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 beinhalten die Natur des Lichts, Atome und Moleküle und einige skurrile Teile der Erdatmosphäre. Und auch große Laser – für die Wissenschaft!
Blaue 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. Dies wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet und führt an klaren Tagen zu einer weißen Sonne und blauem Himmel.
Bei Sonnenuntergang können wir diesen Effekt verstärkt sehen, 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 haben, die sie umgibt.
Aber wenn alles, was wir sehen, verstreutes Sonnenlicht ist, was ist dann die wahre Farbe des Himmels? Vielleicht können wir nachts eine Antwort bekommen.
Die Farbe dunkler Himmel
Wenn Sie in den Nachthimmel schauen, ist er offensichtlich dunkel, aber nicht vollkommen schwarz. Ja, es gibt die Sterne, aber der Nachthimmel selbst leuchtet. Das ist keine Lichtverschmutzung, sondern die natürlich leuchtende 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.
Dieses Leuchten, Airglow genannt, wird von Atomen und Molekülen in der Atmosphäre erzeugt. Im sichtbaren Licht erzeugt Sauerstoff grünes und rotes Licht, Hydroxyl (OH)-Moleküle erzeugen rotes Licht und Natrium erzeugt ein kränkliches Gelb. Stickstoff, der in der Luft weitaus häufiger vorkommt als Natrium, trägt nicht viel zum Luftglühen bei.
Die unterschiedlichen Farben des Luftglühens entstehen dadurch, dass Atome und Moleküle bestimmte Energiemengen (Quanten) in Form von Licht freisetzen. Beispielsweise kann ultraviolettes Licht in großen Höhen Sauerstoffmoleküle (O₂) in Paare von Sauerstoffatomen spalten, und wenn diese Atome später zu Sauerstoffmolekülen rekombinieren, erzeugen sie ein deutliches grünes Licht.
An dunklen Orten wie der Europäischen Südsternwarte in Chile kann man Luftglühen sehen.
Gelbes Licht, Sternschnuppen und scharfe Bilder
Natriumatome machen einen winzigen Bruchteil unserer Atmosphäre aus, aber sie machen einen großen Teil des Luftglühens aus und haben einen sehr ungewöhnlichen Ursprung – Sternschnuppen.
Sie können Sternschnuppen in jeder klaren, dunklen Nacht sehen, wenn Sie bereit sind zu warten. Sie sind winzig kleine Meteore, die von Staubkörnern erzeugt werden, die sich in der oberen Atmosphäre erhitzen und verdampfen, während sie sich mit über 11 Kilometern pro Sekunde fortbewegen.
Wenn Sternschnuppen in etwa 100 Kilometer Höhe über den Himmel leuchten, hinterlassen sie eine Spur aus Atomen und Molekülen. Manchmal können Sie Sternschnuppen mit unterschiedlichen Farben sehen, die sich aus den Atomen und Molekülen ergeben, die sie enthalten. Sehr helle Sternschnuppen können sogar sichtbare Rauchfahnen hinterlassen. Und zwischen diesen Atomen und Molekülen ist ein paar Brocken Natrium.
Diese hohe Schicht aus Natriumatomen ist für Astronomen tatsächlich nützlich. Unsere Atmosphäre ist ständig in Bewegung, sie ist turbulent und verwischt Bilder von Planeten, Sternen und Galaxien. Denken Sie an das Schimmern, das Sie sehen, wenn Sie an einem Sommernachmittag auf eine lange Straße blicken.
Natriumlaser-Leitsterne am Very Large Telescope der ESO in Chile.
Um die Turbulenzen auszugleichen, machen Astronomen schnelle 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 Technik – „adaptive Optik“ genannt – ist leistungsfähig, aber es gibt ein großes Problem. Es gibt nicht genug natürliche helle Sterne, damit die adaptive Optik am ganzen Himmel funktioniert. Deshalb stellen Astronomen ihre eigenen künstlichen Sterne am Nachthimmel her, die sogenannten „Laser-Leitsterne“.
Diese Natriumatome befinden sich hoch über der turbulenten Atmosphäre, und wir können sie hell leuchten lassen, indem wir einen Hochleistungslaser 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 schärfer 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. Seine Farben resultieren aus gestreutem Sonnenlicht, Sauerstoff und Natrium von Sternschnuppen. Und mit ein wenig Physik und einigen großen Lasern können wir künstliche gelbe Sterne herstellen, um scharfe Bilder unseres Kosmos zu erhalten.
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