From colored sky and wandering sun / Über gefärbten Himmel und wandernde Sonne

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Hey guys,

today’s topic is based on a motivation from a post by @detlev.

Perhaps, you wondered where the intense colors in the sky (especially in the morning or evening) come from? Why is the sky during the day so blue at all? The fact, that Wikipedia knows multiple articles touching the topic twilight indicates that it is not just an easy phenomenon (in fact, this posting is quite extensive – please don’t be scared). However, I want to try to illustrate the principle reasons. In every case there are multiple parameters that are important but we leave that out for now.

First, let’s look why the sky is colored at all. Perhaps you saw pictures or movies from outer space and wondered why everything is just black out there?

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The reason for this is, that at some distance from earth, the sky is nearly empty. Thus, there is no atmosphere. The atmosphere of our earth is primarily air, i.e. a mixture of different gases with water and small dust particles distributed. The main parts of the gases are nitrogen (ca. 78 %) and oxygen (ca. 21 %). Apart from that, there are the so-called noble gases like argon or helium, and carbon dioxide, steam, methane, ozone and so on.
And these are all blue? Nope, they’re surely not. These gases are colorless. Otherwise we would have blue clouds around us all the time. In fact, there are colored gases but normally these are unhealthy – so be aware if there is colored fume in front of you!

But let’s concentrate first on nitrogen and oxygen because they are the main part of the air. Additionally, there is water which we find in changing frequency (e.g. in the form of clouds, rain, fog or steam). In my first article of this series, I talked about what atoms are and how we can imagine them. In fact, atoms are normally no mavericks but sort of pack animals. When two or more atoms get linked strongly together, we talk (in most cases) about a molecule. (Why and how they get linked may be one of the next topics – it would be too much for now.) For the moment, it is enough to know that both nitrogen and oxygen as well as water is built from multiple atoms (for those of you that want to know it exactly: nitrogen from 2 nitrogen atoms, oxygen from 2 oxygen atoms and water from 2 hydrogen atoms and one oxygen atom). Thus, the molecules are still very very tiny but measurably bigger than atoms.

And what has this to do with our colored sky? Please be patient a little longer because we need to talk about the nature of light first. From a physicist’s point of view, light is a kind of so-called electromagnetic radiation. This radiation is first of all unspecific but it can be defined by a certain wavelength and energy which are dependent from each other. The higher the energy is, the smaller is the wavelength and vice versa. Part of the electromagnetic radiation are amongst others x-rays (high energy), UV-light (high energy), microwaves (low energy), radio waves (low energy) as well as our visible light. The light is consisting not only of one wavelength but of a spectrum from about 400 nm to 680 nm (1 nanometer (nm) is 0,000000001 m). Every wavelength is recognized by our eyes as a different color. For example, 450 nm are blue, 540 nm green, 590 nm yellow-orange and 640 nm red. If all colors are mixed, the result seems to be white.
An important property of the electromagnetic radiation is the scattering and refraction. This means that a ray of light is distracted from its initial direction. How far it is distracted is depending of the wavelength. In other words, different colors are distracted with various angles which can be seen e.g. on a rainbow: white light with all wavelengths meets a raindrop. Because different colors are distracted in various angles, they are separated and we see the rainbow from blue to red.

Back to our sky: the scattering takes not only place at rather big objects like raindrops but also at the just discussed molecules. Though, blue light is scattered better than the other colors. The reason for this is the ratio of wavelength to particle size which means that the red light with longer wavelength is scattered better on bigger particles like dust.
And how often is the blue light scattered? Well, we can estimate, how many particles (let’s focus on nitrogen and oxygen and neglect dust, water,…) are in one cubic meter of air. We get a stupefying number of about 3 x 10²⁵ particles, which means 30 septillions. As a number, this is 30,000,000,000,000,000,000,000,000. And on every of these, scattering is possible. Because the particles don’t stand still, multiple scattering on one single particle is also possible. Additionally, the atmosphere has more than just one cubic meters of air…
Thus, we see that the blue light is widely spread and therefore the sky appears blue in our eyes. The longer wavelengths are not distracted as much and therefore we notice the sun to be yellowish (i.e. white minus the blue part). And in outer space, where are no (or only few) particles, there is no scattering and therefore the sky looks black.
When the weather is dirty, thus meaning a high part of water is in the air, we can see additional reflections (depending on the water drop size, instead of scattering/separation of light) and the sky looks rather white (like the clouds) or grey.

So, what is different in the morning and evening? Why do we have a more reddish sky? This is mainly related with the position of the sun. A short time before the sun rises above the horizon (respectively goes down), the distance between us and the sun is much longer than midday. Keep in mind, that the atmosphere has only about 50 to 100 km above us but the distance to the sun by way of the horizon is much longer.
The result is, that the light has a longer way through the atmosphere. Because the scattering of blue light is so much higher, it is all distracted by the time that the light arrives at our eyes. Even the green and yellow parts are significantly reduced and so the light appears more orange and red. The effect is stronger according to atmospheric conditions and e.g. dust loading. We have already said that the red light shows higher scattering at rather large particles like dust. Therefore, it is then spread better like the blue light by day.

I hope that I could summarize this rather complex topic for you in an understandable way. I also want to suggest you a good posting by @lipszczak that deals with the topic light: part 1 (basics) and part 2 (perception and color blindness).
See you next time! Share your wishes, questions and suggestions with me.

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Hallo Leute,

das heutige Thema entstand durch die Anregung eines Beitrags von @detlev.

Vielleicht habt auch ihr euch schon einmal gefragt, woher die manchmal doch recht intensiven Farben am Himmel kommen, insbesondere in der Abend- oder Morgendämmerung? Warum ist der Himmel überhaupt tagsüber so blau? Die Tatsache, dass es zum Thema Dämmerung bei Wikipedia schon rund 10 Artikel gibt, lässt uns schon vermuten, dass es sich nicht um ein einfaches Phänomen handelt (tatsächlich ist der Artikel auch recht lang geworden – lasst euch nicht abschrecken), aber ich möchte trotzdem versuchen, euch die prinzipiellen Gründe zu erläutern. Im Einzelfall spielen dann wieder viele Faktoren eine Rolle, aber das lassen wir mal außen vor.

Schauen wir uns zunächst einmal an, warum der Himmel überhaupt gefärbt ist. Vielleicht habt ihr ja schon mal auf Fotos oder in Filmen Bilder aus dem Weltall gesehen und euch gefragt, warum dort alles schwarz ist?

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Das liegt daran, dass in einigem Abstand von unserer Erde der Himmel nahezu leer ist. Es gibt also keine Atmosphäre. Bei unserer Atmosphäre handelt es sich in erster Linie mal um Luft, also ein Gemisch aus verschiedenen Gasen und darin verteilt Wasser und feine Staubteilchen. Bei den Gasen ist der größte Teil Stickstoff (ca. 78 %) und Sauerstoff (ca. 21 %). Der Rest sind sogenannte Edelgase wie Argon oder Helium, dazu Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan, Ozon und so weiter.
Und das soll jetzt also alles blau sein? Nein, natürlich nicht. Die genannten Gase sind farblos, sonst würden wir ja ständig blaue Wolken vor uns rumschweben haben. Tatsächlich gibt es auch gefärbte Gase, die sind allerdings normalerweise nicht gesund – daher aufgepasst wenn vor euch bunte Schwaden durch die Luft wabern!
Konzentrieren wir uns erstmal auf Stickstoff und Sauerstoff, da diese den größten Anteil ausmachen. Hinzu kommt noch Wasser, das wir in verschiedener Häufigkeit finden, z.B. als Wolke, Regen, Nebel oder eben als Wasserdampf. In meinem ersten Artikel aus dieser Reihe habe ich kurz erklärt, was Atome sind bzw. wie wir sie uns vorstellen können. Tatsächlich sind die Atome in der Regel keine Einzelgänger, sondern eher Rudeltiere. Wenn sich zwei oder mehr Atome fest miteinander verbinden, spricht man (in den meisten Fällen) von einem Molekül. (Warum und wie sie diese Verbindungen eingehen, schauen wir uns besser ein anderes Mal an, sonst wird das hier zu ausufernd.) Für uns reicht es im Moment, zu wissen, dass sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff und Wasser aus mehreren Atomen bestehen (wer es genau wissen will: Stickstoff aus 2 Stickstoffatomen, Sauerstoff aus 2 Sauerstoffatomen und Wasser aus 2 Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom). Die Moleküle sind daher zwar immer noch sehr sehr klein, aber doch merklich größer als Atome.

Und was hat das jetzt mit unserem gefärbten Himmel zu tun? Habt noch etwas Geduld, denn wir müssen uns noch kurz über die Natur unseres Lichts klarwerden. Physikalisch betrachtet handelt es sich bei Licht um so genannte elektromagnetische Strahlung. Diese Strahlung ist zunächst einmal sehr unspezifisch, aber sie ist gekennzeichnet durch eine bestimmte Wellenlänge und Energie, wobei diese voneinander abhängig sind. Je größer die Energie ist, desto kleiner die Wellenlänge und umgekehrt. Zu der elektromagnetischen Strahlung gehören u.a. Röntgenstrahlung (hohe Energie), UV-Licht (hohe Energie), Mikrowellen (niedrige Energie), Radiowellen (niedrige Energie) und eben auch unser sichtbares Licht. Unser Licht besitzt dabei nicht nur eine Wellenlänge, sondern eine Bandbreite zwischen etwa 400 nm und 680 nm (1 Nanometer (nm) sind 0,000000001 m), wobei unser Auge jede Wellenlänge als eine andere Farbe wahrnimmt. 450 nm sieht z.B. blau aus, 540 nm grün, 590 nm gelb-orange und 640 nm rot. Werden alle Farben gleichmäßig gemischt, erscheint uns das Licht als weiß.
Eine für uns wichtige Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung ist die Streuung bzw. Brechung. Dies bedeutet, dass ein Lichtstrahl aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt werden kann. Wie stark diese Ablenkung ist, hängt von der Wellenlänge ab. Anders gesagt wird Licht verschiedener Farbe verschieden stark abgelenkt, was man z.B. bei der Entstehung eines Regenbogens sehen kann: Weißes Licht mit allen Wellenlängen trifft auf Regentropfen. Weil die einzelnen Farben dort verschieden stark abgelenkt werden, wird das Licht aufgespalten und wir sehen die Farben von blau bis rot aufgetrennt.
Zurück zu unserem Himmel: Die Lichtstreuung findet nicht nur gezielt an vergleichsweise großen Objekten wie Regentropfen statt, sondern auch an den eben diskutierten Molekülen. Dabei wird blaues Licht stärker gestreut als die anderen Farben. Das liegt am Verhältnis der Teilchengrößen zur Wellenlänge, d.h. längerwelliges rotes Licht wird besser an größeren Teilchen wie z.B. Staubpartikeln gestreut.

Wie oft wird nun unser blaues Licht gestreut? Hierzu kann man grob überschlagen, wie viele Teilchen (und dabei gehen wir nur mal von Stickstoff und Sauerstoff aus, sonstigen Staub, Wasser etc. lassen wir mal außen vor) sich in der Luft befinden. Man kommt dabei auf eine unfassbar große Zahl, nämlich etwa 3 x 10²⁵ Teilchen in einem Kubikmeter. Das sind 30 Quadrillionen oder 30 Milliarden Billiarden. Ausgeschrieben würde die Zahl 30.000.000.000.000.000.000.000.000 lauten. Und an jedem einzelnen Teilchen kann das Licht gestreut werden. Da die Teilchen nicht stillstehen, sondern sich auch noch bewegen, kann die Streuung sogar mehrfach an einem Teilchen stattfinden. Dazu kommt, dass die Atmosphäre nicht nur aus einem einzelnen Kubikmeter besteht…
Wir sehen also, dass sich das blaue Licht ganz schön weit verteilt und darum erscheint uns der Himmel blau. Die längerwelligen Farben werden nicht so stark abgelenkt, daher nehmen wir die Sonne selbst als gelblich wahr (nämlich weiß ohne den weggestreuten blauen Anteil). Und im Weltall, wo keine (bzw. nur sehr wenige) Teilchen sind, kann die Streuung nicht stattfinden, daher gibt es auch nur schwarzen Himmel.
Bei schlechtem Wetter, also sehr hohem Wasseranteil kommen übrigens auch noch Spiegelungen (je nach Tropfengröße statt Streuung/Aufspaltung des Lichts) ins Spiel, daher sieht der Himmel dann eher weiß (wie die Wolken) oder grau aus.

Und warum ist der Himmel nun morgens oder abends eher rötlich? Was ist hier anders? Das liegt im Wesentlichen am Stand der Sonne. Kurz, bevor sie über den Horizont verschwindet (bzw. morgens erscheint), ist die Entfernung zwischen Betrachter (also uns) und der Sonne viel größer. Bedenkt, dass die Atmosphäre gerade nach oben zwischen etwa 50 und 100 km dick ist, aber es über den Horizont bis zur Sonne deutlich weiter ist.
Das führt dazu, dass das Licht einen weiteren Weg durch die Luft nehmen muss. Weil die blaue Strahlung aber am stärksten weggestreut wird, ist davon praktisch nichts mehr übrig, bis das Licht bei uns ist. Auch der grüne und gelbe Anteil ist schon deutlich reduziert und übrig bleiben dann orangene bis rote Farben. Verstärkt wird der Effekt noch je nach Wetterlage und z.B. Staubbelastung, da an den größeren Partikeln wie gesagt rotes Licht besser gestreut wird und es sich dann noch besser verteilen kann - genau wie tagsüber das blaue Licht.

Ich hoffe, ich konnte euch den doch recht komplexen Sachverhalt halbwegs verständlich machen. Wenn ihr Englisch könnt, möchte ich euch noch einen guten Artikel von @lipszczak über das Licht empfehlen: Teil 1 (Grundlagen) und Teil 2 (Wahrnehmung des Lichts und Farbenblindheit).
Bis zum nächsten Mal und lasst mir gerne eure Anregungen, Fragen und Wünsche da!