Farben des Himmels und des Meeres

Die Farben des Himmels

Die Helligkeit und die Farben des Himmels kommen durch die Wechselwirkung des Sonnenlichts mit der Atmosphäre zustande. Auf dem Mond, wo es keine Atmosphäre gibt, ist der Himmel schwarz.
Sonnenlicht ist aus allen Spektralfarben (Regenbogenfarben) zusammengesetzt. Das Spektrum reicht von Rot über Orange, Gelb, Grün, Blau bis zu Violett. Das rote Licht hat die längste Wellenlänge, das violette die kürzeste.
Die Atmosphäre besteht aus den Molekülen, aus denen die Luft besteht (Stickstoff, Sauerstoff, Ozon und in geringem Maß anderen) und aus Teilchen unterschiedlicher Größe, die Dunst, Nebel oder Wolken bilden.
Trifft Licht auf ein Teilchen, dann wird es in alle Richtungen verteilt. Dieser Prozess heißt Streuung. Wie die Streuung abläuft, hängt von der Wellenlänge des Lichts und der Größe des Teilchens ab.
1. Luftmoleküle und Teilchen, die viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, also kleiner als zehntausendstel Millimeter. Das Licht wird fast gleichmäßig in alle Richtungen gestreut. Dabei wird das kurzwellige violette und blaue Licht viel stärker in alle Richtungen verteilt als das rote Licht.
2. Teilchen, die mindestens so groß oder größer sind als die Wellenlänge des Lichts. Die Wellenlänge spielt kaum noch eine Rolle, das Licht wird überwiegend nach vorn gestreut.

Rund um die Sonne ist der Himmel blendend weiß. Das weiße Sonnenlicht wird durch größere Teilchen nach vorn gestreut. Wie groß der helle Schein ist, hängt vor allem von der Dichte der Teilchen ab.

Blickt man in Richtungen weiter weg von der Sonne, dann ist der Himmel blau. Ohne Atmosphäre wäre er schwarz. Aber die vom Sonnenlicht beleuchteten Luftmoleküle streuen einen Teil des Lichts in alle Richtungen und auch in unsere Augen. Dabei wird das blaue Licht viel stärker zu den Seiten gestreut als das rote. Unsere Augen empfangen überwiegend blaues und violettes Licht- der Himmel erscheint blau. Im Zenit ist der Weg des Lichts durch die Atmosphäre am kürzesten. Bei niedrigem Sonnenstand ist der Zenit deshalb am dunkelsten blau. Zusätzlich kommt die blaue Farbe des Zenit durch blau leuchtende Ozonmoleküle zustande.

Anmerkung: Die Fotos 3 bis 7 wurden im Spätherbst 1991 aufgenommen. Im Juni 1991 ist der Vulkan Pinatubo ausgebrochen. Dabei schleuderte er 17 Millionen Tonnen Schwefeldioxid in die Atmosphäre. Feine Schwefelsäuretröpfchen verteilten sich in den folgenden Monaten mit den Jetstreams über die ganze Erde. Sie führten zu einem globalen Temperaturabfall von 0,5 °C und zu sehr ausgeprägtem Abendrot rund um die Erde. Die einzelnen Phasen des Abendhimmels waren besonders gut zu beobachten und zu fotografieren

Nähert sich die Sonne dem Horizont, dann wird der Weg des Lichts durch die Atmosphäre immer länger. Es wird immer mehr kurzwelliges violettes und blaues Licht zur Seite weg gestreut, das gelbe und rote Licht bleibt übrig. Die Sonne selbst und der helle Schein um die Sonne färben sich erst gelb (wenn violett im Spektrum fehlt), dann orange (wenn auch blau weitgehend fehlt) und schließlich rot (wenn auch das grüne Licht fehlt).

Dicht über dem Horizont gibt es am meisten Dunst. Dieser streut zunächst das gelbe, dann orange und rote Licht in alle Richtungen. So bildet sich schon vor Sonnenuntergang ein gelber, orange oder roter Streifen über weite Teile des östlichen Horizonts.

Nach Sonnenuntergang sinkt der helle Schein mit der Sonne nach unten und färbt sich gelb. Etwa 20 Minuten nach Sonnenuntergangbeginnt der Himmel über dem hellen Schein oft rötlich zu leuchten. Das Hauptpurpurlicht kommt durch größere Teilchen in 10 bis 20 km Höhe zustande, die das rote Abendlicht überwiegend nach vorn streuen. Das Hauptpurpurlicht ist nicht immer zu sehen. Aber manchmal ist es so hell, dass es den unteren Teil des Erdschattens beleuchtet und rötlich erscheinen lässt.

Schon vor dem Sonnenuntergang und bis zu einer Stunde danach beleuchtet das rote Sonnenlicht den östlichen Teil der Atmosphäre. Diese streut einen Teil des roten Lichtes zurück wie eine Filmleinwand und leuchtet in pastellfarbenem rötlichen Licht. Je tiefer die Sonne sinkt, um so höher steigt das Gegenabendrot im Osten.

Schon kurz nach Sonnenuntergang schiebt sich ein dunkler erst grauer, dann blaugrauer Streifen vor das Gegenabendrot und steigt allmählich nach oben. Dies ist der Schatten der Erde. Den Schattenbereich kann das Sonnenlicht nicht mehr beleuchten, weil die Erde im Weg steht. Der Erdschatten ist bläulich, weil er von dem noch blauen Himmel in Zenitnähe beleuchtet wird.

Das Absinken des Abendrots im Westen und das Aufsteigen des Gegenabendrots im Osten wurden von Rilke mit folgenden Gedichtzeilen beschrieben:

Der Abend wechselt langsam die Gewänder,
die ihm ein Rand von alten Bäumen hält;
du schaust: und vor dir scheiden sich die Länder,
ein himmelfahrendes und eins, das fällt.

– Rainer Maria Rilke

Die Farben des Meeres – Blau und Grün

Die Farben des Meeres
Für die Farben des Meeres sind verschiedene physikalische Prozesse verantwortlich.

Trifft Licht auf eine Wasserfläche, so wird ein Teil reflektiert, der Rest dringt ins Wasser ein. Für die Reflexion gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Der reflektierte Teil ist umso stärker, je flacher das Licht auftrifft. (Bild 1)

Bei spiegelglatter See wird das Licht von horizontnahen Teilen des Himmels fast vollständig reflektiert und färbt das Wasser in den Farben des Himmels.  Ist das Meer von Wellen bedeckt, so blicken wir beim Blick in die Ferne nur auf die uns zugewandten Flanken der Wellen.(Bild 2) Diese lenken Licht aus höheren, dunkelblauen Teilen des Himmels in unsere Augen.  Dazu kommt, dass dieses Licht steiler auf die Wellenflanke auftrifft und ein größerer Teil in das Wasser eindringt, also nur ein kleinerer Teil reflektiert wird. Auch durch diesen Effekt erscheinen die Wellenflanken, auf die wir blicken, dunkler.

Dringt Licht von der Sonne oder den Wolken ins Wasser ein, dann wird es von den Wassermolekülen und von Schwebstoffen wie winzigen Sandteilchen oder Plankton vielfach gestreut. Es ändert immer wieder seine Richtung und ein Teil gelangt wieder zurück in unsere Augen. Auf dem Weg durch das Wasser verändert sich seine Farbe.

Wassermoleküle und winzige Schwebteilchen streuen das kurzwellige violette und blaue Licht viel stärker als  das langwellige rote Licht.  Gleichzeitig wird das langwellige Licht viel stärker absorbiert (und seine Energie als Wärmestrahlung abgegeben) als das kurzwellige Licht. Beide Effekte führen dazu, dass das Meerwasser oft blau erscheint.

Ist das Meer höchstens wenige Meter tief, so beeinflusst auch die Farbe des Meeresbodens die Farbe des Meeres. Das eingedrungene Licht  wird am Meeresboden zum Teil absorbiert, zum Teil zurückgestreut. Gelber Sand streut z.B. gelbes Licht zurück. Ein teil dieses Lichts fällt durch die Meeresoberfläche in unsere Augen.

Meistens ergibt sich durch das Zusammenspiel der drei Mechanismen eine Mischfarbe. So erscheint das Meer bei blauem Himmel über einer Sandbank grünlich, weil sich das reflektierte blaue Licht des Himmels mit dem gelben Licht des Sandes vermischt.

Der Himmel wird zum Horizont hin heller (Begründung in den Anmerkungen zur Serie Farben des Himmels). Die flachen Teile der Wellen spiegeln den horizontnahen hellen Himmel , die  Wellenflanken höhere dunkelblaue Teile des Himmels. Je weiter wir zum Horizont hin aufs Meer blicken, um so mehr blicken wir auf die uns zugewanden Wellenflanken. Deshalb erscheint das Meer zum Horizont hin dunkler und hebt sich stark von dem hellen Himmel ab.
Die grüne Farbe des Meeres entsteht meist durch eine Mischung aus gelb,  orange oder grün und himmelblau. Das gelbe oder orange Licht kann vom Untergrund kommen (hellgelber Sand, aber nur bis zu einer Tiefe von wenigen Metern), grünes Licht von grünem Plankton dicht unter der Meeresoberfläche. Oder das orange oder gelbe Licht stammmt wie hier von den horizontnahen Teilen des Himmels.
Das leuchtende Türkis entsteht durch die Mischung des reflektierten Himmelblau mit dem hellgelben Licht, das vom Sandboden in wenigen Metern Tiefe gestreut wird. An den dunkelblauen Stellen ist der Untergrund dunkel. Es besteht aus Algen oder dunklen Felsen. Dort sieht man bei leichem Wellengang nur das gespiegelte Licht des zenitnahen Himmels.
Kleine Oberflächenwellen mit wenigen Zentimetern Wellenlänge werden vom Wind erzeugt. Dort, wo das Meer von einer hauchdünnen Ölspur überzogen ist, bilden sich keine Wellen – das Meer ist glatt. Das glatte Meer spiegelt helle horizontnahe Teile des Himmels, das von Wellen bedeckte spiegelt höhere dunklere Teile des Himmels.
Blick nach Osten. Die Sonne ist seit einer halben Stunde untergegangen. Der dunkelblaue Erdschatten hat sich vor das Gegenabendrot geschoben.  Das Meer ist glatt wie ein Spiegel. Der gespiegelte Himmel ist etwas dunkler als der wahre Himmel, weil en Teil des Lichts ins Wasser eindringt und dort absorbiert wird.
Wenn die Sonne mehr als 20 Grad über dem Horizont steht und nicht zu flache Wellen das Meer bedecken, wird die Lichtbahn aus Sonnenreflexen zum Horizont hin immer breiter. Im Teleobjektiv füllt sie dann die ganze Bildbreite.
Bei Gewitter leuchten die Wolken in seltenen Fällen grün. Das gelbe Licht der Abendsonne, das durch die Wolken dringt,  vermischt sich dann mit dem blauen Licht des Himmels.
Bei leichtem Wellengang spiegelt die Meeresoberfläche die Farben des Himmels eine Handspanne über dem Horizont.

Die Farben des Meeres – gelb, orange und rot

Für die Farben des Meeres sind verschiedene physikalische Prozesse verantwortlich.

Trifft Licht auf eine Wasserfläche, so wird ein Teil reflektiert, der Rest dringt ins Wasser ein. Für die Reflexion gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Der reflektierte Teil ist umso stärker, je flacher das Licht auftrifft. (Bild 1)
Bei spiegelglatter See wird das Licht von horizontnahen Teilen des Himmels fast vollständig reflektiert und färbt das Wasser in den Farben des Himmels.  Ist das Meer von Wellen bedeckt, so blicken wir beim Blick in die Ferne nur auf die uns zugewandten Flanken der Wellen.(Bild 2) Diese lenken Licht aus höheren, dunkelblauen Teilen des Himmels in unsere Augen.  Dazu kommt, dass dieses Licht steiler auf die Wellenflanke auftrifft und ein größerer Teil in das Wasser eindringt, also nur ein kleinerer Teil reflektiert wird. Auch durch diesen Effekt erscheinen die Wellenflanken, auf die wir blicken, dunkler.

Dringt Licht von der Sonne oder den Wolken ins Wasser ein, dann wird es von den Wassermolekülen und von Schwebstoffen wie winzigen Sandteilchen oder Plankton vielfach gestreut. Es ändert immer wieder seine Richtung und ein Teil gelangt wieder zurück in unsere Augen. Auf dem Weg durch das Wasser verändert sich seine Farbe.
Wassermoleküle und winzige Schwebteilchen streuen das kurzwellige violette und blaue Licht viel stärker als  das langwellige rote Licht.  Gleichzeitig wird das langwellige Licht viel stärker absorbiert (und seine Energie als Wärmestrahlung abgegeben) als das kurzwellige Licht. Beide Effekte führen dazu, dass das Meerwasser oft blau erscheint.

Ist das Meer höchstens wenige Meter tief, so beeinflusst auch die Farbe des Meeresbodens die Farbe des Meeres. Das eingedrungene Licht  wird am Meeresboden zum Teil absorbiert, zum Teil zurückgestreut. Gelber Sand streut z.B. gelbes Licht zurück. Ein teil dieses Lichts fällt durch die Meeresoberfläche in unsere Augen.

Meistens ergibt sich durch das Zusammenspiel der drei Mechanismen eine Mischfarbe. So erscheint das Meer bei blauem Himmel über einer Sandbank grünlich, weil sich das reflektierte blaue Licht des Himmels mit dem gelben Licht des Sandes vermischt.

Es ist windstill. Die Meeresoberfläche ist ein perfekter Spiegel. Das Spiegelbild des Himmels ist dunkler als der Himmel selbst, weil ein Teil des Himmelslichtes ins Wasser eindringt und absorbiert wird. Wie die Farben des Himmels (hier der horizontale Streifen) zustande kommen, kannst du unter den Anmerkungen zur Serie Die Farben des Himmels nachlesen.
Kurz vor Sonnenuntergang. Etwa 30° neben der Sonne. Der horizontale Streifen zieht sich über weite Teile des Horizonts. Die uns zugewandten Wellenflanken spiegeln den zentitnahen Himmel, die horizontalen Teile das orange Licht des horizontalen Streifens.
Aufnahme mit einem 1000mm-Teleobjektiv. Dicht über den Horizont erscheint der Himmel homogen orange. Im Vordergrund sind die Wellen sehr sanft geneigt. Sie spiegeln hellere und dunklere horizontnahe Teile des Himmels. Weiter in der Ferne hat der Wind steilere Wellen erzeugt. Dort mischt sich das Dunkelblau in Zenitnähe mit dem Orange am Horizont zu einer grünlichen Farbe.
Aufnahme mit einem 1000mm-Teleobjektiv. Dicht über dem Horizont erscheint der Himmel homogen gelb. Im Vordergrund ist der Wasserspiegel glatt und spiegelt den horizontnahen Himmel; weiter hinten gibt es kleine vom Wind erzeugte Wellen Dort spiegeln die Wellenflanken den etwas helleren Himmel über dem Horizontalstreifen.
Auch diese Aufnahme wurde mit einem 1000mm-Teleobjektiv aufgenommen. Nach Sonnenuntergang erscheint der Himmel dicht über dem Horizont homogen rot. Darüber ist der horizontale Streifen heller orange (Das sieht man gut in Bild 1 dieser Serie). Die leicht bewegte Meeresoberfläche spiegelt je nach Neigung rotes oder orange Licht in unsere Augen.
Blick nach Osten. Die Sonne ist seit 10 Minuten untergegangen. Dicht über dem Horizont herrscht starker, für das Sonnenlicht undurchdringlicher Dunst, der vom blauen Himmel beleuchtet wird. Darüber das Gegenabendrot. Im leicht bewegten Wasser spiegeln sich die blauen und roten Teile des Himmels und mischen sich zu violett.
Blick bei Sonnenuntergang nach Osten. Das Gegenabendrot in blassem Rosa, darüber der hellblaue Osthimmel. Beide Farben spiegeln sich je nach Wellenneigung im leicht bewegten Wasser.
Blick nach Osten, einige Minuten später. Der Erdschatten hat sich von unten her vor das Gegenabendrot geschoben. Die Wellen spiegeln je nach Neigung den dunkelblauen Erdschatten, das rosa Gegenabendrot oder die hell- bis dunkelblauen höheren Teile des Himmels.

Nebel und dunkle Wolken

Für die Farben des Meeres sind verschiedene physikalische Prozesse verantwortlich.

Trifft Licht auf eine Wasserfläche, so wird ein Teil reflektiert, der Rest dringt ins Wasser ein. Für die Reflexion gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Der reflektierte Teil ist umso stärker, je flacher das Licht auftrifft. (Bild 1)
Bei spiegelglatter See wird das Licht von horizontnahen Teilen des Himmels fast vollständig reflektiert und färbt das Wasser in den Farben des Himmels.  Ist das Meer von Wellen bedeckt, so blicken wir beim Blick in die Ferne nur auf die uns zugewandten Flanken der Wellen.(Bild 2) Diese lenken Licht aus höheren, dunkelblauen Teilen des Himmels in unsere Augen.  Dazu kommt, dass dieses Licht steiler auf die Wellenflanke auftrifft und ein größerer Teil in das Wasser eindringt, also nur ein kleinerer Teil reflektiert wird. Auch durch diesen Effekt erscheinen die Wellenflanken, auf die wir blicken, dunkler.

Dringt Licht von der Sonne oder den Wolken ins Wasser ein, dann wird es von den Wassermolekülen und von Schwebstoffen wie winzigen Sandteilchen oder Plankton vielfach gestreut. Es ändert immer wieder seine Richtung und ein Teil gelangt wieder zurück in unsere Augen. Auf dem Weg durch das Wasser verändert sich seine Farbe.
Wassermoleküle und winzige Schwebteilchen streuen das kurzwellige violette und blaue Licht viel stärker als  das langwellige rote Licht.  Gleichzeitig wird das langwellige Licht viel stärker absorbiert (und seine Energie als Wärmestrahlung abgegeben) als das kurzwellige Licht. Beide Effekte führen dazu, dass das Meerwasser oft blau erscheint.

Ist das Meer höchstens wenige Meter tief, so beeinflusst auch die Farbe des Meeresbodens die Farbe des Meeres. Das eingedrungene Licht  wird am Meeresboden zum Teil absorbiert, zum Teil zurückgestreut. Gelber Sand streut z.B. gelbes Licht zurück. Ein teil dieses Lichts fällt durch die Meeresoberfläche in unsere Augen.

Meistens ergibt sich durch das Zusammenspiel der drei Mechanismen eine Mischfarbe. So erscheint das Meer bei blauem Himmel über einer Sandbank grünlich, weil sich das reflektierte blaue Licht des Himmels mit dem gelben Licht des Sandes vermischt.

Nebel. Die Nebeltröpfchen sind so groß, dass die Streuung nicht von der Farbe abhängt. Der Himmel in Horizontnähe ist heller als der in Zenitnähe. Deshalb ist die Helligkeit des Meeres je nach Wellenneigung unterschiedlich. Zu uns geneigte Wellen sind dunkler als weniger geneigte. Der Himmel ist heller als das Meer, weil das Meer die dunklen höheren Himmelsteile bevorzugt zu uns spiegelt.
Das Meer ist spiegelblatt. Nur am Horizont hat der Wind die Wasseroberfläche gekräuselt. Von dort wird dunkleres Licht aus höheren Teilen des Himmels in unsere Augen gelenkt. So kommt der etwas dunklere Streifen am Horizont zustande.
Die Helligkeit des Bildes hängt von der Dichte der Nebelschicht ab. Das Sonnenlicht wird an den Nebeltröpfchen vielfach gestreut und zum kleinen Teil an jedem Tropfen absorbiert. Je dichter der Nebel ist, um so mehr Streuprozesse finden statt und um so weniger Licht dringt durch die Nebelschicht bis zu unseren Augen durch.
Die Sonne steht schon niedrig über dem Horizont. Beim Blick in Richtung der vom Nebel verhüllten Sonne erscheinen Himmel und Meer in einem warmen Gelb, weil das Sonnenlicht bei der Streuung in der Atmosphäre seinen blauen Anteil verloren hat und selbst gelblich ist.

Das Meer ist bis auf die Welle im Vordergrund ganz glatt und wirkt als perfekter Spiegel. Dicht unter dem Horizont spiegeln sich die Teile des Himmels, die dicht über dem Horizont liegen. Durch das Fehlen von Kontrasten ist der Horizont nicht zu erkennen, obwohl die Luft ganz klar ist.

Der Himmel ist gleichmäßig grau. An einer dünneren, im Bild nicht sichtbaren Stelle  Stelle dringt die Sonne durch die Wolkenschicht und erzeugt unzählige einzelne Blitze auf der bewegten Wasseroberfläche.
Die horizontnahen Wellen spiegeln den oberen hellen Teil des Gewitterhimmels, weil wir nur auf die zu uns geneigten Flanken blicken. Deshalb ist das Meer am Horizont viel heller als der Himmel.
Das Sonnenlicht bricht durch einzelne Wolkenlücken und erzeugt ein glitzerndes Band auf dem bewegten Wasser.  Die Sonne steht etwa 40^hoch- das Glitzerband wird zum Horizont hin breiter.
Die tiefstehende Sonne kann mit ihrem gelben Licht den Dunst kaum durchdringen- nur an einer Stelle gelangt sie bis zum Horizont.