Wellenpakete und Zapfen

Warum der Himmel blau ist und der wahre Blaublüter kriecht
Regentropfen in der Erdatmosphäre brechen das Licht von blau bis rot. Foto: dpa/Robert Perdok
Regentropfen in der Erdatmosphäre brechen das Licht von blau bis rot. Foto: dpa/Robert Perdok
Die Erde ist ein blauer Planet - nicht nur vom Weltall aus gesehen. Auch auf seiner Oberfläche finden sich zahlreiche blaue Phänomene. Und Menschen, die blau besonders gut wahrnehmen. Warum das so ist, erläutert der Wissenschaftsjournalist Reinhard Lassek.

Von außen betrachtet ist die Erde zunächst nichts weiter als ein winziger blauer Punkt in den unermesslichen Weiten des Universums. Bereits dieses Detail unserer Existenz ist so ungeheuerlich schön und rätselhaft, dass alles andere dagegen zu verblassen droht. Und dennoch, wer bereit ist, sich auf eine naturwissenschaftliche Exkursion ins Blaue einzulassen, sollte auf manch weiteres blaues Wunder gefasst sein. Schließlich entfaltet das Blaue seine faszinierende Leuchtkraft immer erst aufgrund einiger ganz besonderer physikalischer, chemischer und biologischer Gegebenheiten.

Warum nehmen wir überhaupt irgendetwas als "blau" oder auch als "nichtblau" wahr? Aus physikalischer Sicht liegt dieser so alltägliche und dennoch so bemerkenswerte Umstand vor allem in der Natur der so genannten elektromagnetischen Strahlung begründet. Elektromagnetische Wellen - etwa auch das für uns sichtbare Licht - entstehen infolge einer Koppelung von elektrischen und magnetischen Feldern. Die jeweilige Farbe des Lichts wird dabei eigentlich durch die Frequenz bestimmt, also der periodischen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenpakete pro Sekunde. Doch aus historischen Gründen und auch der besseren Anschaulichkeit halber werden Eigenschaften des Lichts auch weiterhin vorzugsweise durch die jeweilige Wellenlänge charakterisiert.

Das sichtbare Licht stellt jedenfalls nur einen verschwindend geringen Teil des elektromagnetischen Spektrums dar. Wer etwa auf Mittelwelle Radio hört, empfängt immerhin Wellen von bis zu einem Kilometer Länge. Wer sich hingegen röntgen lassen muss, wird einer Strahlung unterhalb des Nanometer-Bereichs ausgesetzt - also Wellenlängen unter einem Milliardstel Teil eines Meters. Das äußerst schmale Band sichtbaren Lichts, eingebettet zwischen dem Infrarot und Ultraviolett, liegt mit Wellenlängen von etwa 380 bis 780 Nanometern somit halbwegs in der Mitte des wahrlich gewaltig breiten elektromagnetischen Spektrums. Gibt man nun anstatt der Wellenlängen die Frequenzen an, so bewegt sich das sichtbare Licht zwischen 789 bis 384 Terahertz. Unser Auge hat somit Lichtpakete zu verarbeiten, die mit rund einer Billion Zyklen pro Sekunde eintreffen.

Längerer Weg am Abend

Elektromagnetische Strahlung benötigt im Gegensatz etwa zu Schallwellen keinerlei Medium, um sich auszubreiten. Im Vakuum erreichen elektromagnetische Wellen Lichtgeschwindigkeit. Unser Sonnenlicht ist also mit nahezu 300.000 Kilometern pro Sekunde unterwegs. Und da die Sonne rund 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist, benötigt jeder Sonnenstrahl rund acht Minuten, um auf Erden einzutreffen. Ein Medium wie die Erdatmosphäre vermag nun allerdings das Licht abzubremsen oder zu streuen. An einem Regenbogen können wir dann die Zerlegung des weißen Lichts aufgrund der so genannten Rayleigh-Streuung bestaunen. Die Regentropfen in der Atmosphäre wirken nämlich wie ein Prisma. Sie streuen das weiße Licht, so dass alle Spektralfarben vom hoch energetischen Blau bis zum energiearmen Rot getrennt wahrgenommen werden können.

Ein wolkenloser Mittagshimmel erscheint uns nur deswegen so unvergleichlich blau, weil bei hohem Sonnenstand das Licht nur eine kurze Wegstrecke durch die Atmosphäre zurücklegen muss. Vom Mittagslicht erreicht uns daher vor allem das kurzwellige, energiereiche blaue Licht. Bei der Abendsonne hingegen wird das Licht wegen des längeren Wegs vor allem im energiearmen, roten Bereich des Spektrums gestreut. Das himmelblaue Meer am weißen Strand indes, jenes allerseits so geliebte Postkartenidyll, beruht auf der Reflexion des himmlischen Azur auf der Wasseroberfläche.

Auch wenn Farben rein physikalisch über Wellenlängen oder Frequenzen definiert sind: Für unsere individuelle Farbwahrnehmung spielen die anatomischen Feinstrukturen des Auges sowie die biochemischen Prozesse in den jeweiligen Farbrezeptoren eine entscheidende Rolle. Es gilt zudem zu beachten, dass jede Sinneswahrnehmung vor allem eine Funktion des Hirns ist. Nicht das Auge, sondern das Hirn ist unser eigentlicher visueller Wahrnehmungsapparat. Erst die dem Auge nachgeschalteten Hirnstrukturen machen aus der Vielzahl ankommender Lichtreize eine subjektive Farbwahrnehmung.

Die blaue Sonne

Während das Rhodopsin, wegen seiner Farbe auch Sehpurpur genannt, in den so genannten Stäbchen der Netzhaut (Retina) für das Hell-Dunkel-Sehen zuständig ist, beruht das Farbensehen auf drei Ausprägungen eines anderen Sehpigments - des Iodopsins, auch Jodopsin genannt. Das Iodopsin ist in den so genannten Zapfen der Netzhaut lokalisiert. Drei Typen von Iodopsin-Zapfen gibt es: einen Blau-, einen Grün- sowie einen Rotrezeptor. Alles, was wir an Farbeindrücken wahrnehmen, wird uns durch Reizantworten dieser drei Rezeptoren vermittelt. Die Zapfen, die gerade am meisten aktiviert sind, bestimmen jeweils auch die momentane Farbwahrnehmung. Kommt es zu einer weitgehend ausgeglichenen Reizung aller drei Zapfentypen, verschiebt sich unsere Farbwahrnehmung ins Graue bis Weiße.

In der menschlichen Netzhaut sind 120 Millionen Stäbchen und sechs Millionen Zapfen an der Lichtverarbeitung beteiligt. Und das Ergebnis dieser enormen Kooperationsleistung unserer Sehzellen kann sich wahrlich sehen lassen: Wir sind in der Lage, rund zwei Millionen Farbnuancen zu unterscheiden. Der Anteil blauempfindlicher Zapfen beträgt übrigens nahezu zwölf Prozent. Da die Blauanteile des Lichts im elektromagnetischen Spektrum ein besonders schmales Band einnehmen, müssen jene Sehzellen, die für die Blau-Rezeption zuständig sind, auch von besonderer Empfindlichkeit sein.

In der Tat: Wir können Blautöne besonders gut wahrnehmen. Zudem betrifft eine Farbfehlsichtigkeit nur sehr selten die Blaurezeption. Zumeist können wir sehr genau zwischen Blau oder Violett unterscheiden. Es gibt daher auch keine ausgesprochenen Mischtöne von Blau und Violett. Äußerst empfindlich reagiert unser Auge auf etwaige Rotanteile im Blau. Rotstichige Blautöne wie etwa das Ultramarinblau empfinden wir gemeinhin als warmes Blau - blaustichige Rottöne hingegen als kühles Rot.

Einen blauen Himmel kennt jeder. Doch nur die wenigstens Menschen dürften jemals eine blaue Sonne erlebt haben. Dieses extrem seltene Phänomen beruht auf ganz besonderen Streuungsvorgängen an den Aerosolteilchen in der Atmosphäre. Ein als "Mie-Streuung" bezeichneter Effekt sorgt dafür, dass unsere Sonne anstatt gelb auf blauem Grund nunmehr kräftig blau auf gelben Grund erscheint.

Farbe vorgetäuscht

Wenn auch keineswegs so selten wie eine blaue Sonne, so bilden Pflanzen und Tiere mit blauen Farbanteilen mehr oder weniger doch eine Minderheit. Es wäre dennoch relativ leicht, von der Blaualge über die Blaue Koralle bis hin zum Blauwal eine blaue Liste bedrohter Arten anzulegen. Die Liste blaublühender Gartenblumen wäre allerdings ungleich länger.

Im Tierreich jedenfalls sind blaue Pigmente selten. Das gilt vor allem für Wirbeltiere. Was uns da alles an Blau begegnet, ist oftmals gar keine Farbe im engeren Sinne, sondern nur eine Struktur, die Farbe gewissermaßen vortäuscht. Streuungseffekte können also Pigmente ersetzen. So sorgen vielschichtige Nanostrukturen - etwa bei manchen Käfer- und Schmetterlingsarten sowie bei den Kolibris - für besonders prachtvoll schillernde Farbeindrücke. Manche Schmetterlinge, Libellen, aber auch Pfaue, Fasanen und Papageien weisen noch weitaus komplexere Nanostrukturen auf. Eine bestimmte Verteilung winziger Nano-Streuzentren sorgt dann dafür, dass bei der Lichtstreuung jeweils immer nur Farbnuancen aus der Nähe des Himmelblaus realisiert werden.

Rötlich bei Vollmond

Übrigens, blaues Blut gibt es nicht nur als Redewendung, um auf eine adelige Abstammung hinzuweisen. Schließlich sind bei jedem hellhäutigen Menschen, dessen Venen etwas tiefer liegen, bläuliche Adern erkennbar. Aber hier wirkt das rote Blut nur deshalb blau, weil der rote, langwellige Anteil des Lichts deutlich tiefer in das Gewebe einzudringen vermag und daher vom Blut absorbiert wird. Der blaue, kurzwellige Anteil des Lichtes hingegen dringt kaum in das Gewebe ein, sondern wird von der hellen Haut reflektiert. Wer unbedingt wirklichen Blaublütern begegnen will, sollte sich besser mit Krebsen und Spinnen beschäftigen, aber auch mit bestimmten Arten von Insekten und Weichtieren. Bei manchen Arten ist nämlich der Sauerstoff nicht ans rote, eisenhaltige Hämoglobin gebunden, sondern ans kupferhaltige Hämocyanin. Das sauerstofffreie Hämocyanin ist dabei zunächst noch farblos. Erst über den gebundenen Sauerstoff bekommt das Blut dann seine blaue Färbung.

Die Farbempfindlichkeit unserer Augen schwankt übrigens, da sie gleich von drei einander sich überlagernden Perioden bestimmt wird: Es lässt sich eine Tages-, Jahres- und sogar eine Mondrhythmik nachweisen. An Tagen unter Vollmondeinfluss ist das menschliche Auge beispielsweise für rot sensibler als für blau. Und das gilt selbst für Versuchspersonen, die unter Laborbedingungen keinerlei Kenntnis davon erhalten, in welcher Phase sich die Mondumlaufbahn gerade befindet.

Blickt man von unserem schönen blauen Planeten nur weit genug über den Mond hinaus, so lassen sich so genannte blaue Riesen entdecken, Sterne, die das zehn- bis fünfzigffache der Sonnenmasse aufweisen. Zudem existieren Milliarden Lichtjahre von uns entfernt rätselhafte blaue Galaxien. Der im Universum allgegenwärtige Wasserstoff sorgt dafür, dass die so genannte Absorbtionskante das Licht aus diesen fernen Welten fast bis an den blauen Rand des sichtbaren Spektrums rückt.

All das Blau im Himmel wie auf Erden sollte uns jedenfalls ein Anlass zum Staunen und Nachdenken sein. Am besten geeignet dafür ist vielleicht die Zeit unmittelbar nach Sonnenuntergang - jene blaue Stunde des Tages, die unsere Dichter und Denker seit je her zu melancholischen Betrachtungen inspiriert hat.

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Reinhard Lassek

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