Warum ist der Himmel blau?

Dies ist ein maschinell übersetzter Artikel. Die Originalfassung ist auf Englisch verfügbar.

Die Physik hinter dem alltäglichsten Wunder am Himmel – und wie sich die Farbe dieses Himmels im Laufe von 4,5 Milliarden Jahren Erdgeschichte verändert hat

Eine alte Frage, zwei Antworten

Warum der Himmel blau ist, darauf gibt die Physik eine kurze Antwort und die Erdgeschichte eine längere. Der heutige Himmel ist nur der jüngste von mehreren, die der Planet hatte, und zu ihnen gehören Abschnitte, in denen über der frühen Erde ein orangefarbener Dunst hing wie auf dem Titan.

Im späten Archaikum, vor mehr als 2,5 Milliarden Jahren, speiste von Mikroben freigesetztes Methan einen organischen Dunst, der den Himmel orange färbte. Der Anstieg des Sauerstoffs beendete diese dunstigen Episoden.

Dieser Sauerstoff stammte von anderen mikroskopisch kleinen Organismen, die keineswegs vorhatten, die Atmosphäre zu verändern; sie wollten schlicht von Sonnenlicht leben. Warum all das die Farbe des Himmels veränderte, ist eine Frage danach, wie Luft mit Licht umgeht.

Rayleigh-Streuung: Der Mechanismus

Sonnenlicht ist keine einzelne Farbe. Es ist eine Mischung aller sichtbaren Wellenlängen, von Violett (rund 380 Nanometer) über Blau, Grün, Gelb und Orange bis Rot (rund 700 nm), dazu Wellenlängen jenseits beider Enden, die das menschliche Auge nicht sehen kann. Wenn dieses Licht in die Erdatmosphäre eintritt, trifft es auf die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, die rund 99 % der Luft ausmachen. Diese Moleküle sind winzig, rund 0,3 bis 0,4 Nanometer im Durchmesser, und damit etwa tausendmal kleiner als selbst die kürzeste Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein Teilchen, das weit kleiner ist als ihre Wellenlänge, versetzt ihr oszillierendes elektrisches Feld die Ladungen in diesem Teilchen in Schwingungen mit derselben Frequenz. Das Teilchen wird zu einem winzigen strahlenden Dipol, der das Licht in alle Richtungen wieder abstrahlt. Das ist die Rayleigh-Streuung, benannt nach dem britischen Physiker John William Strutt, Lord Rayleigh, der die Mathematik dahinter ab 1871 ausarbeitete und später ihre molekulare Grundlage bestätigte.

Die entscheidende Erkenntnis ist die Wellenlängenabhängigkeit: Die Intensität der Rayleigh-Streuung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge, sodass aus einem bescheidenen Unterschied in der Wellenlänge ein großer Unterschied in der Streuung wird. Rotes Licht, dessen Wellenlänge etwa 1,5-mal so groß ist wie die von blauem Licht, wird nur etwa ein Fünftel bis ein Sechstel so effizient gestreut, und tiefes Violett bei 400 nm wird etwa zehnmal stärker gestreut als Rot bei 700 nm. Blaues Licht wird seitwärts über den gesamten Himmel geschleudert, während rotes und orangefarbenes Licht größtenteils geradewegs durch die Atmosphäre zu Ihren Augen gelangt.

Deshalb erscheint der Himmel blau: Sie sehen gestreutes Licht, nicht direktes Sonnenlicht. In jeder Richtung abseits der Sonne sehen Sie das blaue Ende des Spektrums, das von Milliarden von Luftmolekülen in der gesamten Luftsäule über Ihnen seitwärts wieder abgestrahlt wurde.

Expertenkapsel – Warum nicht Violett? Die Sonne und das Auge

Violettes Licht (Wellenlänge ~380–420 nm) wird durch Rayleigh-Streuung sogar noch effizienter gestreut als blaues, da es eine kürzere Wellenlänge hat. Warum also erscheint der Himmel blau und nicht violett? Ein Teil der Antwort liegt bei der Sonne, die weniger Violett als Blau abstrahlt: Ihr Emissionsspektrum hat sein Maximum im blaugrünen Bereich, sodass von vornherein mehr blaues Licht in die Atmosphäre gelangt. Die Atmosphäre dagegen entfernt Violett nicht in nennenswertem Maß selektiv: Ozon absorbiert nur im Ultravioletten stark, und seine viel schwächere Absorption im sichtbaren Bereich (die Chappuis-Bande) entfernt bevorzugt längere, orangerote Wellenlängen – ein Grund, warum der Dämmerungshimmel über uns sogar noch tiefer blau wirken kann. Den Rest erledigen unsere Augen, die für Violett weit weniger empfindlich sind als für Blau: Die kurzwellenempfindlichen Zapfen sprechen im Blauen am stärksten an, und das breite Spektrum des Himmelslichts regt auch die grün- und rotempfindlichen Zapfen an, sodass das Gehirn die Mischung als leicht blasses Blau deutet und nicht als Violett.

Sonnenuntergänge und der lange Umweg

Sonnenuntergänge beruhen auf derselben Physik, nur unter einem extremen Winkel betrachtet. Steht die Sonne nahe am Horizont, muss ihr Licht eine weit dickere Luftschicht durchqueren, um Ihre Augen zu erreichen; der Lichtweg wird Dutzende Male so lang wie zur Mittagszeit. Bis das Licht ankommt, ist nahezu das gesamte Blau unterwegs herausgestreut worden, sodass Rot, Orange und Gelb dominieren. Die Sonne färbt sich rot, und der Himmel in Horizontnähe ebenfalls.

Große Vulkanausbrüche können Sonnenuntergänge über Monate oder Jahre hinweg dramatisch verstärken, indem sie die Stratosphäre mit Sulfataerosolpartikeln anreichern. Diese Partikel sind viel größer als Luftmoleküle und streuen Licht durch Mie-Streuung statt durch Rayleigh-Streuung. Die Mie-Streuung ist weniger wellenlängenselektiv, verstärkt aber die Extinktion kürzerer Wellenlängen und bringt außergewöhnliche Rottöne hervor. Der Ausbruch des Tambora in Indonesien im Jahr 1815 gilt als Erklärung für die leuchtend roten Himmel, die J. M. W. Turner in den Folgejahren in seinen Gemälden festhielt.

Expertenkapsel – Rayleigh- vs. Mie-Streuung: Warum die Teilchengröße alles entscheidet

Die Unterscheidung zwischen Rayleigh- und Mie-Streuung bestimmt die Himmelsfarbe im gesamten Sonnensystem. Rayleigh-Streuung gilt, wenn das Teilchen viel kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts (~1/10 oder weniger): Die Streuintensität skaliert mit λ⁻⁴, was eine stark wellenlängenabhängige, ins Blaue verschobene Himmelsfarbe ergibt. Mie-Streuung gilt, wenn sich die Teilchengröße der Wellenlänge des Lichts annähert, wie bei Staubkörnern, Nebeltröpfchen, vulkanischen Aerosolen und den Eisenoxidpartikeln der Marsatmosphäre. Mie-Streuung ist im Allgemeinen weit weniger wellenlängenselektiv: Sie verteilt die sichtbaren Wellenlängen gleichmäßiger, wobei Größe, Form und Absorptionseigenschaften der Teilchen und nicht allein die Streuphysik die Himmelsfarbe bestimmen. Vulkanische Sulfataerosole, eisenoxidhaltiger Marsstaub und der Tholin-Dunst des Titans (fraktale Klümpchen aus winzigen Körnern, die eine eigene Streurechnung erfordern) gehören allesamt zum Mie- oder Mie-nahen Regime. Der blaue Himmel der Erde ist gerade das Ergebnis einer von Rayleigh-Streuung dominierten Atmosphäre – einer Atmosphäre, die frei von großen Aerosolen ist und vorwiegend aus kleinen Gasmolekülen besteht.

Die Farbgeschichte des Himmels: 4,5 Milliarden Jahre

Der Himmel sah nicht immer so aus wie heute. Am stärksten wich er im späten Archaikum ab, als ein organischer Dunst wie auf dem Titan kam und ging. Die Infografik zu diesem Artikel zeichnet eine mögliche Version dieser Geschichte nach. Die den einzelnen Zeitaltern zugeordneten Farben sind künstlerische Rekonstruktionen auf Grundlage dessen, was wir über die Zusammensetzung der Atmosphäre und die Physik der Streuung wissen, und keine direkten Beobachtungen.

Das Hadaikum (4,5–4,0 Ga): Erst Magma, dann Wasser

Als die Erde vor etwa 4,54 Milliarden Jahren entstand, hatte sie keinen Himmel in irgendeinem erkennbaren Sinne: Die Oberfläche war zunächst ein Magmaozean, bombardiert von Trümmern aus dem frühen Sonnensystem. Doch schon nach rund 150 Millionen Jahren war die Kruste so weit abgekühlt, dass flüssiges Wasser existieren konnte; 4,4 Milliarden Jahre alte Zirkonkristalle belegen das. Als der Planet abkühlte und vulkanische Ausgasungen eine Atmosphäre aufbauten, wurde diese von Wasserdampf und Kohlendioxid beherrscht, dazu kamen Stickstoff und vulkanische Gase wie Schwefeldioxid, praktisch ohne freien Sauerstoff. Bis zur Großen Sauerstoffkatastrophe blieb der Sauerstoff unter etwa 0,001 % des heutigen Niveaus.

Von diesem Himmel ist kein direktes Zeugnis erhalten; am wahrscheinlichsten war er milchig und blassgelb, unter einer dichten, dampfgesättigten Atmosphäre. Vulkanisches Schwefeldioxid wird durch Sonnenlicht in Sulfataerosoltröpfchen umgewandelt, dieselbe Chemie, die heute hinter den Wolken der Venus steckt. Diese Teilchen sind viel größer als Gasmoleküle und streuen im Mie-Regime; in Phasen intensiven Vulkanismus dürften sie den Himmel weißlicher und dunkler gemacht haben, während Dampf und Asche die Trübung noch verstärkten.

Das Eo- und Paläoarchaikum (4,0–3,2 Ga): Ein blauer Himmel über einer Wasserwelt

Die Atmosphäre dieser Ära wurde von Stickstoff und Kohlendioxid dominiert und enthielt wenig oder gar keinen freien Sauerstoff. Ein Himmel aus Stickstoff und Kohlendioxid streut Sonnenlicht ganz ähnlich wie unserer (CO₂-Moleküle streuen sogar noch stärker als N₂), sodass der Himmel über dieser jungen Wasserwelt überall dort, wo die Luft frei von dichtem Dunst war, wahrscheinlich blau war, ganz ohne Sauerstoff.

Das Meso- und Neoarchaikum (3,2–2,5 Ga): Orangefarbene Episoden – ein lebendiger Dunst

Leben ist in der geologischen Überlieferung spätestens vor 3,5 Milliarden Jahren nachweisbar. Die frühesten Organismen waren anaerob. Methanbildende Mikroben (Methanogene) waren spätestens vor 3,46 Milliarden Jahren aktiv und setzten Methan als Stoffwechselnebenprodukt frei. Als sich diese Organismen ausbreiteten, reicherte sich Methan in der Atmosphäre auf geschätzte 100 bis 1.000 Teile pro Million an. Sobald das Methan etwa ein Zehntel des Kohlendioxidgehalts erreichte, spaltete ultraviolettes Licht der Sonne es in reaktive Bruchstücke auf, die zu komplexen organischen Aerosolpartikeln polymerisierten, oft Tholine genannt: dieselbe Art rotbraunen Dunstes, die dem Saturnmond Titan heute seine Farbe verleiht. Die geochemische Überlieferung zeigt, dass dieser Dunst kam und ging, statt ununterbrochen über der Erde zu hängen. Die am besten belegten Dunstphasen fallen in die Zeit vor etwa 2,7 bis 2,5 Milliarden Jahren; Schwefelisotopendaten deuten auf eine frühere Phase vor etwa 2,9 Milliarden Jahren hin, und einige Modelle dehnen die Dunst-Ära bis auf etwa 3,2 Milliarden Jahre vor heute aus.

Dieser organische Dunst absorbiert kurzwelliges Licht unterhalb von etwa 500 nm effizient, entzieht dem Himmel den größten Teil von Blau und Violett und lässt vor allem längere, wärmere Wellenlängen übrig. In jeder Dunstepisode färbte sich der Himmel orange. Zwischen diesen Episoden war der Himmel wieder blau, und vor rund 2,7 Milliarden Jahren wahrscheinlich ein tieferes, dunkleres Blau als unseres: Gasblasen, eingefroren in 2,7 Milliarden Jahre alten Lavaströmen, die auf Meeresspiegelhöhe ausbrachen, zeigen, dass der Luftdruck weniger als halb so hoch war wie heute, und dünnere Luft streut weniger Licht, sodass der Himmel über uns dunkler und gesättigter erscheint. Die Stickstoff-Methan-Atmosphäre des Titans mit ihren reichlich vorhandenen Tholinen ist das nächstliegende heute existierende Analogon zum Himmel des späten Archaikums während dieser Episoden. Computermodelle, die Klima, Atmosphärenchemie und die Physik der Dunstteilchen miteinander koppeln, zeigen, dass ein derartiger Kohlenwasserstoffdunst die Oberfläche zwar um rund 20 °C abkühlt, aber dennoch mit flüssigem Wasser an der Oberfläche vereinbar ist, selbst unter der schwächeren jungen Sonne, die im späten Archaikum mit etwa 80 % ihrer heutigen Leuchtkraft strahlte.

Expertenkapsel – Das Paradoxon der schwachen jungen Sonne und das Methan-Treibhaus

Vor 4 Milliarden Jahren strahlte die Sonne nur mit etwa 70–75 % ihrer heutigen Leuchtkraft, eine gut belegte Folge der Sternentwicklung. Nach einfacher Strahlungsbilanz hätte die frühe Erde damit weit unter dem Gefrierpunkt liegen müssen. Doch die geologischen Belege zeigen eindeutig, dass während des gesamten Archaikums flüssiges Wasser an der Oberfläche existierte. Die führende Erklärung ist ein starker Treibhauseffekt durch CO₂ und durch die hohen Methanwerte, die von Methanogenen erzeugt wurden. Das Methangas hätte zusätzliche Treibhauserwärmung geliefert, während der von ihm gespeiste organische Dunst diese Erwärmung teilweise ausglich, indem er die Oberfläche abschattete. Flüssiges Wasser an der Oberfläche blieb darunter weiterhin möglich. Der Verlust des Methans beim Anstieg des Sauerstoffs gilt als Hauptverdächtiger für die paläoproterozoischen Vereisungen (darunter jene, die in den huronischen Gesteinen Kanadas überliefert sind), die vor etwa 2,45 Milliarden Jahren begannen. Es waren nicht die ersten Eiszeiten des Planeten, denn aus Südafrika sind rund 2,9 Milliarden Jahre alte glaziale Ablagerungen bekannt, aber sie gehörten zu den härtesten.

Die Große Sauerstoffkatastrophe (~2,4 Ga)

Vor etwa 2,46 bis 2,43 Milliarden Jahren überschritt die Erde die Schwelle, die Geologen die Große Sauerstoffkatastrophe nennen (englisch Great Oxidation Event, GOE). Cyanobakterien, die ersten Organismen, die zur oxygenen Photosynthese fähig waren, spalten Wassermoleküle und setzen dabei O₂ als Nebenprodukt frei. Der freie Sauerstoff, den sie freisetzten, begann sich in der Atmosphäre anzureichern, anfangs unstet: Rund 200 Millionen Jahre lang schwankte sein Gehalt, bevor er vor etwa 2,2 Milliarden Jahren zu einem dauerhaften Bestandteil der Atmosphäre wurde.

Die Wirkung auf den Dunst war entscheidend. Sauerstoff reagierte mit dem atmosphärischen Methan und brachte die Chemie zum Erliegen, die die wiederkehrenden orangefarbenen Dunstepisoden gespeist hatte. An ihre Stelle trat ein blauer Himmel, der unserem sehr ähnlich war, denn Rayleigh-Streuung braucht nur Stickstoff- und Kohlendioxidmoleküle, keinen Sauerstoff. Der Sauerstoff selbst blieb danach noch lange knapp: Während der „langweiligen Milliarde“ des mittleren Proterozoikums lag er nur bei einem kleinen Bruchteil des heutigen Niveaus.

Mikroskopisch kleine Einzeller, die Energie aus Sonnenlicht und Wasser gewannen, trugen dazu bei, den Dunst vom Himmel zu vertreiben. Ihr Sauerstoff veränderte auch die Chemie der Ozeane. Er gestaltete mikrobielle Lebensräume um und brachte sauerstoffempfindliche Organismen ins Hintertreffen, auch wenn ausgedehnte sauerstofffreie Milieus fortbestanden, in denen anaerobes Leben bis heute gedeiht. Auf lange Sicht sollte jeder komplexe vielzellige Organismus von ihm abhängen.

Das Paläoproterozoikum (2,5–1,6 Ga): Dunstfreie Himmel

Nachdem der Methandunst verschwunden war, dürfte der Himmel blau gewesen sein. Sauerstoff war vorhanden, aber nur zu einem Bruchteil des heutigen Niveaus. Da Sauerstoff nur einen geringen Teil zur Streuung der Luft beiträgt, hätte seine Knappheit an der Himmelsfarbe wenig geändert; Unterschiede im Gesamtluftdruck, in der Luftfeuchtigkeit und im Staubgehalt wären stärker ins Gewicht gefallen.

Die „langweilige Milliarde“ (1,8–0,8 Ga): Beständiges Blau

Der Zeitraum von etwa 1,8 bis 0,8 Milliarden Jahren vor heute wird von Geologen oft als „langweilige Milliarde“ bezeichnet: eine Epoche relativer Umweltstabilität und langsamer biologischer Innovation, in der der Sauerstoffgehalt niedrig war. Wie niedrig genau, ist noch umstritten; die Schätzungen reichen von unter 0,1 % bis zu einigen Prozent des heutigen Niveaus. Ein menschlicher Beobachter, den man in diese Ära versetzte, hätte einen vertrauten blauen Himmel gesehen und darunter nicht atmen können.

Das späte Neoproterozoikum und das Kambrium (800–487 Ma): Annäherung an die Gegenwart

Im späten Neoproterozoikum stieg der Sauerstoff, wahrscheinlich stufenweise, an, während komplexes vielzelliges Leben auftrat. Die Schneeball-Erde-Vereisungen dieser Periode, vor etwa 720 bis 635 Millionen Jahren, bedeckten große Teile des Planeten mit Eis. Zur Zeit der kambrischen Explosion vor rund 539 Millionen Jahren war der Sauerstoff deutlich angestiegen (die gängige Modellrekonstruktion setzt ihn für Kambrium und Ordovizium bei 15–20 % an, neuere Rekonstruktionen deuten allerdings auf einen späteren Anstieg hin), und der Himmel sah dem heutigen sehr ähnlich.

Expertenkapsel – Verändert Sauerstoff die Farbe des Himmels?

Erstaunlich wenig. Rayleigh-Streuung hängt von der Anzahl der Gasmoleküle ab und davon, wie leicht sich ihre Elektronenwolken verformen lassen, eine Eigenschaft, die man Polarisierbarkeit nennt. Sauerstoff ist etwas weniger polarisierbar als Stickstoff, Kohlendioxid dagegen stärker; tauscht man also einen Teil des Stickstoffs gegen Sauerstoff aus, ändert sich die Streuung kaum. Weil eine Änderung allein des Verhältnisses von Sauerstoff zu Stickstoff die Streuung nur mäßig beeinflussen würde, machte der permokarbonische Sauerstoffhöchststand (rund 30 % in der gängigen Modellrekonstruktion) das Blau nicht tiefer. Falls der zusätzliche Sauerstoff den Gesamtluftdruck erhöhte, hätte die zusätzliche Streuung den Himmel etwas heller gemacht, mit einem etwas weißlicheren Horizont, doch im Zenit war er im Wesentlichen dasselbe Blau wie heute.

Das Karbon und das Perm (359–252 Ma): Der Sauerstoffhöchststand

Die Sauerstoffwerte im Karbon und Perm, vor etwa 310–260 Millionen Jahren, gehörten zu den höchsten, die für die vergangenen 540 Millionen Jahre rekonstruiert wurden. Als sich große, verholzte Gefäßpflanzen an Land entwickelten, begruben die kohlebildenden Wälder des Karbons gewaltige Mengen organischen Kohlenstoffs, senkten so den CO₂-Gehalt und ließen den Sauerstoffanteil der Atmosphäre steigen. Das weithin genutzte Modell des Geochemikers Robert Berner errechnet einen Sauerstoffhöchstwert von etwa 30 % im Perm, wenngleich neuere Modelle im Detail abweichen. Die Kohleflöze, die die Industrielle Revolution antrieben, sind die zusammengepressten, fossilisierten Überreste dieser Wälder.

Ein Sauerstoffgehalt, der rund 40 % über dem heutigen lag, machte den Himmel nicht tiefer blau, hinterließ aber seine Spuren im Leben an Land. Die sauerstoffreiche Luft wird mit den Riesengliederfüßern dieser Zeit in Verbindung gebracht: Riesenlibellen wie Meganeura (Verwandte der heutigen Libellen) mit Flügelspannweiten von bis zu etwa 70 Zentimetern, deren Tracheenatmung in sauerstoffreicher Luft besser funktioniert. Dieser Zusammenhang ist allerdings nach wie vor umstritten: Arthropleura, ein riesiger Verwandter der Tausendfüßer von bis zu etwa 2,6 Metern Länge, hatte seine gewaltige Größe schon vor dem Sauerstoffhöchststand erreicht. Das Massenaussterben am Ende des Perms vor 252 Millionen Jahren, das schwerste der Erdgeschichte, löschte die große Mehrheit der marinen Arten aus, nach einer neueren Schätzung etwa 81 %. In Berners Modell fiel es mit einem starken Rückgang des atmosphärischen Sauerstoffs zusammen.

Das Mesozoikum und das Känozoikum (252 Ma – heute): Das vertraute Blau

Nach dem Aussterben am Ende des Perms blieb der Sauerstoff während eines Großteils von Trias und Jura niedrig (in Berners Rekonstruktion sank er in der Trias auf etwa 12 %) und stieg dann über den Rest des Zeitalters der Dinosaurier hinweg mehr oder weniger stetig bis zur Gegenwart an, ohne je wieder seinen Höchststand aus dem späten Paläozoikum zu erreichen. Die ganze Zeit über war der Himmel erkennbar blau; die Sauerstoffschwankungen allein hätten seine Farbe kaum beeinflusst. Vor 66 Millionen Jahren, als der Chicxulub-Einschlag die Kreidezeit beendete, näherte sich der Sauerstoff dem heutigen Wert, und während des Känozoikums blieb er nahe am heutigen Niveau: etwa 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff, der Rest größtenteils Argon, dazu ein wenig Kohlendioxid.

Andere Himmel: Was das Universum zu bieten hat

Die Vielfalt der Himmelsfarben auf den Planeten und Monden, die wir besucht haben oder anhand atmosphärischer Daten eingrenzen können, zeigt, dass das Blau der Erde nur ein Ergebnis unter vielen ist, bestimmt davon, woraus die Luft besteht, wie groß ihre Teilchen sind und was der Stern ausstrahlt. Die aufschlussreichsten Fälle reichen von direkten Messungen auf Mars, Titan und Venus bis zu eher spekulativen Exoplanetenhimmeln.

Mars: Karamellfarbene Tage, blaue Sonnenuntergänge

Der Mars ist der lehrreichste umgekehrte Fall. Die Marsatmosphäre besteht zu etwa 95 % aus CO₂, doch der Oberflächendruck beträgt nur etwa 0,6 % des irdischen, sodass die Rayleigh-Streuung an Gasmolekülen vernachlässigbar ist. Stattdessen wird der Himmel von feinem, eisenoxidreichem Staub geprägt, ungefähr von der Konsistenz von Talkumpuder, dessen Partikel typischerweise einen Radius von etwa 1,5 Mikrometern haben. Bei der schwachen Marsschwerkraft wird er von Winden und Staubstürmen ständig aufgewirbelt, fortgetragen und wieder abgelagert. Diese Partikel absorbieren blaues und grünes Licht effizient, während sie längere Wellenlängen gleichmäßiger streuen, und erzeugen so den gelblich-karamellfarbenen bis orange-rosafarbenen Himmel, den die Mars-Rover übereinstimmend gemessen haben.

Bei Sonnenuntergang kehrt sich die Geometrie um. Weil die Mie-Streuung an den Staubpartikeln stark nach vorn gerichtet ist, bündelt sie das blau gestreute Licht in der Nähe der Sonnenscheibe und erzeugt ein markantes blaues Leuchten, umgeben vom rötlichen Himmel. Der Mars hat blaue Sonnenuntergänge und orangefarbene Tage: das genaue Gegenteil der Erde. Diese Umkehrung wurde von den Rovern Opportunity, Spirit und Curiosity direkt fotografiert.

Expertenkapsel – Wenn der Mars keinen Staub hätte

Würde man sämtlichen Staub entfernen, wäre der Marshimmel nach den Gesetzen der Streuphysik vermutlich tief dunkelblau, dunkler als der irdische Himmel in großer Höhe, weil die dünne Atmosphäre so wenige Moleküle bietet, die Sonnenlicht streuen könnten. Die Sonne erschiene als scharf umrissene, helle Scheibe.

Titan: Das lebendige Archiv des archaischen Erdhimmels

Der Saturnmond Titan ist das direkteste beobachtbare Analogon zur Erdatmosphäre des späten Archaikums, das das Sonnensystem zu bieten hat. Seine Atmosphäre besteht zu etwa 95–98 % aus Stickstoff, wobei Methan in der Stratosphäre etwa 1,5 % und in Bodennähe etwa 5 % ausmacht. Das entspricht ungefähr der Mischung, die für die Erdluft vor der Großen Sauerstoffkatastrophe rekonstruiert wird, nur ist Titan weit kälter und erhält weit weniger Sonnenlicht. In der oberen Atmosphäre des Titans spaltet ultraviolettes Licht das Methan auf und erzeugt fortwährend Tholin-Dunstpartikel: dieselbe Klasse komplexer organischer Moleküle, die für die archaische Erde modelliert wird.

Das Ergebnis, direkt gemessen von der Huygens-Sonde während ihres Abstiegs durch die Atmosphäre des Titans im Jahr 2005, ist ein Himmel, der von Mie-Streuung am mehrschichtigen Tholin-Dunst beherrscht wird, der aus fraktalen Teilchenaggregaten besteht und von der Oberfläche bis in mehrere hundert Kilometer Höhe reicht, mit einer abgelösten Schicht bei etwa 500 km. Der Himmel ist etwa 100- bis 1.000-mal dunkler als ein Nachmittag auf der Erde und in allen Richtungen gleichmäßig dunkelorange. Strahlungstransportmodelle sagen voraus, dass Sonnenuntergänge auf Titan im sichtbaren Licht „unspektakuläre Ereignisse“ sind: Die Sonne verblasst, während sie noch deutlich über dem Horizont steht, und das Licht schwindet nur langsam in eine lange, diffuse Dämmerung. Die Drehflügler-Mission Dragonfly, die Titan um 2034 erreichen soll, wird diese Chemie direkt untersuchen.

Venus: Trübes Orangegelb unter Schwefelsäurewolken

Die Venus besitzt eine Atmosphäre mit rund dem 90-Fachen des irdischen Oberflächendrucks, die fast vollständig aus CO₂ besteht und in 45–70 km Höhe dichte Wolken aus Schwefelsäuretröpfchen trägt. Nur etwa 2,6 % des Sonnenlichts, das an der Obergrenze der Venusatmosphäre ankommt, erreichen die Oberfläche. Aufnahmen der Landeeinheiten der sowjetischen Venera-Sonden zeigen einen Himmel, der an der Oberfläche trüb orange bis gelblich-braun erscheint. Das Licht hat die dichten Wolken durchquert, deren obere Schichten einen bis heute nicht identifizierten Absorber enthalten, und die dichte Kohlendioxidatmosphäre darunter; gemeinsam filtern sie blaues und violettes Licht heraus und lassen vor allem längere Wellenlängen bis zum Boden durch. Die von diesem gefilterten Licht beleuchtete Oberfläche selbst erscheint auf den Venera-Bildern als orangerotes Gestein unter einem dauerhaft warmen, dunstigen Himmel. In mancher Hinsicht liefert die Venus mit ihrer von CO₂ dominierten Luft, ihrer Schwefelchemie und ihren Sulfataerosolen ein heißes Hochdruckbeispiel für Prozesse, die möglicherweise auch auf der sehr frühen Erde abliefen.

Exoplaneten: Die ganze Farbpalette

Jenseits des Sonnensystems hängt die Himmelsfarbe von so vielen Variablen ab, dass nahezu jede Farbe physikalisch plausibel ist. Das Emissionsspektrum des Zentralsterns ist ein Haupttreiber. Ein kühler M-Zwerg sendet überwiegend rotes und infrarotes Licht und relativ wenig Blau aus; ein Planet, der einen solchen Stern umkreist, hätte daher selbst mit einer erdähnlichen Stickstoff-Sauerstoff-Atmosphäre einen Himmel, dessen Farbe im Vergleich zu unserem zu längeren Wellenlängen hin verschoben ist: Es ist weniger blaues Sternenlicht zum Streuen vorhanden. Auch der Atmosphärendruck spielt eine Rolle: Eine sehr dichte Atmosphäre streut das Licht so oft, dass der Himmel heller und blasser wird, während eine dünne ihn dunkel lässt.

HD 189733b, ein heißer Jupiter in rund 63 Lichtjahren Entfernung, erscheint im reflektierten Licht tiefblau, allerdings nicht aufgrund von Rayleigh-Streuung am Gas. Sein Blau stammt vermutlich von einer dunstigen Atmosphäre voller Silikatpartikel (im Grunde winziger Glaskörnchen), die blaues Licht streuen, während Natrium einen Großteil des Rots absorbiert. Auf seiner Tagseite herrschen weit über 1.000 °C, und seine Winde übersteigen 8.000 km/h; das Blau verrät also nichts darüber, ob dort irgendetwas leben könnte.

Expertenkapsel – Was wäre für einen grünen Himmel nötig?

Grünes Licht (~520–560 nm) liegt in der Mitte des sichtbaren Spektrums: Es wird durch Rayleigh-Streuung weniger effizient gestreut als Blau, aber stärker als Rot. Ein von Grün dominierter Himmel ist allein durch Rayleigh-Streuung praktisch unmöglich, denn jede Atmosphäre, die bevorzugt Grün streut, würde Blau und Violett noch stärker streuen, und diese kürzeren Wellenlängen würden dominieren. Grüne Himmel sind möglich, erfordern aber eine ungewöhnliche Kombination aus Beleuchtung, Streuung und Absorption. Nach einigen großen Vulkanausbrüchen haben stratosphärische Sulfatpartikel genau der richtigen Größe grüne Dämmerungen hervorgebracht, indem anomale Streuung mit dem langen Lichtweg der Dämmerung und der Chappuis-Absorption des Ozons zusammenwirkte. Bei anomaler Streuung nimmt die Streuung der Teilchen in einem Teil des sichtbaren Spektrums mit der Wellenlänge zu, also umgekehrt wie bei der Rayleigh-Streuung. Gewöhnliche Rayleigh-Streuung in klarer Luft kann unter Sonnenlicht keinen grünen Taghimmel erzeugen.

Das Blau, das wir geerbt haben

Andere Welten haben andere Himmel. Das klare Blau der Erde ist das, was nach einer Kette von Ereignissen übrig blieb: der Entstehung der oxygenen Photosynthese, der Großen Sauerstoffkatastrophe und dem Verschwinden des Methandunstes, der den jungen Planeten immer wieder verschleiert hatte. Das Blau über uns ist Physik, aber auch einen Himmel, den der von Cyanobakterien freigesetzte Sauerstoff frei von Methandunst hält.

Lord Rayleigh hat die Physik 1871 ausgearbeitet. Die Cyanobakterien, die die sauerstoffproduzierende Photosynthese bereits im Archaikum entwickelt hatten, hatten schon lange zuvor begonnen, den Himmel freizuräumen: Ihr Sauerstoff begann sich vor etwa 2,4 Milliarden Jahren in der Luft anzureichern.

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