei Sonnenuntergang im Osten). Man spricht von der «Gegendämmerung». Diese besteht ebenfalls aus gestreutem Sonnenlicht mit langer Wegstrecke durch die Atmosphäre. Dabei handelt es sich um Streulicht, das zu dir rückgestreut wurde. Der dunkelgraublaue "Erdschatten" am Horizont wandert dabei zunehmend nach oben, mit gleichzeitig verschwimmender Obergrenze. So ist die Gegendämmerung nur bis ca. 25 Minuten nach Sonnenuntergang sichtbar.
Gegendämmerung und sich nach oben ausbreitender Erdschatten auf der sonnenabgewandten Seiten des Horizontes
Wenn du dir bei wolkenlosem Himmel einen schönen Abend mit farbigem Sonnenuntergang machen willst, dann gibt es leider keine Garantie auf schöne Streufarben. Je feuchter die Luft (zwischen dir und dem Horizont), desto grösser sind die Dunstteilchen und demnach geringer die Farbdifferenzierung der (Mie-) Streuung. Diese eher gleichmässige Farbmischung führt zu einem eher dunkelgrauen Horizont. Auch dort wo Dämmerungsfarben vorhanden sind, weisen diese einen deutlichen Graustich auf. Mach dir also bei stark feuchten Dunstwetter keine all zu grossen Hoffnungen.
bei feuchter Luft sind die Dunstteilchen so gross, dass beim Streulicht die Mie-Streuung ohne Farbdifferenzierung dominiert. Die Dämmerungsfarben kriegen einen Graustich
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Bei der Dämmerung muss das Sonnenlicht mit zunehmender Höhe eine deutlich kürzere Wegstrecke durch die Atmosphäre zurücklegen und ausserdem ist dort die Teilchendichte viel geringer. Dadurch nimmt auch der blau-Anteil des Streulichtes mit der Höhe zu. Bei Licht auf Höhe der Ozon-Schicht (Stratosphäre) wird zusätzlich der gelb-orange Anteil herausfiltert. Aus diesem Grund ist der Himmel während der Dämmerung beim Blick hoch zum Zenit immer noch blau, da aus dieser Richtung vor allem blaues Streulicht der höheren Atmosphärenschichten zu uns kommt.
am Zenit bleibt der Himmel auch vor und nach dem Sonnenuntergang blau
(Quelle: ©czamfir - stock.adobe.com)
am Zenit handelt es sich auch bei Dämmerung, wegen der kürzeren Wegstrecke und der Ozon-Schicht, vor allem um blau dominiertes Streulicht (Achtung: Grafik stark schematisch vereinfacht!)
Mit dem Spektrum des direkten Sonnenlichtes, ändert sich auch die Farbe der Wolken. Vor Sonnenuntergang findet man meist weissgelb, gelb bis orange vor. Wenn die Sonne dann untergegangen ist, wird rötliches Sonnenlicht an den (in der Höhe noch beschienenen) Wolken zurückgestreut, was zur prächtigen rötlichen Wolken-Färbung führt. Je höher die Wolken, desto später beginnt, bzw. enden diese Phasen.
mit dem direkten Sonnenlicht verfärben sich auch die Wolken. Nach Sonnenuntergang dominiert die Farbe rot
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Im Gebirge ist zusätzlich das «Alpenglühen» zu beobachten, bei dem es sich um an den (höher gelegenen) Felswänden reflektiertes Sonnenlicht handelt ("Erste Färbung"). Das Licht wird dabei zunehmend von unten her durch den Schatten benachbarter Berge oder des Horizontes verdrängt.
Alpenglühen 1. Färbung
(Quelle: Afrank99 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6770413)
Je trockener die Luft zwischen dir und dem Horizont im Westen, desto stärker ist das Leuchten an den Wolken / Felswänden. Dies kann ein Hinweis sein, dass am nächsten Tag eher nicht mit einer Schlechtwetterfront aus Westen zu rechnen ist und somit schönes Wetter vorherrschen wird.
Erscheinen hingegen bei Sonnenaufgang im Westen nahe am Horizont rötliche Wolken oder generell eine stark rötliche Färbung (feuchte Luft mit starker Rückstreuung), dann kann das auf eine baldige Wetterverschlechterung hindeuten. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Wolken oder feuchte Luft nicht in jedem Fall auch Regen bringen müssen.
Ab etwa 15 Minuten nach Sonnenuntergang ist manchmal knapp (ca. 25°) über dem Horizont (über dem orange/gelben Streifen) das Purpurlicht zu beobachten. 5 bis 10 Minuten später hat es seine stärkste Ausprägung. Dabei handelt es sich um eine Farbmischung aus in der Stratosphäre an Aerosolen gestreutem blaues Licht und horizontnahem rötlich geprägtem Streulicht (vereinfacht gesagt: rot+blau = purpurn).
Pupurlicht ca. 25° über dem Horizont
(Quelle: ©mihai toropoc - stock.adobe.com)
das Purpurlicht ist eine Mischung aus rötlich dominiertem Streulicht der tiefen Atmosphäre und blauem Streulicht der höheren Atmosphäre (Achtung: Grafik stark schematisch vereinfacht!)
Die Farbe des Purpurlichtes muss nicht perfektes "purpurn" sein, sondern liegt meist im Bereich lachsrot bis rosa, je nach (gelber) Farbanteile der Mischung.
Bereits bei Sonnenuntergang gibt es die eben genannte Farbüberlagerung zu purpurn, doch dominiert dann noch das horizontnahe orange Streulicht. Nach dem Sonnenuntergang nimmt dessen Intensität ab, so dass dann der Übergang hin zur purpurn stattfindet.
Damit das Pupurlicht überhaupt beobachtet werden kann, müssen genügend Aerosole in der Stratosphäre vorhanden sein. Vulkanausbrüche, Saharastaub, Waldbrände können die Intensität des Purpurlicht demnach verstärken, weil dadurch die Intensität an blauem Streulicht aus den höheren Atmosphärenschichten zunimmt.
Wird das Purpurlicht an Schnee- oder Felsflächen reflektiert, führt dies zur «2. Färbung» des Alpenglühens (wenige Minuten nach Ende der «1. Färbung»). Diese ist zwar schwächer, gleichzeitig aber auch gleichmässiger als die erste Färbung. Reflexion findet auch an Wolken und Gewässer statt.
purpurfarbenes Alpenglühen «2. Färbung». Da es sich um reflektiertes Streulicht handelt, ist die Verfärbung gegenüber der «1. Färbung» schwächer, jedoch auch gleichmässiger verteilt
(Quelle: ©Nathaniel Gonzales - stock.adobe.com)
kräftiges Purpurlicht mit Reflektion am Lago Nahuel Huapi (Bariloche, Argentinien)
Das Pupurlicht ist bis ca. 40 Minuten nach Sonnenuntergang zu beobachten. Davor breitet es sich zunehmend zum Horizont hin aus.
In der Gegendämmerung sind nach Sonnenuntergang die Farben lachsrot, purpur und purpurrot allgemein öfters, länger und prominenter vertreten.
Gegendämmerung (ca. 15-20min nach Sonnenuntergang) mit lachsroter Färbung am Horizont (über dem graublauen Erdschatten)
Selten kann es vorkommen, dass an der Basis des Erdschattens ebenfalls ein purpur bis fleischroter Streifen auftaucht, man spricht auch von der unteren Gegendämmerung. Dabei handelt es sich um rückgestreutes Purpurlicht aus der gegenüberliegenden Dämmerung.
Beim Licht in der Nacht dominiert am Himmel wieder die Farbe "sehr dunkles" dunkelblau. Unsere Augen nehmen dies jedoch als schwarz wahr.
in der späteren Dämmerungsphase und in der Nacht dominiert wieder die Farbe blau. Durch die niedrige Lichtintensität nehmen wird das jedoch als schwarz war
(Quelle: Bjørn Christian Tørrissen - Own work by uploader, http://bjornfree.com/galleries.html, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12851018)
Kranz
In der Nacht, bei leicht bewölktem Himmel, bildet sich meist um den Mond herum sich ein farbiger Kreis, genauer gesagt ein Kranz bzw. ein Hof (auch genannt Corona). Um einen Kranz zu bilden muss die Grösse der Tröpfchen zwischen 2-20 μm liegen.
ein Mondhof / Kranz, mit Mond, einer weissen Scheibe und Ringsystemen
(Quelle: bearbeitet aus Darrybuffin - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=98181765)
Dieser ist nicht nur beim Mond, sondern auch bei der Sonne zu beobachten, nur empfehle ich das niemandem, der nicht sein Augenlicht verlieren will (nie in die Sonne schauen!!). Aus diesem Grund beschränkte ich meine Ausführungen auf das Phänomen bei Mondschein.
Beim Mondhof ist es das direkte Licht des Mondes (das im Grunde genommen reflektiertes Sonnenlicht ist), welches an den Wolkentröpfchen «gebeugt» wird. Es findet also der Prozess der Beugung statt. Am runden Wolkentröpfchen bilden sich aus der ursprünglichen Lichtwelle neue Wellen. Diese überlagern sich wiederum und bilden dann das typische kegelförmige Ausbreitungsmuster aus mehreren Ringen verschiedener Grösse und Lichtintensität.
Bildung von einem Muster aus "Kegelmäntel" durch Beugung des Lichtes an einem Wolkentröpfchen
(Quelle: Wiebke Salzmann - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9594687)
Im Gegensatz zur Streuung ist bei der Beugung an Wolkentröpfchen die Ablenkung beim roten Licht am stärksten, bzw. beim blauen Licht am schwächsten. Pro Farbe bilden sich mehrere Kegel aus. Die Kegel der einzelnen Farbspektren überlagern sich dabei, womit sich dann das typische ringförmige Farbmuster ausbildet.
das Ablenkungsmuster ist je nach Farbe verschieden. Durch die Überlagerung bildet sich in der Mitte die weisse Aureole, gefolgt von den Ringystemen
(Quelle: Von Wiebke Salzmann - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8944029)
Die grössten Intensitäten findet man im engsten Kegel, dem Hauptmaximum. Die verschiedenen Farben überlagern sich so stark, dass dies zu einem weissem Kreis («Aureole») führt. Am Rand der Aureole nimmt die Intensität des blauen Lichts (mit der geringsten Ablenkung) zunehmend ab, so dass eine Farbverschiebung zu orange stattfindet. Da auch zunehmend die Intensitäten der gelben Anteile abnehmen, ist der Rand der Aureole schliesslich rot.
Um die Aureole herum folgen die Ringsysteme aus den Überlagerungen der Nebenmaxima mit stets der Abfolge blau > gelb > rot. Es handelt sich dabei zwar immer um Überlagerungen verschiedener Farben, doch es dominiert stets ein Farbanteil. Weiter aussen nimmt die Farbüberlagerung und die Farbintensität konstant ab, so dass sich der Kranz verflüchtigt.
Übrigens sehen wir als Beobachter/-in nicht das Beugungmuster eines einzelnen Wolkentröpfchens, denn davon fällt nur ein «Lichtstrahl» in unser Auge. Stattdessen sehen wir aus einer bestimmten Richtung immer nur den «Lichtstrahl» eines bestimmten Tröpfchens, der gerade zu unserem Auge führt. Das Muster welches wir dabei wahrnehmen, entspricht dabei aber genau dem Beugungsmuster des einzelnen Tröpfchens.
Wir sehen immer nur den Lichtstrahl, der gerade in unser Auge fällt. Der Kranz setzt sich somit aus den Ausschnitten von Beugungsmustern zahlreicher Wolkentröpfchen zusammen (Quelle: Wiebke Salzmann - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9519554)
Die Breite der Ringe ist abhängig von der Tröpfchengrösse. Je kleiner das Tröpfchen, desto grösser die Ringe. Bei uneinheitlicher Tröpfchengrösse überlagern sich die Ringe unterschiedlicher Grösse, so dass der Kranz undeutlicher («weisser») wird.
Ist die Tröpfchengrösse jedoch mehr oder weniger einheitlich, dann gibt es eine Beziehung zwischen Ringgrösse und Tröpfchendurchmesser:
Tröpfchendurchmesser [μm] = 77.6 / (Durchmesser rötlicher Rand Aureole / Durchmesser Mond)
Wenn der erste rötliche Ring, also der Rand der Aureole ca. 10x so gross wie der Mond ist, dann beträgt die Tröpfchengrösse 77.6 / 10 = 7.7 μm. Aus dem Kranz kann also die Tröpfchengrösse bestimmt werden, wie cool ist das denn :-)
Bei kleinen Tröpfchengrössen und ungleichmässiger Grössenverteilung bilden sich manchmal, ebenfalls durch Beugung, in einem Abstand von ca. 30° von der Sonne Irisierende Wolken. Eine ungleichmässige Grössenverteilung ist nur möglich wenn ein schnelles Anwachsen und Verdunsten von Wassertröpfchen stattfindet, was vor allem an den Wolkenrändern der Fall ist.
Irisierende Wolke
(Quelle: GQuiroga - Photographed by me.Previously published: Flickr: http://bit.ly/NqvaXM, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20517556)
Durch eine Kombination von Beugung und Rückstreuung an Wolkentröpfchen enstehen die Phänomene Glorie (über dem Nebel) und Brockengespenst (im Nebel). Diese befinden sich auf der Gegenseite der Lichtquelle, wodurch sich im Kranz auch der Schatten des Beobachters abzeichnet. Dies kann sehr gruselig wirken und hat im Harz, der Legende nach, bereits Johann Wolfgang von Goethe erschreckt.
Glorie und Brockengespenst. Dabei ist nebst der Beugung auch Rückstreuung an den Wolkentröpfchen beteiligt
(Quellen: Rainer Gutsche - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=85754487und Brocken Inaglory, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15799557)
Lichtbrechung an Regentropfen und Eiskristallen
Bei der Grösse von Eiskristallen und Regentropfen können die optischen Prozesse, wie schon erwähnt, mit der geometrischen Optik, also Refraktion und Reflexion beschrieben werden. Trifft Licht auf ein anderes Medium (von der Luft in den Wassertropfen oder Eiskristall hinein, bzw. vom Wassertropfen oder Eiskristall wieder in die Luft hinaus), wird der Lichtstrahl im «optisch dichteren» Medium (also Wasser / Eis) gegen das Lot hin gebrochen, bzw. ein Teil davon reflektiert.
Regentropfen >>> Regenbogen: Erreicht direktes Sonnenlicht die obere Hälfte eines Regentropfens, wird es beim «Eintritt» gebrochen, danach auf der «Rückseite» ein Teil davon reflektiert, der beim Austritt nun auf der Unterseite des Tropfens nochmals gebrochen wird. Das Sonnenlicht wird so um einen Winkel von 42° nach unten abgelenkt. Weil das Licht je kurzwelliger, desto stärker gebrochen wird, entsteht eine Farbaufspaltung.
1. Refraktion > Reflexion > 2. Refraktion im Regentropfen führt zum Regenbogen mit entsprechender Farbaufspaltung
(Quelle: KES47 - Eigenes Werk, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10636870)
das blaue Licht, das am stärksten gebrochen wird und am flachsten aus dem Regentropfen austritt, befindet sich unten, während der rote Anteil mit der geringsten Brechung zuoberst liegt
(Quelle: ©irisphoto1 - stock.adobe.com)
Wie beim Kranz sehen wir nicht das Brechungs-/Reflexionsmuster eines einzelnen Wolkentröpfchens (davon fällt nur ein «Lichtstrahl» in unser Auge), sondern aus einer bestimmten Richtung jeweils ein "Lichtstrahl" eines bestimmten Tröpfchens. Der Bogen ergibt sich auch erst dadurch, dass die Ablenkung zur Richtung des Sonnenlichts die eben genannten 42° betragen muss. Eigentlich ist es kein Bogen, sondern ein Kreis, der am Erdboden abgeschnitten wird.
Mehr dazu im Blog-Artikel Regenbogen
Eiskristalle >>> Halo: Auch in den Eiskristallen findet Brechung und Reflexion statt. Dabei enstehen Halo-Effekte. Je nach Kristallform, Einregelung der Kristalle und dem Einfallswinkel der Sonne entstehen die zahlreiche Halo-Phänomene. Am bekanntesten sind dabei der Grosse Haloring, der Kleine Haloring, der Horizontalkreis und die Lichtsäule. Wenn auch etwas schwächer, ist auch dabei durch die stärkere Brechung des blauen Lichtes eine Farbaufspaltung zu beobachten.
Mehr dazu im Blog-Artikel Halo-Phänomene
durch Brechung / Reflexion des Sonnenlichtes an den Eiskristallen der Cirrostratus-Schicht hervorgerufene Haloeffekte: Kleiner Haloring (Doppelbrechung an Mantelflächen), Nebensonnen (Sonderausprägung des kleinen Haloringes bei flacher Sonne und horizontal eingeregelten Kristallen) und Horizontalkreis (Reflexion an Mantelflächen)
(Quelle: ©JT Fisherman - stock.adobe.com)
Eigene Wettervorhersagen mit der Farbe der Atmosphäre
Durch die Analyse der Farbphänomene lassen sich Rückschlüsse über die Teilchen und somit auch den Zustand der Atmosphäre, bzw. damit grobe Erkenntnisse über die Wetterentwicklung in den nächsten Stunden, ableiten. Im Text habe ich den einen oder anderen Punkt bereits erwähnt. Hier sind sie nochmals zusammengefasst:
blaue Verfärbung der Landschaft: Luft trocken
graue bis weisse Verfärbung der Landschaft: Luft feucht
zunehmend grau bis weisse Verfärbung der Landschaft: Wetterverschlechterung
Verfärbung der Landschaft ändert von grau/weiss zu blau und die Fernsicht nimmt zu: Wetterverbesserung (Luft wird trockener)
bodennaher Dunst bleibt: anhaltendes trockenes Hochdruckwetter
schwarze Wolke zi heran: baldiger Starkregen
Sonne geht vor dem Horizont unter (Wolke oder Dunst): evtl. schlechtes Wetter im Anzug
kräftige Streufarben bei Sonnenaufgang /-untergang: viele Aerosole in der Luft (industrielle Verschmutzung)
kräftiges Alpenglühen: es ist eher mit trockenem Wetter zu rechnen
Morgenrot im Westen bei Westwind: evtl. schlechtes Wetter im Anzug
kräftiges Purpurlicht: viele Aerosole in der Stratosphäre
Dämmerung am Tag: Waldbrand, Saharastaub oder Vulkanausbruch irgendwo in der Richtung von wo der Wind her kommt
Mondhof mit Verhältnis Durchmesser Aureole/Mond: Tröpfchendurchmesser [μm] = 77.6 / (Aureole/Mond)
Regenbogen am Himmel: in dieser Richtung regnet es gerade
Halo am Himmel: Wolke der oft unscheinbaren Gattung "Cirrostratus" (Halos sind selten aber auch bei Cirren und anderen Wolkengattungen zu beobachten)
Die Wetterbeobachtungen geben natürlich nur grobe Richtwerte. In der Realität ist das Ganze etwas komplexer. Nicht nur spannender, sondern auch präziser werden die Vorhersagen, wenn du die Beobachtungen der Farbphänomene mit anderen Faktoren wie Windverhältnisse, Wolken, Temperatur und Luftdruck kombinierst. Jedoch können auch dann nur grobe Vorhersagen gemacht werden, die nur für die nächsten Stunden gelten. Ein Blick in die «professionellen» Wettervorhersagen kann also nie ersetzt werden!
Der Blick in den Himmel zwecks Analyse der Farben lohnt sich aber auf jeden Fall.
Viel Spass am farbigen Himmel!
David
Wettervorhersage mit den Wolken: siehe Artikel Wolken lesen und deuten
Wettervorhersage mit dem Wind: siehe Artikel Wind spüren und beurteilen
Wettervorhersage mit dem Temperaturverhalten: siehe Artikel Lufttemperatur, Wärmebilanz am Boden, Treibhauseffekt und co.
Quellen
Peter Albisser (2017) - Wetterkunde für Wanderer und Bergsteiger, 6. vollständig überarbeitete Auflage, ISBN 978-3-85902-424-3
Michael Vollmer (2016) - Atmosphärische Optik für Einsteiger, Lichtspiele in der Luft, 2. Auflage, ISBN 978-3-662-58362-3 (eBook)
Hans Häckel (2016) - Meteorologie, 8. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, ISBN 978-3-8463-4603-7 (eBook)
Hans Häckel (2007) - Wetter & Klimaphänomene, 2. völlig neu bearbeitete Auflage, ISBN 978-3-8001-5414-2
Marcel Minnaert (1992) - Licht und Farbe in der Natur, Aus dem Niederländischen von Regina Erbel-Zappe (Orginalausgabe von 1974), ISBN 978-3-0348-5621-8 (eBook)
