Die Farbe einer Wolke hängt in erster Linie von der Farbe des Lichts ab, das sie empfängt. Die natürliche Lichtquelle der Erde ist die Sonne, die weißes Licht liefert. Weißes Licht kombiniert alle Farben im sichtbaren Spektrum, das ist die Farbpalette, die wir sehen können.
Jede Farbe im sichtbaren Spektrum repräsentiert elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Länge. Die Farben ändern sich mit zunehmender Wellenlänge von Violett über Indigo zu Blau, Grün, Gelb, Orange, Rot und Tiefrot.
Mit zunehmender Länge einer Lichtwelle nimmt ihre Energie ab. Dies bedeutet, dass die Lichtwellen, aus denen Veilchen, Indigo und Blau bestehen, ein höheres Energieniveau haben als Gelb, Orange und Rot.
Eine Möglichkeit, die Farben des Sonnenlichts zu sehen, ist die Verwendung eines Prismas. Die Lichtgeschwindigkeit nimmt leicht ab, wenn sie sich in das Prisma bewegt, wodurch sie sich leicht verbiegt. Dies nennt man Refraktion. Der Grad der Brechung variiert mit dem Energieniveau jeder Welle.
Die Lichtwellen mit der niedrigsten Energie brechen am wenigsten, während die Wellen mit der höchsten Energie die größte Brechung aufweisen. Das Endergebnis ist eine Dispersion von Licht in einen Regenbogen von Farben.
Regenbogen sind teilweise das Ergebnis der Sonnenlichtbrechung durch einen Regentropfen, der wie ein Prisma wirkt.
Wenn also das Sonnenlicht weiß ist, warum ist dann der Himmel blau?
Die Atome und Moleküle, die Gase in der Atmosphäre enthalten, sind viel kleiner als die Wellenlängen des von der Sonne emittierten Lichts.
Wenn Lichtwellen in die Atmosphäre eintreten, beginnen sie durch Kollisionen mit Atomen und Molekülen in alle Richtungen zu streuen. Dies wird Rayleigh-Streuung genannt, benannt nach Lord Rayleigh.
Die Farbe des Himmels ist das Ergebnis der Streuung ALLER Wellenlängen. Diese Streuung ist jedoch nicht zu gleichen Teilen, sondern zu den kürzeren Wellenlängen stark gewichtet.
Wenn Sonnenlicht in die Atmosphäre eintritt, streuen viele der violetten Lichtwellen zuerst, aber sehr hoch in der Atmosphäre und sind daher nicht leicht zu sehen. Indigofarbene Lichtwellen streuen weiter und können aus großen Höhen wie Düsenflugzeugen gesehen werden, die in normalen Reiseflughöhen fliegen.
Als nächstes streuen blaue Lichtwellen etwa viermal stärker als rote Lichtwellen. Das Streuvolumen durch die kürzeren blauen Lichtwellen (mit zusätzlicher Streuung durch Violett und Indigo) dominiert die Streuung durch die verbleibenden Farbwellenlängen. Daher nehmen wir die blaue Farbe des Himmels wahr.
Wenn der Himmel blau ist, warum sind dann die Wolken weiß?
Im Gegensatz zur Rayleigh-Streuung, bei der die Lichtwellen viel kleiner sind als die Gase in der Atmosphäre, haben die einzelnen Wassertröpfchen, aus denen eine Wolke besteht, eine ähnliche Größe wie die Wellenlänge des Sonnenlichts. Wenn die Tröpfchen und Lichtwellen von ähnlicher Größe sind, tritt eine andere Streuung auf, die als Mie-Streuung bezeichnet wird.
Mie-Streuung unterscheidet nicht einzelne Wellenlängenfarben und streut daher ALLE Wellenlängenfarben gleich. Das Ergebnis ist gleichmäßig gestreutes ‚weißes‘ Licht von der Sonne und daher sehen wir weiße Wolken.
Wolken erscheinen jedoch nicht immer weiß, da Dunst und Staub in der Atmosphäre dazu führen können, dass sie gelb, orange oder rot erscheinen. Und wenn die Wolken dicker werden, nimmt das Sonnenlicht, das durch die Wolke fällt, ab oder wird blockiert, was der Wolke eine graue Farbe verleiht. Wenn kein direktes Sonnenlicht auf die Wolke fällt, kann es die Farbe des Himmels reflektieren und bläulich erscheinen.
Rayleigh und Mie
Einige der malerischsten Wolken treten in der Nähe von Sonnenaufgang und Sonnenuntergang auf, wenn sie in leuchtenden Gelb-, Orangen- und Rottönen erscheinen können. Die Farben resultieren aus einer Kombination von Rayleigh- und Mie-Streuung.
Wenn Licht durch die Atmosphäre strömt, werden die meisten der kürzeren blauen Wellenlängen gestreut, so dass die Mehrheit der längeren Wellen weitergeht. Daher ändert sich die vorherrschende Farbe des Sonnenlichts zu diesen längeren Wellenlängen.
Wenn Licht in die Atmosphäre eintritt, bricht es mit der größten Krümmung seines Weges in der Nähe der Erdoberfläche, wo die Atmosphäre am dichtesten ist. Dies bewirkt, dass sich der Weg des Lichts durch die Atmosphäre verlängert, was eine stärkere Rayleigh-Streuung ermöglicht.
Während sich das Licht weiter durch die Atmosphäre bewegt, werden gelbe Wellenlängen gestreut und hinterlassen orangefarbene Wellenlängen. Eine weitere Streuung der orangefarbenen Wellenlängen lässt Rot als vorherrschende Farbe des Sonnenlichts zurück.
Daher ist die Farbe einer Wolke in der Nähe von Sonnenaufgang und Sonnenuntergang die Farbe des Sonnenlichts, die sie nach Rayleigh-Streuung erhält. Wir sehen, dass die Farbe des Sonnenlichts auf Mei-Streuung zurückzuführen ist, die alle verbleibenden Wellenlängenfarben gleichmäßig streut.
Die Farbe der Wahrnehmung
Manchmal erscheinen Wolken bei direkter Sonneneinstrahlung grau oder dunkelgrau vor einem blauen Himmel oder einem Hintergrund weißer Wolken. Für diesen Effekt gibt es in der Regel zwei Gründe.
- Die Wolken können halbtransparent sein, so dass der blaue Hintergrundhimmel durch die Wolke gesehen werden kann. Dadurch erhält es ein dunkleres Aussehen.
- Ein häufigerer Grund ist, dass der Kontrast zwischen dem Hintergrund (blauer Himmel oder zusätzliche Wolken) und der Vordergrundwolke unsere Sicht überwältigt. Im Wesentlichen werden unsere Augen mit unserer Wahrnehmung von Vordergrundwolken ausgetrickst, die im Verhältnis zur überwältigenden Helligkeit des Hintergrunds dunkel erscheinen.
Dieser letztere Grund ist, warum Sonnenflecken dunkel aussehen. Die Helligkeit der Sonne basiert auf der Temperatur und die Temperatur eines Sonnenflecks ist niedriger als die umgebende Oberfläche der Sonne.
Relativ zur Sonnenoberfläche erscheinen Sonnenflecken ziemlich dunkel. Wenn Sonnenflecken jedoch von der umgebenden Helligkeit isoliert wären, wären sie immer noch zu hell, um sie mit dem ungeschützten Auge zu betrachten. Der Helligkeitskontrast zwischen den beiden bewirkt, dass Sonnenflecken dunkel erscheinen.