Licht

Wenn heute im täglichen Sprachgebrauch von Licht gesprochen wird, ist meistens einfach „Helligkeit“ gemeint, also das Gegenteil von „Dunkelheit“. Das ist letztendlich auf die Wahrnehmung des menschlichen Auges zurückzuführen. In diesem Zusammenhang wird auch häufig von dem „sichtbaren Licht“ gesprochen. Um aber eine Vorstellung davon zu bekommen, wo das Licht herkommt, woraus es besteht, und wie es physikalisch und somit auch im Zusammenhang mit Wetter und Klima zu verstehen ist, ist es sinnvoll, sich die Fragen zu stellen, was Licht überhaupt ist und was es für besondere Eigenschaften besitzt. Welche klimatischen Auswirkungen Strahlung, also auch Lichtstrahlung, haben kann, wird in der Rubrik Strahlung näher beleuchtet.

Was ist Licht?

Diese Frage hat die Physiker in der Vergangenheit lange Zeit beschäftigt. Die große Streitfrage, an der sich die Geister schieden lautete: Welle oder Teilchen?
Bereits im 17. Jahrhundert stellten der Franzose R. Boyle und der Engländer R. Hooke fest, dass Licht sich ähnlich wie eine Wasserwelle verhält. Es folgt also auch dem Superpositionsprinzip, d.h. wenn zwei Wellen gleichzeitig an einem Ort eintreffen, müssen die Amplituden addiert werden. Dies war der Grundbaustein für die Wellentheorie: Wenn also Lichtstrahlen ausgehend von einem Ort, zu einem Auffänger gelangen, dabei aber jeweils geringfügig unterschiedliche Wege durchlaufen, ist eine ungleichmäßige Beleuchtung des Auffängers zu beobachten. Es treten helle und dunkle Stellen auf. Es kommt dann, je nach Wegunterschied, an einem betrachteten Punkt auf dem Auffänger zu einer Auslöschung oder zu einer Verstärkung. Das ist davon abhängig, ob Wellenberg und Wellental oder zwei Wellenberge aufeinander treffen. Diese Eigenschaft des Lichts nennt man Interferenz.
Der Engländer I. Newton, Begründer der Teilchentheorie, sah das Licht dagegen, aufgrund seiner geradlinigen Ausbreitung, als einen Strom unwägbarer schnell dahinfliegender Teilchen. So ergab sich die Konkurrenz zur Wellentheorie, weil Newton aufgrund der Gravitationstheorie sehr angesehen war. Als A. J. Fresnel 1817 erkannte, dass Licht einer transversalen Welle entspricht, war dies ein zusätzliches Argument für die Wellentheorie, zu der auch der Physiker C. Huygens erheblich beigetragen hatte. Diese fordert außerdem eine kleinere Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen in einem optisch dichteren Medium, was die Versuche von Foucault und Fizeau bewiesen. Hinzu kam, dass James Clerk Maxwell 1873 herausfand, dass Licht auch eine elektromagnetische Welle ist.
Alle diese grundlegenden Erkenntnisse dienen uns heute für die Forschung an Erde, Klima, Atmosphäre und Wetter. Wenn man heute im täglichen Sprachgebrauch von Licht spricht, meint man häufig einfach „Helligkeit“. Dies hängt aber mit der Wahrnehmung des menschlichen Auges zusammen.
In der Physik ist Licht hingegen eine elektromagnetische Welle, die durch räumliche Periodizität, also die Wellenlänge (abgekürzt durch das Symbol λ) und zeitliche Periodizität, also die Frequenz (abgekürzt durch das Symbol v) beschrieben wird. Zudem besteht Licht aus Photonen, d.h. aus kleinsten Teilchen bzw. Lichtquanten mit Energie. Licht kann also sowohl Teilchen, als auch Welle sein. Die Wellenlänge wird dabei in Nanometer (nm), also in „Milliardstel Meter“ gemessen und im sogenannten Licht- oder Farbspektrum aufgetragen. Das sichtbare Licht reicht im Farbspektrum von ca. 380 nm bis ca. 780 nm. Dabei ist zwischen sichtbarem, ultraviolettem (UV-Licht) und infrarotem Licht (IR-Licht) zu unterscheiden, wobei der sichtbare Bereich des Spektrums sehr klein ist. Licht, das eine Wellenlänge von weniger als 380 nm hat, wird als UV-Licht und Licht, das eine Wellenlänge von mehr als 780 nm hat, als IR-Licht bezeichnet.

Wie entsteht Licht?

Nimmt man eine heiße Herdplatte oder die Dochtspitze einer Kerze als Beispiel, so ist bekannt, dass diese heißen Objekte glühen. Sie geben also Licht ab, ebenso wie die Sonne als unsere natürliche Lichtquelle. Dabei gilt das Prinzip, je heißer ein Objekt ist, desto größer wird der Lichtanteil, der für den Menschen im sichtbaren Bereich des Spektrums liegt. Bei ca. 6000°C ist schließlich das Maximum der abgegebenen Strahlung gerade im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Diese Temperatur entspricht ungefähr der Oberflächentemperatur unserer Sonne.
Wird ein Körper kälter, so verschiebt sich das Maximum immer mehr in den roten Spektralbereich. Er sendet dann also vorwiegend rotes Licht aus, d.h. er glüht rot. Mit weiter fallender Temperatur wird der Anteil des Spektrums, der vom Menschen gesehen werden kann folglich immer geringer. Deshalb strahlt z.B. auch ein Heizkörper nur im längerwelligen infraroten Spektralbereich und ist für den Menschen somit nicht als glühend wahrnehmbar.

Streuung des Lichts

Wenn das Sonnenlicht auf die Teilchen in der Atmosphäre trifft, wird es gestreut. Dabei wird, je nach dem, wie groß die streuenden Teilchen im Vergleich zu den sie treffenden Lichtwellenlängen sind, zwischen Mie-Streuung und Rayleigh-Streuung unterschieden.
G. Mie stellte 1908 die nach ihm benannte Mie-Theorie auf, nach welcher die das Licht streuenden Teilchen in der Größenordnung der Wellenlängen des sie treffenden Lichts liegen oder größer als diese sind. Die Mie-Streuung ist also auch verantwortlich für die Lichtstreuung an Wassertropfen und Aerosolen in der Atmosphäre. Ein wichtiges Ergebnis seiner Theorie ist also, dass die Intensität und die Farbe des an Aerosolen gestreuten Lichts nicht nur von der Wellenlänge, sondern auch von der Größe der streuenden Teilchen abhängen.
Bereits 1871, also noch deutlich bevor G. Mie seine Theorie begründete, stellte Lord Rayleigh seine Theorie auf: Er nahm schon damals an, dass die Lichtstreuung auf kleine Teilchen in der Luft zurückzuführen sei. Bei der sogenannten Rayleigh-Streuung sind die streuenden Teilchen jedoch deutlich kleiner im Vergleich zur Wellenlänge.
Es wird also grob in zwei Streuungsmechanismen unterschieden: Einerseits verursachen die Elektronen der Moleküle und Atome in der Atmosphäre Rayleigh-Streuung, andererseits verursachen Aerosole, je nach ihrer Größe, entweder Rayleigh- oder Mie-Streuung.

Physikalische Prozesse des Lichts mit den Bestandteilen der Atmosphäre

Wie vorhergehend schon erwähnt, sind viele Erscheinungen am Himmel auf die Wechselwirkungen von Licht und Materie in der Atmosphäre zurückzuführen. Bei Anwesenheit von Materie kann das Licht also entweder absorbiert, reflektiert, gebrochen, gebeugt oder gestreut werden. An den rauen Oberflächen von Bestandteilen der Atmosphäre tritt u.a. diffuse Lichtstreuung, d.h. Streuung in sämtliche Richtungen, auf. Im Allgemeinen streuen jedoch die kleinen Teilchen asymmetrisch nach der Mie-Streuung, während Moleküle symmetrisch nach der Rayleigh-Streuung streuen.
Die Lichtquellen außerhalb der Atmosphäre sind vorwiegend die Sonne, der Mond und die Sterne. Wenn das Licht dieser Himmelskörper dann auf die Atmosphäre trifft und diese durchdringt, wird es in seiner Intensität durch die Streuung abgeschwächt. Das Licht bzw. die Strahlung wird also aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und dabei entlang einer vorgegebenen Richtung, die auch als Sehstrahl bezeichnet wird, mit zunehmender Streuung immer schwächer.
Bezogen auf die Rayleigh-Streuung wird der Sachverhalt komplizierter, denn erstens nimmt die Dichte der Luft mit der Höhe ab, zweitens richtet sich die Wahrscheinlichkeit der Streuung nach der Lichtwellenlänge und drittens hängt die von Licht durchquerte Luftmasse vom Einfallswinkel des Lichts auf die Atmosphäre ab. Fällt Licht direkt aus dem Zenit ein, wird dies als „vertikale Atmosphäre“ bezeichnet. Die optische Dichte für den Bereich des sichtbaren Lichts in der vertikalen Atmosphäre liegt dann bei <1. Der Weg des Lichts ist hier so kurz, dass jedes Photon (jeder Lichtstrahl) im Mittel nur einmal gestreut wird. Es dominiert hier die sogenannte Einfachstreuung.
Nun lässt sich die Schwächung des Lichts auch noch als Funktion der Zenitdistanz, mit Hilfe des Air-Mass-Faktors (AM) beschreiben. Angenommen wird dabei eine homogene Atmosphäre ohne Inhomogenitäten. Der AM ist ein Maß für die Dicke der Luftschicht (durchstrahlte Menge der Materie), entlang eines Sehstrahls, also einer vorgegebenen Richtung, zum Betrachter. Je größer der AM, desto mehr Licht wird auf dem Weg zum Betrachter gestreut oder absorbiert, also aus dem Strahl entfernt. In vertikaler Atmosphäre beträgt der AM 1.
Wie allgemein bekannt ist, ist die Lichtintensität und damit die Sonneneinstrahlung höher, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, als wenn sie kurz überm Horizont steht. Aber warum ist das so? Wenn die Sonne dicht überm Horizont steht, muss das Licht einen deutlich längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen, bevor es das Auge des Betrachters erreicht. Es wird also mehr Licht aus der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung herausgestreut. Bei langen Distanzen ist zudem eine Mehrfachstreuung möglich. Hierbei wird bereits gestreutes Licht nochmals gestreut und dadurch abgeschwächt. Insbesondere für niedrige Sonnenstände kann der AM Werte von über 38 annehmen, d.h. das Licht muss dann eine 38-mal dickere Luftschicht durchqueren, im Vergleich zum Zenit. Dadurch wird die Lichtschwächung sehr groß und es können beispielsweise Sterne, die direkt überm Horizont stehen, nicht mehr wahrgenommen werden.

Siehe auch

• Strahlung

Literatur

• Vollmer, Michael (2006): Lichtspiele in der Luft – Atmosphärische Optik für Einsteiger, Spektrum Akademischer Verlag, Elsevier GmbH, München.