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Alltagsfragen aus der Physik Wieso ist der Himmel blau?

Warum ist der Himmel blau? Warum haben wir farbige Augen? Warum brennen Glühbirnen durch? Und: Warum leuchten Halogenlampen so hell? Vier Alltagsfragen, die es in sich haben. Wir können sie beantworten.

Von: Simon Demmelhuber & Volker Eklkofer

Stand: 24.05.2013

Blauer Himmel über Wiese im Allgäu | Bild: picture-alliance/dpa/Julian Stratenschulte

1. Wo nimmt der Himmel seine blaue Farbe her?

Ein strahlender Tag. Die Sonne scheint, über uns spannt sich ein leuchtend blauer Sommerhimmel. Aber wo kommt all das Blau eigentlich her? Und wohin verschwindet es nachts? Denn eigentlich, das wissen wir aus Science Fiction-Filmen und von NASA-Bildern, ist das Weltall pechschwarz. Könnten wir selbst in ein Raumschiff steigen und von weit draußen auf die Erde blicken, wäre unser schöner blauer Himmel nur eine hauchdünne, schimmernde Hülle um eine Erde, die in tiefster Finsternis schwimmt. Und irgendwo in der Ferne sähen wir die Sonne als gleißend hellen Ball. Wie passt das zusammen: Die Sonne ist weiß, das Weltall schwarz, und die Himmelshülle um die Erde trotzdem blau?

Das Spektrum des Regenbogens: Isaac Newton bringt uns auf die Spur

Schauen wir uns die einzelnen Teile des Alltagsrätsels einmal genauer an. Da ist zuerst die Sonne. Sie spendet das Licht, das auf die Erde kommt. Dieses Licht erscheint uns weiß. Dass es aber trotzdem alle Farben enthält, hat schon vor rund 250 Jahren der englische Naturforscher Isaac Newton bewiesen.

Farbengemisch: Das sichtbare Licht und die Wellenlängen

Was unsere Augen als Licht wahrnehmen, ist für Physiker schlichtweg elektromagnetische Strahlung. Sie wird von der Sonne erzeugt und in riesigen Mengen ins Weltall geschleudert. Auch alle anderen Lichtquellen, egal ob Kerze, Feuer, Glühbirne oder Halogenlampe, senden sie aus. Die Strahlung breitet sich in Form unterschiedlich langer Wellen aus. Die Wellenlänge wird in Nanometer, also in Milliardstel Meter, gemessen. An einem Ende des Wellenspektrums, das die Sonne erzeugt, finden wir extrem kurzwellige Gammastrahlen mit Wellenlängen in atomaren Größenordnungen. Am entgegen gesetzten Ende liegen Radiowellen mit Wellenlängen von wenigen Zentimetern bis zu vielen Kilometern.

Das menschliche Auge kann allerdings nur einen kleinen Ausschnitt dieses Spektrums als sichtbares Licht wahrnehmen, nämlich den Bereich mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometer. Licht mit der Wellenlänge von 400 Nanometern sehen wir als Violett, Licht mit einer Wellenlänge von 700 Nanometer erscheint uns als Rot. Zwischen diesen beiden Rändern des sichtbaren Lichtspektrums liegen alle Farben von Blau über Grün und Gelb bis Orange.

Reflexion und Absorption: Bunt ist, was abstrahlt

Aber damit wir überhaupt etwas sehen, muss das Licht auf einen Gegenstand fallen und von ihm zurückgestrahlt werden. Dieser Vorgang heißt Reflexion. Der Farbeindruck entsteht, wenn die Gegenstände nur einen Teil des auftreffenden Wellenspektrums reflektieren und den Rest des Wellenspektrums "verschlucken". Dieser Vorgang heißt Absorption.

Ein Gegenstand, der alle Wellenlängen außer Grün absorbiert und nur Grün reflektiert, erscheint uns grün. Gegenstände, die mehrere Wellenlängen reflektieren, erscheinen uns mischfarbig. Ein Körper, der Licht weder absorbiert noch reflektiert, sondern durchlässt, erscheint uns durchsichtig. Weiße Körper hingegen reflektieren nicht einzelne, sondern alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes. Daher ist Weiß eigentlich keine Farbe, sondern eine Mischung sämtlicher Wellenlängen des sichtbaren Spektrums. Der Eindruck "schwarz" entsteht, wenn Licht auf einen Gegenstand fällt und vollständig "verschluckt" (absorbiert) wird.

Himmelblau und Abendrot: Die Streuung macht den Unterschied

Weil im Sonnenlicht das gesamte Wellenspektrum enthalten ist, erscheint ihr Licht weiß. Das Weltall ist schwarz, weil es nichts enthält, das Licht reflektieren könnte. Aber warum ist der Himmel blau? Luft ist ja schließlich auch unsichtbar und kein fester Gegenstand.

Doch die Luft besteht aus winzigsten kleinen Luftmolekülen und ist obendrein mit Staub vermischt. Wenn das "zusammengesetzte" Licht der Sonne auf die Erdatmosphäre trifft, stößt es mit diesen winzigen Teilchen zusammen und wird reflektiert. Diese Reflexion des Lichts in der Atmosphäre zerstreut das einfallende Licht in alle möglichen Richtungen. Und zwar zerstreut sie  tagsüber, wenn das Sonnenlicht steil einfällt und einen kurzen Weg hat, den kurzwelligen blauen Lichtanteil sehr viel stärker als alle anderen Wellenlängen. Was wir am Tag als blauen Himmel sehen, sind also die kurzwelligen blauen Lichtanteile, die in der Atmosphäre zerstreut werden. Wenn die Sonne am Morgen aufsteigt und am Nachmittag und gegen Abend immer tiefer sinkt, wird der Einfallswinkel des Lichts flacher und sein durch die Atmosphäre länger. Dann werden nicht die blauen, sondern die roten Lichtanteile stärker gestreut. Darum erscheint uns der Himmel am Morgen und am Abend rötlich.

Andere Fragen aus der Sendung

2. Blau, schwarz, braun, grau oder grün - was färbt die Augen?

Alltagsfragen Physik | Bild: SWR

Wieso gibt es eigentlich braune, blaue, grüne oder graue Augen, und wie kommen die unterschiedlichen Farben zustande? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns den Augapfel unter die Lupe nehmen. Er ist von drei Gewebeschichten umzogen. Die äußere Augenhaut bilden zwei Schichten: Lederhaut und Hornhaut. Hinter der Hornhaut liegt eine schillernde Regenbogenhaut, die Iris. Sie reguliert den Lichteinfall über die Pupille.

Farbwechsel: Melanin macht die Augen dunkel

Damit sind wir dem Geheimnis der Augenfarbe schon dicht auf der Spur. Denn in der Iris ist wiederum ein spezielles Gewebe eingelagert, das Stroma genannt wird. Da diese trübe, watteartige Substanz nur blaues Licht reflektieren kann, sind alle Augen von Natur aus zunächst blau.

Die spätere Augenfarbe bildet sich erst in den ersten Lebensjahren heraus. Ursache für die allmähliche Farbänderung ist ein besonderes Pigment, das so genannte Melanin. Dieser Farbstoff reichert sich im Lauf der Zeit in der Iris an, um die Netzhaut vor zu starkem Lichteinfall zu schützen. Je mehr Melanin sich einlagert, desto dunkler werden die Augen. Menschen, die weniger Melanin besitzen, bekommen je nach Pigmentmenge graue, gelbe oder grüne Augen. Wie viel Melanin der Körper bildet, ist genetisch festgelegt.

3. Wieso brennen Glühlampen durch?

Alltagsfragen Physik | Bild: SWR

Auf einmal macht es "pling" und plötzlich gibt die Glühbirne ihren Geist auf. Die Lampe ist durchgebrannt sagen wir, und das trifft die Sache sehr genau. Eine typische Glühlampe genauer an. besteht grob gesagt aus einem durchsichtigen Glaskolben, der mit einem besonderen Gas gefüllt ist und einem vielfach geschlungen Metallfaden, meist aus Wolfram, der durch den beim Einschalten Strom geleitet wird.

Verschleißerscheinung: Hitze macht Glühlampen mürbe

Der Strom erhitzt den Metallfaden buchstäblich bis zur Weißglut. Je nach Bauart wird er zwischen 1.500 und 3.000 Grad heiß. Die immense Temperatur führt dazu, dass im Lauf der Zeit immer mehr Wolfram an der Oberfläche des Fadens verdampft. Dadurch wird er an einigen Stellen schließlich so dünn, dass er im Schnitt nach etwa 1000 Betriebsstunden abgenutzt ist und reißt oder zerbricht.

4. Warum leuchten Halogenlampen so hell?

Alltagsfragen Physik | Bild: SWR

Halogenlampen sind eine wunderbare Erfindung. Sie leuchten wesentlich heller als normale Glühlampen und haben außerdem eine deutliche längere Lebensdauer. Wie schaffen sie das? Die Lösung des Rätsels ist einfach: Eigentlich funktionieren Halogenlampen genau so wie Glühbirnen. Mit einem wichtigen Unterschied: Der Glaskolben ist mit einem besonderen Gas gefüllt, das chemisch zur Gruppe der Halogene (Salzbildner) gehört. Die Gasfüllung, sie besteht meist aus Iod oder Brom, sorgt dafür, dass sich der Glühdraht nicht so schnell abnutzt und deutlich stärker erhitzt werden kann. Dadurch strahlt der Glühfaden ein wesentlich helleres Licht ab.


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