HBS002 Die Farben des Himmels

04/04/20 • -1 min

Die Atmosphäre der Erde ist großartig. Sie ermöglicht nicht nur Leben auf unserem Planeten, sondern lässt den Himmel durch die Zusammensetzung der Luft auch in den verschiedensten Farben erscheinen. Die Luft besteht aus vielen kleinen Molekülen. Neben den Molekülen sind in der Atmosphäre auch größere Partikel wie Aerosole, Ruß, Staub oder auch Wolken enthalten. Wenn das Licht die Atmosphäre durchquert, trifft es auf diese verschieden Teilchen. Dabei wird das Licht teilweise gestreut, reflektiert oder auch absorbiert. Schauen wir in den Himmel erscheint dieser blau. Die Vorraussetzung für den blauen Himmel ist die Streuung des Sonnenlichts. Das Sonnenlicht wird von der Atmosphäre an den kleinsten Partikeln gestreut. Auch das gestreute Licht kann wieder auf weitere Luftpartikel treffen und erneut gestreut werden. Daher erfüllt das mehrfach gestreute Licht den ganzen Luftraum und kommmt bei uns bzw. beim Betrachter von allen Seiten in unserem Auge an. Das Licht an sich ist weiß, besteht aber aus verschiedenen Farben. Es reicht von violett über blau, grün und gelb bis rot. Ganz besonders gut kann man das bei einem Regenbogen beobachten. Dabei besitzt jede Farbe ihre eigene Wellenlänge. Die kürzeste Wellenlänge hat blaues Licht. Grünes hat eine kürzere Wellenlänge als gelbes und das hat eine kürzere Wellenlänge als rotes Licht. Rotes Licht hat die längste Wellenglänge des sichtbaren Lichts. Noch größere Wellenlängen führen zur Infrarot-Strahlung und werden diese noch wesentlich länger, kommen wir zum Beispiel in den Radiowellenbereich. Ob das Licht gestreut wird, ist abhängig von der Größe des Partikels. Die Partikel müssen um den Faktor 1000 kleiner sein als die Wellenlänge des Lichtes. Bei diesem Größenverhältnis ist die Streuung wellenlängenabhängig. Für die, die es ganz genau wissen wollen: Die Streuung erfolgt dann umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Wellenlänge. Diese Art der Streuung, wenn das Licht auf sehr viel kleinere Teilchen trifft als dessen Wellenlänge, wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Die Rayleigh-Streuung geht auf den britischen Physiker Lord Rayleigh im Jahr 1870 zurück. Zu den kleinsten Teilchen gehört zum Beispiel auch Stickstoff, der etwa 78 Prozent der Atmosphäre ausmacht. Nun werden kurze Wellenlängen, also das blaue Licht stärker gestreut als die längeren Wellenlängen. Das blaue Licht trifft somit viel häufiger auf Luftpartikel. Im Vergleich zum roten Licht wird das blaue Licht etwa 4 mal so oft gestreut. Lassen wir unseren Blick weg von der Sonne in den Himmel schweifen, kommt das blaue Licht wesentlich öfter in unserem Auge an. Das lässt den Himmel blau erscheinen. Der Himmel erscheint besonders blau in frischer Polarluft. Denn je trockener und sauberer die Luft ist, desto blauer scheint die Luft zu sein. Richten wir den Blick zur Sonne, aber ACHTUNG niemals ohne Schutz direkt in die Sonne gucken, erscheint diese gelb. Die Sonne sendet allerdings nicht gelbes Licht aus, sondern Weißes. Das können alle Astronautinnen und Astronauten bestätigen. Ob vom Mond oder von der Internationalen Raumstation aus, die Sterne erscheinen weiß. Dort gibt es nämlich keine Atmosphäre oder Luftpartikel, die das Licht streuen können. Denn von der Erde aus betrachtet, erscheint es uns nur so, dass die Sonne gelb ist. Die Ursache liegt in dem vielfach gestreuten blauen Licht. Der blaue Anteil des direkten Lichts/Sonnenstrahls ist geringer, da es häufiger gestreut wurde. Im sichtbaren Spektrum fehlt nun sozusagen das blaue Licht. Damit verschiebt sich das farbliche Spektrum. Der höhere grüne, gelbe und rote Anteil des Lichtes lässt die Sonne nun gelb erscheinen. Die Effekte kann jede in einem einfachen Experiment überprüfen. Dazu wird ein Glas mit Wasser und etwas Milch benötigt. Die Milch stellt die Luftpartikel dar, an denen die Sonnenstrahlen gestreut werden. Nun leuchtet man das Glas von unten mit einer Taschenlampe an. Sie stellt das Sonnenlicht dar. Bei seitlichem Blick ins Glas leuchtet die Mischung in einem leicht bläulichen Licht. Das kurzwellige blaue Licht wird hier an den Fett-Tröpfchen der Milch zur Seite gestreut. Das rote langwelligere Licht hingegen scheint geradeaus und fehlt beim seitlichen Blick ins Glas. Das gleiche passiert auch in der Atmosphäre. Aber der Himmel erscheint nicht nur blau. Bei Sonnenauf- oder -untergängen leuchtet der Himmel manchmal in einem strahlenden orange. Die Sonne steht hier noch nicht bzw. nicht mehr ganz so hoch am Horizont und legt damit einen etwa 30 mal so langen Weg durch die Atmosphäre zurück. Bei einem längeren Weg durch die Atmosphäre, nimmt auch der Rotanteil des Lichtes zu. Warum ist das so? Das Licht trifft nun auf noch mehr Moleküle. So wird noch mehr vom blauen Licht in alle Richtungen gestreut. Das bedeutet, dass das uns treffende Licht nur noch einen sehr geringen Anteil vom blauen Licht hat. Der Blauanteil wurde praktisch vorher weggestreut. Es bleibt nur noch das rote bzw. das langwellige sichtbare Licht übrig. Das erklärt wa...

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HBS001 Wie kamen die Wolken zu ihren Namen

Nicht nur heutzutage haben Wolken eine faszinierende Wirkung auf viele Menschen. Schon vor Hunderten von Jahren schrieb Aristophanes 423 v. Christus, "Wolken seien die Götter der neuen Zeit, denn die Wolken verkörpern „die Gedanken und Ideen, die uns Dialektik und Logik verleihen". Ein weiterer großer Künstler, den Wolken, deren Formation und Veränderung begeisterte, war kein anderer als Johann Wolfgang von Goethe. Daher war er sehr von dem Mann angetan, der als erster den Wolken eine Klassifikation zuordnen sollte. Denn zur damaligen Zeit, wurden die Wolken als zu vielgestaltig, komplex und kurzlebig angesehen, als sie wissenschaftlich untersuchen und kategorisieren zu können. Bereits als junges Schulkind war Luke Howard fasziniert von Wolken und beobachtete diese ständig. In seinem späteren Buch gestand er, statt dem Unterricht zu folgen, habe er lieber aus dem Fenster geguckt und sich in den Wolken verloren. Wie alle anderen auch, wusste er nicht wie diese entstehen oder überhaupt in der Luft schweben bleiben können. Den gelernten Pharmakologen und Apotheker ließen die Wolken auch im späteren Leben nicht los und so veröffentlichte er 1803 im Alter von 31 Jahren die weltweit erste Wolkenklassifikation. Seine Wolkenbeobachtung während des Unterrichts und die daher langjährige Erfahrung halfen ihm dabei eine Typisierung zu finden. Er hat erkannt, dass Wolken viele verschiedene Erscheinungmöglichkeiten, jedoch nur wenige grundlegende Formen haben. Dabei unterschied er zwischen vier Wolkentypen. Den ersten Wolkentyp stellen die hohen Wolken, den Cirrus, dar. Neben diesem unterschied Howard zwischen dem Stratus, einer schichtförmigen Wolkengestalt, und dem Cumulus, den haufenförmigen Wolken. Der vierte Typ, die Regenwolke, ist der komplizierte Name Cumulo-cirro-stratus, der heute unter dem verständlicheren Namen Nimbus bekannt ist. Da Wolken sich in ständiger Veränderung befinden, aufsteigen, absinken und von der einen Art in eine andere übergehen können, wollte Howard diesen Veränderungsprozeß auch in der Namensgebung mit beachten. Und genau das ist der schlaue Gedanke Howards gewesen. Die Namen können je nach Entwicklung kombiniert werden. So sollte aus Gruppen einzelner flauschiger Cumuli, die sich verbanden und ausbreiteten, schichtförmige Stratocumulus-Wolken werden. Seine Publikation wurde von Wissenchaftlern brennend diskutiert und sättigte das Bedürfnis vieler nach einer Ordnung des Himmelsbildes. Ein halbes Jahrhundert vor dem Telegramm wurde seine Veröffentlichung für die damalige Zeit rasend schnell verbreitet. Man kann sagen, sie ging viral. Seiner plötzlichen wissenschaftichen Berühmtheit und dem vielen Lob stand Luke Howard etwas zwiespältig gegenüber. Obwohl in der Wissenschaft zunehmend lateinische Bezeichnungen Verwendung fanden, stand er zunächst unter heftiger Kritik, nicht englische Namen verwendet zu haben. So hat zum Beispiel der bekannte französische Botaniker Jean-Baptiste de Lamarck eine fachlich bessere Typisierung heraus gebracht, doch gab Lamarck den Wolkentypen französische Namen. Diese waren wesentlich umständlicher zu merken und spiegelten nicht den genialen Gedanken der Wandlungsfähigkeit der Wolken wider. Zudem wurde Lamarcks Idee durch die zunehmenden Unterstützer Howards verworfen. Zu den Unterstützern zählte auch der deutsche Dichter und Naturforscher Johann Wolfgang von Goethe. Da sich Goethe zur selben Zeit intensiv mit dem Wetter beschäftigte, hörte er bald von Howard. Die Einteilung der Wolken gefiel Goethe so gut, dass er ihn eifrig vor seinen Kritikern verteidigte und Dank seines großes Einflusses setzte sich die lateinische Namensgebung auch in den anderen europäischen Ländern vorallem wegen der lateinischen Namen durch. Aufgrund seiner nicht zu stillenden Begeisterung schrieb Goethe einen Fanbrief. Howard konnte dies zunächst gar nicht fassen und dachte, es sei ein übler Scherz von seinen Kritikern, lernte aber schnell, dass der Brief tatsächlich von Goethe kam. Und so traten sie in Briefkontakt. Goethe war beigeistert davon den Mann näher kennen zu lernen, der die Wolken benannt hat und ermunterte Howard sogar ein Buch darüber zu schreiben wie er auf die geniale Klassifizierung gekommen ist. Der berühmte Poet hat Howards Beschreibungen der Wolken in dem Gedicht "Howards Ehrengedächtnis" integriert und dem bescheidenen Howard mit dieser Widmung eine der größten Ehren erwiesen. Luke Howards Pionierleistung ist insofern bemerkenswert als dass er ohne jegliches Wissen der atmosphärischen Prozesse eine bis heute taugliche und weiterhin verwendete Wolkenklassifikation erstellte. Im internationalen Wolkenatlas sind in den letzten 200 Jahren noch viele weitere Wolkenarten hinzugefügt worden und werden in dem weltweit verwendeten Handbuch zur Wolkenbeobachtung und der Wolkenverschlüsselung angewandt. Nicht unbegründet gilt Howard deshalb als einer der Gründungsväter der modernen Meteorologie. Zum Abschluss folgt nun das Gedicht von Goethe über ...

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HBS003 Wie entsteht Regen

Ob es sich nun um einen kräftigen Schauer, lang anhaltenden Landregen oder um kleintropfigen Niesel handelt, der Entstehungsmechanismus der fallenden Tropfen ist recht ähnlich. Wie kommt es eigentlich, dass dieser überhaupt vom Himmel fällt? Zunächst einmal benötigen wir Luft, die erwärmt wurde wie zum Beispiel von der Sonne und aufsteigt. In der Luft ist auch immer ein gewisser Teil an Wasser enthalten, also Wasser in seinem gasförmigen Zustand. Erst wenn der Wasserdampf wieder flüssig wird, können wir ihn sehen, und zwar in Form von Wolken. Vorher ist der Wasserdampf ein unsichtbares Gas und sollte daher nicht mit einer Wolke verwechselt werden. Grundsätzlich gilt (für Luft): Warme Luft nimmt mehr Wasser(dampf) auf als kalte Luft. Das kann man mit der sogenannten idealen Gasgleichung ausrechnen. Im Prinzip geht das ganz leicht und mit einer kurzen Rechnung ergibt dann beispielsweise Folgendes: Nehmen wir an die Luft soll komplett mit Wasser gefüllt sein, man spricht auch von gesättigter Luft, dann beträgt die relative Luftfeuchte 100%. Die Luft kann dann nicht mehr Wasserdampf aufnehmen. In dem Fall, dass die Luft doch noch mehr Wasserdampf aufnimmt, kondensiert der Wasserdampf und es entstehen kleine Wassertröpfchen. Nehmen wir nun weiter an draußen sind es 20 Grad Celsius, eine schön warme Frühlingstemperatur. Nach der idealen Gleichung kann die Luft dann 17,5 g Wasser pro Kubikmeter speichern. Bei 40 Grad Celsius also bei doppelten Temperaturwerten wird das dreifache an Wasserdampf von der Luft aufgenommen (genauer sind das 54,6 g Wasser pro Kubikmeter Luft) bevor der Wasserdampf kondensiert. Je wärmer es ist, desto mehr Wasser wird also von der Luft gehalten. Kommen wir nun zu unserer aufsteigenden Luft zurück. Auf dem Weg nach oben wird es immer kälter. Denn mit der Höhe nimmt auch die Temperatur ab. Je weiter die Luft also aufsteigt und sich abkühlt, desto weniger Wasser kann sie tragen. Die aufsteigende Luft erreicht so irgendwann ihren Sättigungspunkt. Dann ist die Luft mit Wasserdampf gefüllt und kann keinen weiteren Wasserdampf aufnehmen. An den sogenannten Kondenstationskernen lagert sich nun der Wasserdampf an. Kondensationskerne sind zum Beispiel Staub, Salz- oder Rußpartikel aber auch Pollen gehören dazu. Die nun mit Wasser umgebenen Kondensationskerne sind nun sogenannte Wolkentröpfchen. Wolkentröpfchen sind wirklich ziemlich winzig und sehr leicht. Ihre Größe bewegt sich im hundertstel Millimeterbereich und sind damit im Bereich von dem Durchmesser eines Spinnenfadens. Das macht sie sehr leicht und fast schwerelos und bleiben problemlos in der Schwebe. Somit ist der erste Schritt für die Entstehung von Regen erreicht. Wir haben Wolken. Die nächste Frage ist jetzt: Was passiert in der Wolke, damit es regnet? Eine Idee ist, dass die Wolkentröpfchen immer mehr werden. Durch weiteres Ansammeln von Wasserdampf werden die Wolkentröpfchen größer und führen irgendwann zu Regen. Dieser Prozess dauert allerdings in der Regel sehr lange. Viel zu lange, um so zum Regen zu führen. Das Ansammeln von Wasserdampf kann daher praktisch als Niederschlagsgrund ausgeschlossen werden. Es muss also noch etwas weiteres geben, dass das Anwachsen der kleinen Wolkentropfen herbeiruft und schließlich den Regen verursacht. Bei der Entstehung des Regens spielt der kompliziert klingende Prozess der Koalezsenz eine wichtige Rolle. Bei der Koalezsenz stoßen die kleinen Wassertröpfchen zufällig zusammen und verbinden sich dabei ab und zu. Der Grund für das Zusammenfließen der Wolkentröpfchen liegt in der Oberflächenspannung der Tropfen. Die versuchen nämlich ihre Oberfläche möglichst gering zu halten. Zwei kleinere Tröpfchen haben zusammen eine größere Oberfläche, als das aus ihnen entstehende einzelne größere Tröpfchen. Weil so die Oberfläche kleiner ist, verbinden sie sich. Das größere aber immer noch sehr kleine Tröpfchen ist nun etwas schwerer und sinkt in der Wolke in Richtung Boden. Auf dem Weg durch die Wolke nimmt es entweder weitere kleine Tröpfchen auf und wächst weiter an oder aber das Tröpfchen leiten die anderen Tröpfchen einfach um sich herum. Damit unser kleines Wolkentröpfchen die Größe eines Regentropfens erreicht, muss es etwa eine Million Wolkentropfen aufnehmen. Es hat also einen langen Wachstumsprozess vor sich. Erst wenn das Wolkentröpfchen weit genug angewachsen ist um nicht mehr in der Schwebe gehalten zu werden, wird es zu schwer und fällt zu Boden. Und wenn es aus der Wolke raus fällt, ist es ein Regentropfen. Der auf diese Art entstehende Regen, kommt vor allem bei Nieselregen bzw. dem Sprühregen vor. Hierbei gibt es oft viele Kondensationskerne, die sehr viele kleine Wolkentröpfchen bilden statt wenige große Tropfen. Ein weiterer Grund warum durch das Zusammenfließen bzw. der Koalezsenz nur Sprühregen entsteht, ist der Feuchtegehalt der Luft. In den außertropischen Breiten wie zum Beispiel bei uns ist der Feuchtegehalt einfach zu gering, um großtropfigen Regen wie bei einem Schauer e...