Das Sonnenlicht

Diese Seite beschäftigt sich mit besonders bunten Themen. Welche Farben enthält das Licht der Sonne? Warum ist der Himmel tagsüber oft blau und färbt sich bei Sonnenuntergang rötlich? Wie fächern Prismen Licht auf und warum sind Regenbogen immer rund?

Arbeitsmittel

Info für Lehrer*innen

Eingeloggte Lehrer*innen werden hier durch Unterrichtsvorschläge und Zusatzinformationen zur Seite und zu Lernzielen unterstützt.
Mehr zu SchuBu+

Die Farben der Sterne

Wenn man mit freiem Auge den Nachthimmel betrachtet, muss man schon ganz genau schauen (und wenig Umgebungslicht haben) um es zu erahnen: Nicht alle Sterne leuchten weiß. Ohne Fernrohr sieht man im Sternbild Leier den Stern Wega bläulich leuchten und Beteigeuze im Sternbild Orion erscheint uns in einem rötlichen Farbton. Mit Fernrohr zeigen weit noch mehr Sterne ihre Farbenpracht.

Т
Beteigeuze im Sternbild Orion
Wega leuchtet hell und blau am bunten Sommersternenhimmel

Welche Farben können Sterne „haben“ und warum sind sie so unterschiedlich? Alle Körper, also auch die Sterne, senden elektromagnetische Strahlung aus. Auch Menschen, Gegenstände, Tiere, Pflanzen, die Erde, Eiscreme, Tiefkühlpizza, rot glühendes Eisen, ... geben diese sogenannte Wärmestrahlung ab.

Sterne können unterschiedliche Farben, Größe und Leuchtkraft haben.

Die Temperatur des Körpers bestimmt, wie viel und in welchen Wellenlängen abgestrahlt wird. Das Gesamtbild dieser Abstrahlung nennt man das Spektrum (Mehrzahl: Spektren).

Wie liest man dieses Diagramm?

Die dargestellten idealen Spektren der Wärmestrahlung sehen wie rundliche Bergkuppen aus. Das Maximum ist jeweils die höchste Stelle des Berges. Die Kurve für die Sonnenstrahlung an der Sonnenoberfläche ist gelb, die für die Erde rot. Je heißer der Körper ist, desto höher ist der Berg und desto weiter links sein Maximum. Fällt dir die merkwürdige Anordnung der Skalenunterteilung unten auf? Wenn der nächstfolgende gleich große Abschnitt jeweils das 10-fache des vorangegangen ist, dann nennt man eine solche Skaleneinteilung „logarithmisch“.

Wärmestrahlung

In der Simulation lässt sich das gut (mit idealisierten Werten) ausprobieren.

Bei welcher Farbe liegt das Maximum der Wärmestrahlung unserer Sonne? (Hinweis: Dabei ist es hilfreich, die Option „Werte in Grafik“ anzuhaken.)

Schwarzkörper Strahlung wird von PhET, University of Colorado Boulder, zur Verfügung gestellt.

Die Erde hat ihr Maximum im Bereich der Infrarotstrahlung, die viel heißere Sonne im Bereich des für Menschen sichtbaren Lichts.

Je heißer ein Stern oder ein Objekt ist, desto mehr verschiebt sich das Maximum seiner abgestrahlten Wellenlängen hin zu kürzeren Wellenlängen.

Was denkst du, in welchem Wellenlängenbereich liegt bei dir das Maximum der Wärmestrahlung?

Ein großer Teil der von deinem Körper ausgesandten Wärmestrahlung liegt im infraroten Wellenlängenbereich. Das findet Anwendung bei dem berührungslosen Fiebermessen mit Infrarot Fieberthermometern, aber auch beim Erstellen von Wärmebildern.

Eine Wärmebildkamera wandelt die vom Objekt ausgehende Infrarotstrahlung in elektrische Signale bzw. in ein Bild in Falschfarben um.

Berührungsloses Fiebermessen nutzt die Temperaturabhängigkeit der von uns ausgesendeten IR-Strahlung.
Falschfarbenbild der Infrarot-Kamera
Falschfarbenbild der Infrarot-Kamera

Da wir von all den unterschiedlichen elektromagnetischen Wellenlängen mit unseren Augen nur das sichtbare Licht erfassen können, leuchtet die Sonne für uns weiß. Kleinere Sterne sind kühler und leuchten daher rötlich. Größere Sterne schauen für uns bläulich aus, da ihre Oberflächentemperatur viel höher ist, als die der Sonne.

Der genaue Farbeindruck eines Sterns hängt aber nicht nur von seiner Temperatur ab, sondern auch davon, welche chemischen Elemente er enthält. Die Elemente an der Oberfläche des Sterns nehmen einen Teil der Strahlung auf (Absorption) und entfernen sie somit aus dem Spektrum. Dadurch ergibt sich für unsere Sonne ein ganz minimaler Orangestich.

O B A F G K M Spektralklasse Weiße Zwerge RoteZwerge Riesen Überriesen Hauptreihensterne(“Zwerge”) Leuchtkraft Sonne
Anhand ihres Spektrums werden Sterne in Spektralklassen eingeteilt: Maximum liegt bei kurzen Wellenlängen (O) bis langen Wellenlängen (M)

Lies dir den Text durch und mache die Übungen!

Sonnenlicht auf der Erde

Nicht der ganze Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung der Sonne kommt auch auf der Erde an. Einen Teil davon entfernt unsere Atmosphäre und verringert dadurch zum Beispiel den Anteil schädlicher UV-Strahlung. Die Abbildungen zeigen, welche Bereiche des Sonnenspektrums die Erdoberfläche erreichen und welche von den Molekülen in der Erdatmosphäre absorbiert werden:

Spektrum der elektromagnetischen Strahlung unserer Sonne
Die Erdatmosphäre absorbiert einen Teil der elektromagnetischen Strahlung der Sonne.

Das menschliche Auge erfasst von all dem wiederum nur einen kleinen Bereich: Das für Menschen sichtbare Licht liegt im Wellenlängenbereich zwischen den energiereichen UV-Strahlen (ultravioletten Strahlen) und den IR-Strahlen (infraroten Strahlen). Das Lichtspektrum, also die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, liegt zwischen 380 Nanometer und 750 nm. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung. Normalsichtige Menschen nehmen Farbtöne von Violett, über Blau nach Grün zu Gelb und Rot war. Weiß erscheinendes Tageslicht besteht dabei aus der Überlagerung dieser Farben.

Elektromagnetische Strahlung

Bewege das Lichtspektrum an die richtige Stelle im elektromagnetischen Spektrum!

Wellenlänge zwischen 380 Nanometer und 750 nm. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung.

Der für uns sichtbare Teil erstreckt sich zwischen den kürzerwelligen UV-Strahlen und den längerwelligen IR-Strahlen.

Überlege, welches Licht energiereicher ist! Blaues oder rotes Licht?

Blaues Licht hat mehr Energie als rotes Licht.

Prisma

Mit Hilfe eines Prismas lässt sich das weiß erscheinende Sonnenlicht zerlegen und sein Farbspektrum wird sichtbar. Beim Auftreffen auf den Grenzflächen zwischen Luft und Glas werden die verschiedenen, überlagerten Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen und jede Farbe unter einem anderen Winkel abgelenkt. Dabei wird Licht der Spektralfarbe Blau (hohe Energie) viel stärker gebrochen als Licht der Spektralfarbe Grün, und dies wieder stärker als Rot (niedrige Energie). Dadurch werden die Farben aufgefächert. Dieses Auffächern des Lichts wird Dispersion genannt.

Zerlegung von weißem Licht mit Hilfe eines Prismas
Ein normalsichtiger Mensch kann etwa 110 bis 130 unterschiedliche Spektralfarben wahrnehmen.

Der von uns wargenommene Farbton des aufgefächerten Lichts ändert sich dabei kontinuierlich von Violett über Blau nach Grün zu Gelb und Rot.

Regenbogen

Fast genauso wie im Prisma funktioniert es auch beim Regenbogen. Kleine Wassertröpfchen, die in der Luft schweben, wirken hier ähnlich wie viele kleine Prismen. Aber zusätzlich zur Lichtbrechung kommt es auch noch zur Spiegelung (Totalreflexion) des Sonnenlichts an der Rückseite der Tropfen.

Wassertropfen wirken ähnlich wie Prismen.

Der Strahlengang in dieser Abbildung ist allerdings stark vereinfacht. Von jedem Tröpfchen gehen eigentlich kegelmantelförmige Strahlen aus. Das passiert, weil die Tropfen rund sind und daher runde Grenzflächen haben (nicht ebene Grenzflächen wie das Prisma). Das Licht wird in Form eines Kegelmantels mit einem bestimmten – für jede Farbe aber leicht unterschiedlichen – Winkel abgelenkt.

Das passiert mit all den Millionen Wassertröpfchen vor uns. Dadurch trifft die gleiche Farbe noch sehr oft unser Auge, von vielen verschiedenen Regentropfen aus.

Stell dir vor, du könntest einzelne Tropfen vergrößern. Bewege den Tropfen und beobachte die Farben!

Info für Lehrer*innen
Besprecht gemeinsam:
  1. In welcher Reihenfolge werden die Farben zum Raumschiff reflektiert?
  2. Was würdest du vom Raumschiff aus sehen, wenn du den Tropfen noch weiter nach unten bewegen könntest?

Jeder Mensch nimmt seinen bzw. ihren ganz individuellen Regenbogen war. Um den Regenbogen sehen zu können, muss die Sonne im Rücken stehen (dein Schatten zeigt dann Richtung Regenbogen). Die persönliche Regenbogenwahrnehmung verändert sich, wenn man sich bewegt. Sie unterscheidet sich von den Wahrnehmungen anderer Personen, da natürlich niemand seine Augen gleichzeitig an genau der gleichen Stelle wie eine andere Person haben kann. Das Licht der Sonne wird an jedem einzelnen Regentropfen in das ganze Spektrum aufgefächert. Aber aufgrund der unterschiedlichen Streuwinkel (z. B. Violett 40,7° und Rot 42,4°) erreicht immer nur eine bestimmte Farbe pro Regentröpfchen unsere Augen. Dadurch stammt das rote Licht von Tröpfchen, die relativ zum Auge höher am Himmel stehen als die, die gelbes, grünes, ... oder blaue Licht in unsere Augen reflektieren.

Den ganzen Regenbogen kann man übrigens nur aus der Luft sehen. Am Boden stehend sieht man maximal den halben.

Regenbogen aus der Sicht einer Falschirmspringerin

Ein doppelter Regenbogen entsteht durch mehrfache Brechung in den Wassertropfen. Der äußere Bogen zeigt die Farben dadurch in umgekehrter Reihenfolge und weniger lichtstark.

Doppelter Regenbogen

Vom blauen Himmel und dem Abendrot

Warum ist der Himmel tagsüber oft blau und färbt sich bei Sonnenuntergang rötlich? Warum erscheint uns die Sonne manchmal weiß, manchmal aber auch gelb oder rot?

Die Antwort liegt in der Zusammensetzung unserer Atmosphäre: Moleküle, winzige Wassertröpfchen und winzige Staubteilchen in unserer Atmosphäre lenken einen Teil des Sonnenlichts zur Seite ab. Dieser Vorgang wird Rayleigh-Streuung genannt. Dabei werden kurzwellige (blaue) Lichtanteile stärker abgelenkt als langwellige (rote) und der Himmel erscheint uns tagsüber blau, während die Sonne ganz leicht gelblich wirkt.

Bei Sonnenuntergang legt das Licht einen besonders langen Weg durch die Atmosphäre zurück, bevor es unsere Augen trifft.
Sonnenuntergang auf der Erde von der Raumstation ISS aus betrachtet

Beobachte, welche Farben die Beobachterin zu verschiedenen Tageszeiten in der Atmosphäre wahrnimmt!

Morgen Mittag Abend

Wenn die Sonne am Morgen oder am Abend tief am Horizont steht, hat das Licht einen längeren Weg durch die Atmosphäre, so dass beim Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang auch schon viel rotes Streulicht zu sehen ist. Je nachdem wie viele Staubpartikel, Wassertröpfchen, Wasserdampf etc. in der Atmosphäre sind, sehen Sonnenuntergänge unterschiedlich spektakulär aus.

Diese Form der Lichtstreuung in der Erdatmosphäre ist auch der Grund, warum Berge in der Ferne blau aussehen und auch der Mond nahe am Horizont rötlicher wirkt.

orangener Mondaufgang
blaue Berge durch Streuung des blauen Lichtanteiles

Im Gegensatz zur Erdatmosphäre enthält die dünne Atmosphäre am Mars viel mehr groben Staub, wodurch andere Streumechanismen in den Vordergrund rücken und den Himmel tagsüber beige-orange und bei Sonnenuntergang bläulich färben. Auf der Erde kann diese Situation gelegentlich auch auftreten, bei Sandstürmen oder Vulkanausbrüchen.

blaue Sonne bei einem Sandsturm 2016 in Salento (Italien)
blauer Sonnenuntergang am Mars
20. Das Sonnenlicht
Tools
Zeit
Zufall
Zeigen
Rechnen
Antworten
Quiz
Über SchuBu
Buchauswahl Physik 2 - Inhaltsverzeichnis
Tools
Zeit
Zufall
Zeigen
Rechnen
Antworten
Quiz
Über SchuBu
1.1.5.a
Meine Lösung prüfen
später prüfen
Tipp 1
Tipp 2
Lösung
   
Ok
erledigt
Juhu!
Du hast alle Aufgaben abgeschlossen.
Dein Ergebnis:
Genug für heute
leider falsch
Oje!
Das ist leider nicht ganz richtig.
Noch einmal versuchen
richtig
Bravo!
Deine Lösung ist richtig.
Nächste Aufgabe