Luft/Lichtstreuung

Rayleigh-Streuung in der Atmosphäre führt zu blauem Himmel und gelber bis roter Sonne

Einführung: Lichtstreuung

Die in Luft vorkommenden Gasmoleküle (Stickstoff, Sauerstoff usw.) streuen die einfallenden und unterschiedlichen Lichtwellen/-teilchen des Sonnenlichtes verschieden stark (Rayleigh-Streuung). Am stärksten wird das kurzwellige blaue Licht gestreut. Dieser Vorgang gibt der Luft ihre typischerweise natürliche blaue Farbe, ein teil-polarisiertes Muster. Ist der Weg des Lichtes durch die Luft länger, verschiebt sich die Streuung zu einem rötlichen Farbton hin. Dies hängt vom Sonnenlichteinfallswinkel ab. Steht die Sonne im Zenit (direkt über dem Betrachter −90° zum Boden), durchläuft das Licht die Erdatmosphäre auf einer Länge von 90 km. Während eines Sonnenaufgangs /-abgangs steht die Sonne am Horizont (in horizontaler Augenlinie des Betrachters −0° zum Boden) und durchquert die Atmosphäre mit einer ca. 12-fachen Länge (ca. 1075 km). Mit fortschreitender Strecke des Lichtes durch die Atmosphäre wird der blaue vom roten Lichtanteil überlagert, da der Blauanteil immer mehr gestreut wird und der rote Anteil wegen seiner größeren Wellenlänge weniger stark gestreut wird. Dieser atmosphärische Effekt ist nur bei wolkenlosem Horizont morgens kurz vor Sonnenaufgang und abends kurz nach Sonnenuntergang zu beobachten. Er wird als Morgenröte bzw. Abendrot bezeichnet und reicht in den Farbabstufungen von leichtem Rosa bis Lila über Vollrot zu tiefem Orange.

Abgesehen von elastischer Streuung der Photonen ist in der Atmosphäre auch inelastische Streuung zu beobachten: Rotationsramanstreuung führt zu einer Umverteilung in den Energien der eintreffenden Strahlung innerhalb von einigen 10 cm⁻¹ und führt somit zu einem „Auffüllen“ der Fraunhoferlinien, den sogenannten Ring-Effekt. Bei einer spektralen Auflösung von 0,5 nm führt dieser Effekt zu optischen Dicken von typischerweise bis zu 2 %, wenn Himmelsstreulicht verschiedener Sonnenstände verglichen wird. Dieser Effekt muss in verschiedenen DOAS Fernerkundungsmethoden zur Messung von Spurengasen korrigiert werden.

Weiterhin kann Vibrationsramanstreuung an Luftmolekülen die Wellenzahl der eintreffenden Photonen von 1550 cm⁻¹(O₂) und 2330 cm⁻¹(N₂) verschieben und somit ein wellenlängenverschobenes Abbild des Sonnenlichts über das beobachtete Sonnenlicht legen. Seine Intensität beträgt bis zu 0,04 % der ursprünglichen Intensität.

Aufgabenstellung

• Mit welchen Messinstrumenten kann man eine Analyse der Lichtspektrums vornehmen? Was wären die erwarteten Ergebnisse für den Lichtspektrum am Morgen bzw. am Abend?