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Warum ist der Himmel blau? Wissenschaftliches Kinderlabor

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An einem klaren, sonnigen Tag sieht der Himmel über uns strahlend blau aus. Am Abend färbt der Sonnenuntergang den Himmel in Rot, Rosa und Orange. Warum ist der Himmel blau? Was macht einen Sonnenuntergang rot?

Um diese Fragen zu beantworten, müssen Sie wissen, was Licht ist und woraus die Erdatmosphäre besteht.

Atmosphäre

Die Atmosphäre ist eine Mischung aus Gasen und anderen Partikeln, die die Erde umgeben. Die Atmosphäre besteht hauptsächlich aus den Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). Argongas und Wasser (in Form von Dampf, Tröpfchen und Eiskristallen) kommen in der Atmosphäre am zweithäufigsten vor, ihre Konzentration überschreitet 0,93 % bzw. 0,001 % nicht. Die Erdatmosphäre enthält auch geringe Mengen anderer Gase sowie winzige Staub-, Ruß-, Asche-, Pollen- und Salzpartikel, die aus den Ozeanen in die Atmosphäre gelangen.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre variiert in kleinen Grenzen je nach Standort, Wetter usw. Die Wasserkonzentration in der Atmosphäre steigt bei Stürmen sowie in der Nähe des Ozeans. Vulkane können große Mengen Asche hoch in die Atmosphäre schleudern. Durch vom Menschen verursachte Verschmutzung können auch verschiedene Gase oder Staub und Ruß zur normalen Zusammensetzung der Atmosphäre beitragen.

Die Dichte der Atmosphäre ist in geringen Höhen nahe der Erdoberfläche am größten, mit zunehmender Höhe nimmt sie allmählich ab. Es gibt keine klar definierte Grenze zwischen Atmosphäre und Weltraum.

Lichtwellen

Licht ist eine Energieart, die durch Wellen transportiert wird. Neben Licht transportieren Wellen auch andere Arten von Energie, beispielsweise ist eine Schallwelle eine Schwingung der Luft. Eine Lichtwelle ist eine Schwingung elektrischer und magnetischer Felder. Dieser Bereich wird elektromagnetisches Spektrum genannt.

Elektromagnetische Wellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von 299,792 km/s durch den luftleeren Raum aus. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Wellen ausbreiten, wird Lichtgeschwindigkeit genannt.

Lichtwellenparameter

Die Strahlungsenergie hängt von der Wellenlänge und ihrer Frequenz ab. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen den beiden nächstgelegenen Wellenbergen (oder Wellentälern). Die Frequenz einer Welle gibt an, wie oft eine Welle pro Sekunde schwingt. Je länger die Welle ist, desto niedriger ist ihre Frequenz und desto weniger Energie trägt sie.

Sichtbare Lichtfarben

Sichtbares Licht ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der von unseren Augen gesehen werden kann. Das von der Sonne oder einer Glühlampe emittierte Licht mag weiß erscheinen, ist aber tatsächlich eine Mischung aus verschiedenen Farben. Sie können die verschiedenen Farben des sichtbaren Lichtspektrums erkennen, indem Sie es mit einem Prisma in seine Bestandteile zerlegen. Dieses Spektrum kann auch am Himmel in Form eines Regenbogens beobachtet werden, der durch die Brechung des Lichts der Sonne in Wassertröpfchen entsteht, die wie ein riesiges Prisma wirken.

Regenbogen

Die Farben des Spektrums vermischen sich und wandeln sich kontinuierlich ineinander um. An einem Ende weist das Spektrum rote oder orange Farben auf. Diese Farben verblassen in Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Farben haben unterschiedliche Wellenlängen, unterschiedliche Frequenzen und unterschiedliche Energien.

Lichtausbreitung in der Luft

Licht bewegt sich geradlinig durch den Raum, solange sich keine Hindernisse auf seinem Weg befinden. Wenn eine Lichtwelle in die Atmosphäre eindringt, breitet sich das Licht geradlinig weiter aus, bis ihm Staub- oder Gasmoleküle in die Quere kommen. In diesem Fall hängt das, was mit dem Licht passiert, von seiner Wellenlänge und der Größe der Partikel ab, die sich auf seinem Weg befinden.

Staubpartikel und Wassertröpfchen sind viel größer als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Wenn Licht auf diese großen Partikel trifft, wird es in verschiedene Richtungen reflektiert. Verschiedene Farben des sichtbaren Lichts werden von diesen Partikeln gleichermaßen reflektiert. Reflektiertes Licht erscheint weiß, weil es immer noch die gleichen Farben enthält, die vor der Reflexion vorhanden waren.

Gasmoleküle sind kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Wenn eine Lichtwelle mit ihnen kollidiert, kann das Ergebnis der Kollision anders ausfallen. Wenn Licht mit einem Molekül eines beliebigen Gases kollidiert, wird ein Teil davon absorbiert. Wenig später beginnt das Molekül, Licht in verschiedene Richtungen auszusenden. Die Farbe des emittierten Lichts ist dieselbe Farbe, die absorbiert wurde. Farben unterschiedlicher Wellenlänge werden jedoch unterschiedlich absorbiert. Alle Farben können absorbiert werden, allerdings werden höhere Frequenzen (blau) viel stärker absorbiert als niedrigere Frequenzen (rot). Dieser Vorgang wird Rayleigh-Streuung genannt, benannt nach dem britischen Physiker John Rayleigh, der dieses Streuphänomen in den 1870er Jahren entdeckte.

Warum ist der Himmel blau?

Der Himmel ist aufgrund der Rayleigh-Streuung blau. Während sich Licht durch die Atmosphäre bewegt, passieren die meisten langen Wellenlängen des optischen Spektrums die Atmosphäre unverändert. Nur ein kleiner Teil der Farben Rot, Orange und Gelb interagiert mit der Luft.

Allerdings werden viele kürzere Lichtwellenlängen von Gasmolekülen absorbiert. Nach der Absorption wird die blaue Farbe in alle Richtungen abgegeben. Es ist überall am Himmel verstreut. Egal in welche Richtung man blickt, ein Teil dieses gestreuten blauen Lichts erreicht den Betrachter. Da überall am Himmel blaues Licht sichtbar ist, erscheint der Himmel blau.

Streulicht des blauen Himmels

Wenn Sie zum Horizont blicken, wird der Himmel blasser. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Licht eine größere Distanz durch die Atmosphäre zurücklegt, um den Beobachter zu erreichen. Das gestreute Licht wird durch die Atmosphäre wieder gestreut und es gelangt weniger blaues Licht in die Augen des Betrachters. Daher erscheint die Farbe des Himmels in der Nähe des Horizonts blasser oder erscheint sogar völlig weiß.

Am Horizont ist der Himmel blasser

Schwarzer Himmel und weiße Sonne

Von der Erde aus erscheint die Sonne gelb. Wenn wir im Weltraum oder auf dem Mond wären, würde die Sonne für uns weiß erscheinen. Im Weltraum gibt es keine Atmosphäre, die das Sonnenlicht streuen könnte. Auf der Erde werden einige der kurzen Wellenlängen des Sonnenlichts (blau und violett) durch Streuung absorbiert. Der Rest des Spektrums erscheint gelb.

Außerdem erscheint der Himmel im Weltraum dunkel oder schwarz statt blau. Dies ist darauf zurückzuführen, dass keine Atmosphäre vorhanden ist und das Licht daher in keiner Weise gestreut wird.

Schwarzer Himmel im Weltraum

Warum ist der Sonnenuntergang rot?

Wenn die Sonne untergeht, muss das Sonnenlicht eine größere Distanz in der Atmosphäre zurücklegen, um den Beobachter zu erreichen, sodass mehr Sonnenlicht von der Atmosphäre reflektiert und gestreut wird. Da weniger direktes Licht den Betrachter erreicht, erscheint die Sonne weniger hell. Auch die Farbe der Sonne erscheint unterschiedlich und reicht von Orange bis Rot. Dies geschieht, weil noch mehr der kurzwelligen Farben Blau und Grün gestreut werden. Übrig bleiben nur die langwelligen Anteile des optischen Spektrums, die das Auge des Betrachters erreichen.

Bei Sonnenuntergang erscheint die Sonne rot

Der Himmel um die untergehende Sonne kann verschiedene Farben haben. Der Himmel ist am schönsten, wenn die Luft viele kleine Staub- oder Wasserpartikel enthält. Diese Partikel reflektieren Licht in alle Richtungen. In diesem Fall werden kürzere Lichtwellen gestreut. Der Beobachter sieht Lichtstrahlen längerer Wellenlänge, weshalb der Himmel rot, rosa oder orange erscheint.

Mehr zur Atmosphäre

Was ist Atmosphäre?

Die Atmosphäre ist ein Gemisch aus Gasen und anderen Stoffen, das die Erde in Form einer dünnen, meist transparenten Hülle umgibt. Die Atmosphäre wird durch die Schwerkraft der Erde an Ort und Stelle gehalten. Die Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Stickstoff (78,09 %), Sauerstoff (20,95 %), Argon (0,93 %) und Kohlendioxid (0.03 %). Die Atmosphäre enthält außerdem geringe Mengen Wasser (an verschiedenen Orten liegt die Konzentration zwischen 0 % und 4 %), feste Partikel, die Gase Neon, Helium, Methan, Wasserstoff, Krypton, Ozon und Xenon. Die Wissenschaft, die die Atmosphäre untersucht, heißt Meteorologie.

Ohne die Atmosphäre, die den Sauerstoff zum Atmen liefert, wäre Leben auf der Erde nicht möglich. Darüber hinaus erfüllt die Atmosphäre eine weitere wichtige Funktion: Sie gleicht die Temperatur auf dem gesamten Planeten aus. Wenn es keine Atmosphäre gäbe, könnte es an manchen Orten auf dem Planeten brütende Hitze und an anderen Orten extreme Kälte geben, die Temperaturspanne könnte von -170 °C in der Nacht bis zu +120 °C am Tag schwanken. Die Atmosphäre schützt uns auch vor schädlicher Strahlung der Sonne und des Weltraums, indem sie diese absorbiert und verteilt.

Von der gesamten Sonnenenergie, die die Erde erreicht, werden etwa 30 % von Wolken und der Erdoberfläche zurück in den Weltraum reflektiert. Die Atmosphäre absorbiert etwa 19 % der Sonnenstrahlung und nur 51 % werden von der Erdoberfläche absorbiert.

Luft hat Gewicht, obwohl wir uns dessen nicht bewusst sind und den Druck der Luftsäule nicht spüren. Auf Meereshöhe beträgt dieser Druck eine Atmosphäre oder 760 mmHg (1013 Millibar oder 101,3 kPa). Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck schnell ab. Mit jedem Höhenunterschied von 10 km sinkt der Druck um das Zehnfache. Das bedeutet, dass bei einem Druck von 16 Atmosphäre auf Meereshöhe in einer Höhe von 1 km der Druck 16 atm und in einer Höhe von 0,1 km 32 atm beträgt.

Die Dichte der Atmosphäre in ihren untersten Schichten beträgt 1,2 kg/m3. Jeder Kubikzentimeter Luft enthält etwa 2,7 * 1019 Moleküle. In Bodennähe bewegt sich jedes Molekül mit etwa 1600 km/h und kollidiert fünf Milliarden Mal pro Sekunde mit anderen Molekülen.

Auch die Luftdichte nimmt mit zunehmender Höhe rapide ab. In einer Höhe von 3 km nimmt die Luftdichte um 30 % ab. Menschen, die in der Nähe des Meeresspiegels leben, leiden vorübergehend unter Atemproblemen, wenn sie auf eine solche Höhe gebracht werden. Die höchste Höhe, auf der Menschen dauerhaft leben, beträgt 4 km.

Die Struktur der Atmosphäre

Die Atmosphäre besteht aus verschiedenen Schichten, die Einteilung in diese Schichten erfolgt nach ihrer Temperatur, molekularen Zusammensetzung und elektrischen Eigenschaften. Diese Schichten haben keine klar definierten Grenzen; sie ändern sich saisonal und außerdem ändern sich ihre Parameter in verschiedenen Breitengraden.

Atmosphärenschichten

Aufteilung der Atmosphäre in Schichten in Abhängigkeit von ihrer molekularen Zusammensetzung

• Homosphäre
• Untere 100 km einschließlich Troposphäre, Stratosphäre und Mesopause.
• Macht 99 % der Masse der Atmosphäre aus.
• Moleküle werden nicht nach Molekulargewicht getrennt.
• Die Zusammensetzung ist, mit Ausnahme einiger kleiner lokaler Anomalien, ziemlich homogen. Die Homogenität wird durch ständige Vermischung, Turbulenz und turbulente Diffusion aufrechterhalten.
• Wasser ist eine von zwei Komponenten, die ungleichmäßig verteilt sind. Wenn Wasserdampf aufsteigt, kühlt er ab, kondensiert und kehrt dann in Form von Niederschlag – Schnee und Regen – zum Boden zurück. Die Stratosphäre selbst ist sehr trocken.
• Ozon ist ein weiteres Molekül, dessen Verteilung ungleichmäßig ist. (Lesen Sie weiter unten über die Ozonschicht in der Stratosphäre.)

Heterosphäre

• Erstreckt sich über der Homosphäre, umfasst die Thermosphäre und die Exosphäre.
• Die Trennung der Moleküle in dieser Schicht erfolgt anhand ihres Molekulargewichts. Schwerere Moleküle wie Stickstoff und Sauerstoff konzentrieren sich am Boden der Schicht. Im oberen Teil der Heterosphäre überwiegen die leichteren Helium und Wasserstoff.

Aufteilung der Atmosphäre in Schichten in Abhängigkeit von ihren elektrischen Eigenschaften

Neutrale Atmosphäre

• Unter 100 km.

Ionosphäre

• Ungefähr über 100 km.
• Enthält elektrisch geladene Teilchen (Ionen), die durch Absorption von ultraviolettem Licht entstehen
• Der Grad der Ionisierung ändert sich mit der Höhe.
• Verschiedene Schichten reflektieren lange und kurze Radiowellen. Dadurch können sich geradlinig ausbreitende Funksignale um die kugelförmige Erdoberfläche biegen.
• Polarlichter treten in diesen atmosphärischen Schichten auf.

Magnetosphäre ist der obere Teil der Ionosphäre und erstreckt sich bis etwa 70000 km Höhe. Diese Höhe hängt von der Intensität des Sonnenwinds ab. Die Magnetosphäre schützt uns vor energiereichen geladenen Teilchen des Sonnenwinds, indem sie diese im Erdmagnetfeld hält.

Trennung der Atmosphäre in Schichten in Abhängigkeit von ihren Temperaturen

Die Höhe der oberen Grenze der Troposphäre hängt von den Jahreszeiten und dem Breitengrad ab. Es erstreckt sich von der Erdoberfläche bis zu einer Höhe von etwa 16 km am Äquator und bis zu einer Höhe von 9 km am Nord- und Südpol.

Das Präfix „tropo“ bedeutet Veränderung. Veränderungen der Parameter der Troposphäre treten wetterbedingt auf – beispielsweise durch die Bewegung atmosphärischer Fronten.

Mit zunehmender Höhe sinkt die Temperatur. Warme Luft steigt auf, kühlt dann ab und fällt zurück zur Erde. Dieser Vorgang wird Konvektion genannt und entsteht durch die Bewegung von Luftmassen. Winde in dieser Schicht wehen überwiegend vertikal.

Diese Schicht enthält mehr Moleküle als alle anderen Schichten zusammen.

Stratosphäre - erstreckt sich ungefähr von einer Höhe von 11 km bis 50 km.

• Es hat eine sehr dünne Luftschicht.
• Die Vorsilbe „strato“ bezieht sich auf Schichten oder Schichten.
• Der untere Teil der Stratosphäre ist recht ruhig. Jets fliegen oft in die untere Stratosphäre, um schlechtes Wetter in der Troposphäre zu vermeiden.
• An der Spitze der Stratosphäre gibt es starke Winde, die als Höhen-Jetstreams bekannt sind. Sie blasen horizontal mit einer Geschwindigkeit von bis zu 480 km/h.
• Die Stratosphäre enthält die „Ozonschicht“, die sich in einer Höhe von etwa 12 bis 50 km (je nach Breitengrad) befindet. Obwohl die Ozonkonzentration in dieser Schicht nur 8 ml/m3 beträgt, absorbiert sie sehr effektiv schädliche ultraviolette Strahlen der Sonne und schützt so das Leben auf der Erde. Das Ozonmolekül besteht aus drei Sauerstoffatomen. Die Sauerstoffmoleküle, die wir atmen, enthalten zwei Sauerstoffatome.
• Die Stratosphäre ist sehr kalt, mit einer Temperatur von etwa -55 °C am Boden, die mit der Höhe zunimmt. Der Temperaturanstieg ist auf die Absorption ultravioletter Strahlen durch Sauerstoff und Ozon zurückzuführen.

Mesosphäre - reicht bis in Höhen von etwa 100 km.

• Mit zunehmender Höhe steigt die Temperatur schnell an.
• Thermosphäre - erstreckt sich bis in Höhen von etwa 400 km.
• Mit zunehmender Höhe steigt die Temperatur aufgrund der Absorption sehr kurzwelliger ultravioletter Strahlung rasch an.
• Meteore oder „Sternschnuppen“ beginnen in Höhen von etwa 110–130 km über der Erdoberfläche zu verglühen.

Exosphäre - erstreckt sich über Hunderte von Kilometern über die Thermosphäre hinaus und dringt allmählich in den Weltraum vor.

• Die Luftdichte ist hier so gering, dass die Verwendung des Temperaturbegriffs jede Bedeutung verliert.
• Moleküle fliegen oft in den Weltraum, wenn sie miteinander kollidieren.

Experimente mit Licht

Das erste Experiment - Zerlegung von Licht in ein Spektrum

Für dieses Experiment benötigen Sie:

• ein kleiner Spiegel, ein Stück weißes Papier oder Pappe, Wasser;
• ein großes flaches Gefäß wie eine Küvette oder Schüssel oder eine Eiscremebox aus Kunststoff;
• sonniges Wetter und ein Fenster zur Sonnenseite.

So führen Sie ein Experiment durch:

1. Füllen Sie die Küvette oder Schüssel zu 2/3 mit Wasser und stellen Sie sie auf den Boden oder Tisch, sodass direktes Sonnenlicht auf das Wasser fällt. Für ein ordnungsgemäßes Experimentieren ist die Anwesenheit direkter Sonneneinstrahlung zwingend erforderlich.
2. Platzieren Sie den Spiegel unter Wasser, sodass die Sonnenstrahlen darauf fallen. Halten Sie ein Blatt Papier über den Spiegel, sodass die vom Spiegel reflektierten Sonnenstrahlen auf das Papier fallen. Passen Sie ggf. ihre relative Position an. Beobachten Sie das Farbspektrum auf Papier.

Experimentieren Sie mit der Zerlegung von Licht in ein Spektrum

Was passiert: Wasser und Spiegel wirken wie ein Prisma und spalten das Licht in die Farbkomponenten des Spektrums. Dies geschieht, weil Lichtstrahlen beim Übergang von einem Medium (Luft) zu einem anderen (Wasser) ihre Geschwindigkeit und Richtung ändern. Dieses Phänomen wird Brechung genannt. Unterschiedliche Farben werden unterschiedlich gebrochen, violette Strahlen werden stärker abgebremst und ändern stärker ihre Richtung. Rote Strahlen werden langsamer und ändern ihre Richtung weniger. Licht wird in seine Farbbestandteile zerlegt und wir können das Spektrum sehen.

Den Himmel in einem Glasgefäß modellieren

Benötigte Materialien für das Experiment:

• ein durchsichtiges hohes Glas oder ein durchsichtiges Plastik- oder Glasgefäß;
• Wasser, Milch, Teelöffel, Taschenlampe;
• ein dunkler Raum;

Durchführung eines Experiments:

1. Füllen Sie ein Glas oder einen Krug zu 2/3 mit Wasser, ungefähr 300-400 ml.
2. 0,5 bis einen Esslöffel Milch in das Wasser geben, die Mischung schütteln.
3. Nehmen Sie ein Glas und eine Taschenlampe und gehen Sie in einen dunklen Raum.
4. Halten Sie eine Taschenlampe über ein Glas Wasser und richten Sie den Lichtstrahl auf die Wasseroberfläche. Schauen Sie dabei von der Seite auf das Glas. In diesem Fall weist das Wasser einen bläulichen Farbton auf. Richten Sie nun die Taschenlampe auf die Seite des Glases und betrachten Sie den Lichtstrahl von der anderen Seite des Glases, sodass das Licht durch das Wasser fällt. In diesem Fall weist das Wasser einen rötlichen Farbton auf. Platzieren Sie eine Taschenlampe unter dem Glas und richten Sie das Licht nach oben, während Sie von oben auf das Wasser schauen. In diesem Fall wirkt der rötliche Farbton des Wassers gesättigter.

Modellierung der Streuung von Sonnenlicht in einem Wasserglas

Was in diesem Experiment passiert, ist, dass kleine, im Wasser schwebende Milchpartikel das Licht einer Taschenlampe auf die gleiche Weise streuen, wie Partikel und Moleküle in der Luft das Sonnenlicht streuen. Wenn ein Glas von oben beleuchtet wird, erscheint das Wasser bläulich, da die blaue Farbe in alle Richtungen gestreut wird. Wenn Sie direkt durch das Wasser auf das Licht schauen, erscheint das Licht der Laterne rot, da einige der blauen Strahlen aufgrund der Lichtstreuung entfernt wurden.

Farbmischung

Sie benötigen:

• Bleistift, Schere, weißer Karton oder ein Stück Zeichenpapier;
• Buntstifte oder Filzstifte, ein Lineal;
• ein Becher oder eine große Tasse mit einem Durchmesser oben von 7...10 cm oder einer Messlehre.
• Pappbecher.

So führen Sie ein Experiment durch:

1. Wenn Sie keinen Messschieber haben, zeichnen Sie mit einem Becher als Vorlage einen Kreis auf ein Stück Pappe und schneiden Sie den Kreis aus. Teilen Sie den Kreis mit einem Lineal in 7 ungefähr gleiche Sektoren.
2. Färben Sie diese sieben Sektoren in den Farben des Hauptspektrums – Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Versuchen Sie, die Scheibe so sauber und gleichmäßig wie möglich zu lackieren.
3. Machen Sie ein Loch in der Mitte der Scheibe und legen Sie die Scheibe auf den Stift.
4. Machen Sie ein Loch in den Boden des Pappbechers. Der Durchmesser des Lochs sollte etwas größer sein als der Durchmesser des Bleistifts. Drehen Sie den Becher um und stecken Sie einen Bleistift mit montierter Scheibe hinein, sodass die Bleistiftmine auf dem Tisch aufliegt. Stellen Sie die Position der Scheibe auf dem Bleistift so ein, dass die Scheibe den Boden des Bechers nicht berührt und sich darüber befindet in einer Höhe von 0,5..1,5 cm.
5. Drehen Sie den Stift schnell, schauen Sie auf die rotierende Scheibe und achten Sie auf deren Farbe. Passen Sie bei Bedarf die Scheibe und den Stift so an, dass sie sich leicht drehen lassen.

Farbmischexperiment

Erklärung des beobachteten Phänomens: Die Farben, mit denen die Sektoren auf der Scheibe bemalt sind, sind die Hauptbestandteile der Farben des weißen Lichts. Wenn sich die Scheibe schnell genug dreht, scheinen die Farben zu verschmelzen und die Scheibe erscheint weiß. Versuchen Sie, mit anderen Farbkombinationen zu experimentieren.

Veröffentlichung: the-mostly.ru

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