Schauen Sie an einem klaren, sonnigen Tag nach oben und Sie werden einen blauen Himmel sehen. Aber ist das die wahre Farbe des Himmels? Oder ist es die einzige Farbe des Himmels?
Die Antworten sind etwas kompliziert, aber sie betreffen die Natur des Lichts, Atome und Moleküle und einige besondere Teile der Erdatmosphäre. Und auch große Laser – für die Wissenschaft!
Blauer Himmel?
Also das Wichtigste zuerst: Wenn wir an einem sonnigen Tag einen blauen Himmel sehen, was sehen wir dann? Sehen wir blauen Stickstoff oder blauen Sauerstoff? Die einfache Antwort ist nein. Stattdessen ist das blaue Licht, das wir sehen, gestreutes Sonnenlicht.
Die Sonne erzeugt ein breites Spektrum des sichtbaren Lichts, die wir als weiß sehen, aber alle Farben des Regenbogens enthält. Wenn Sonnenlicht durch die Luft dringt, streuen Atome und Moleküle in der Atmosphäre blaues Licht in alle Richtungen, viel mehr als rotes Licht. Das nennt man Rayleigh-Streuungund führt an klaren Tagen zu einer weißen Sonne und einem blauen Himmel.
Bei Sonnenuntergang können wir beobachten, wie sich dieser Effekt verstärkt, da das Sonnenlicht mehr Luft durchdringen muss, um uns zu erreichen. Wenn die Sonne nahe am Horizont steht, wird fast das gesamte blaue Licht gestreut (oder von Staub absorbiert), sodass wir am Ende eine rote Sonne mit blaueren Farben um sie herum haben.
Aber wenn alles, was wir sehen, verstreutes Sonnenlicht ist, was ist dann die wahre Farbe des Himmels? Vielleicht bekommen wir über Nacht eine Antwort.
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Die Farbe dunkler Himmel
Wenn Sie in den Nachthimmel schauen, ist er eindeutig dunkel, aber nicht vollkommen schwarz. Ja, es gibt die Sterne, aber der Nachthimmel selbst leuchtet. Das ist keine Lichtverschmutzung, sondern das natürliche Leuchten der Atmosphäre.
In einer dunklen, mondlosen Nacht auf dem Land, abseits der Lichter der Stadt, können Sie die Bäume und Hügel sehen, die sich gegen den Himmel abheben.
Rodney Campbell / Flickr
Dieses Leuchten, genannt Himmel glühen, wird von Atomen und Molekülen in der Atmosphäre erzeugt. Im sichtbaren Licht erzeugt Sauerstoff grünes und rotes Licht, Hydroxylmoleküle (OH) erzeugen rotes Licht und Natrium erzeugt ein kränkliches Gelb. Stickstoff, obwohl viel häufiger in der Luft vorhanden als Natrium, trägt nicht viel zum Luftglühen bei.
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Die unterschiedlichen Farben des Luftglühens entstehen dadurch, dass Atome und Moleküle bestimmte Energiemengen (Quanten) in Form von Licht abgeben. Beispielsweise kann ultraviolettes Licht in großen Höhen Sauerstoffmoleküle (O₂) in Paare von Sauerstoffatomen spalten, und wenn diese Atome später Rekombinieren sie zu Sauerstoffmolekülen, erzeugen sie ein klares grünes Licht.
Gelbes Licht, Sternschnuppen und scharfe Bilder
Natriumatome machen einen winzigen Teil unserer Atmosphäre aus, aber sie sind ein großer Teil des Luftglühens und haben einen sehr ungewöhnlichen Ursprung: Sternschnuppen.
Sie können Sternschnuppen in jeder klaren, dunklen Nacht sehen, wenn Sie bereit sind zu warten. Sie sind winzige Meteore, die von Staubpartikeln erzeugt werden, die sich in den oberen Schichten der Atmosphäre erhitzen und verdampfen, während sie sich mit mehr als 11 km/s fortbewegen.
Wenn Sternschnuppen in etwa 100 Kilometer Entfernung durch den Himmel schießen, hinterlassen sie eine Spur aus Atomen und Molekülen. Manchmal sieht man Sternschnuppen in verschiedenen Farben, die das Ergebnis der darin enthaltenen Atome und Moleküle sind. Sehr helle Sternschnuppen können sogar sichtbare Rauchfahnen hinterlassen. Und zwischen diesen Atomen und Molekülen ist ein bisschen Natrium.
NASA
Diese hohe Schicht aus Natriumatomen ist für Astronomen tatsächlich nützlich. Unsere Atmosphäre ist ständig in Bewegung, sie ist turbulent und verdeckt Bilder von Planeten, Sternen und Galaxien. Denken Sie an den Schimmer, den Sie sehen, wenn Sie an einem Sommernachmittag auf eine lange Straße blicken.
Um die Turbulenzen auszugleichen, machen Astronomen schnell Bilder von hellen Sternen und messen, wie die Bilder der Sterne verzerrt sind. Ein spezieller verformbarer Spiegel kann angepasst werden, um die Verzerrung zu beseitigen und Bilder zu erzeugen, die schärfer sein können als die von Weltraumteleskopen. (Obwohl Weltraumteleskope immer noch den Vorteil haben, nicht durch Luftglühen zu blicken.)
Diese als „adaptive Optik“ bezeichnete Technik ist leistungsfähig, aber es gibt ein großes Problem. Es gibt nicht genug natürlich helle Sterne, damit die adaptive Optik am ganzen Himmel funktionieren könnte. Also erschaffen Astronomen ihre eigenen künstlichen Sterne am Nachthimmel, die sogenannten „Laser-Leitsterne“.
Diese Natriumatome befinden sich hoch über der turbulenten Atmosphäre, und wir können sie hell leuchten lassen, indem wir einen starken Laser auf sie feuern, der auf das deutliche Gelb von Natrium abgestimmt ist. Der resultierende künstliche Stern kann dann für die adaptive Optik verwendet werden. Die Sternschnuppe, die Sie nachts sehen, hilft uns, das Universum klarer zu sehen.
Der Himmel ist also nicht blau, zumindest nicht immer. Es ist auch ein im Dunkeln leuchtender Nachthimmel, der in einer Mischung aus Grün, Gelb und Rot gefärbt ist. Die Farben sind das Ergebnis von gestreutem Sonnenlicht, Sauerstoff und Natrium von Sternschnuppen. Und mit ein wenig Physik und einigen großen Lasern können wir künstliche gelbe Sterne erschaffen, um scharfe Bilder unseres Kosmos zu erhalten.
