Klares Wetter und ein wolkenloser Himmel sind gute Voraussetzungen, in der Abenddämmerung den „Erdschatten“ zu sehen. Das Foto wurde kurz nach Sonnenuntergang in Barstow CA, USA (Mojave-Wüste) aufgenommen – Blickrichtung Osten. Der Erdschatten ist das violett-blau-graue Band über dem Horizont, sein oberer, rosarot gefärbter Rand der Widerschein des rot gefärbten Himmels in der Umgebung der im Westen untergegangenen Sonne. Dieser rötliche Gegendämmerungsstreifen wird auch „Gürtel der Venus“ genannt1. Es gibt bessere Fotos dieser Art, den Wettbewerb um das schönste überlasse ich anderen. Hier geht es um die Physik dieser Himmelserscheinung – um neuere Messungen, die der bisherigen Lehrmeinung möglicherweise widersprechen2.
Die zurzeit allgemein vertretene Theorie des Erdschattens entnimmt man beispielsweise einem Artikel von C. Stick3. Hier eine kurze Zusammenfassung: Der „Erdschatten“ ist nicht, wie das Wort vermuten lässt, der geometrische Schatten der Erdkugel, sondern der Schatten der darüber liegenden Atmosphäre – genau genommen, der Ozonschicht in der unteren Stratosphäre. Ozon absorbiert nicht nur UV-Licht, sondern auch sichtbares Licht in einem mittleren Bereich von Farben, mit einem Maximum im roten und gelben Teil des Spektrums. Verantwortlich dafür sind breite, nach Chappuis benannte Absorptionsbanden4. Die Absorption im sichtbaren Spektralbereich ist schwach und macht sich am Tage nicht bemerkbar. Wenn die Sonne jedoch gerade untergegangen ist, treten ihre Strahlen streifend in die Atmosphäre ein und legen in ihr einen langen Weg zurück. Der reicht aus, um einen großen Anteil des rot-gelben Lichts zu absorbieren und damit vorwiegend blaues Licht hindurch zu lassen. Es wird, wie auch das rote Licht der gerade untergegangenen Sonne, in unser Auge zurückgestreut. Für die Rückstreuung sorgen Aerosoltropfen, die im unteren Teil der Atmosphäre auch bei geringer Luftfeuchtigkeit in ausreichender Zahl vorhanden sind. Die Aerosoltropfen sind in etwa gleich groß oder größer als die Wellenlänge des Lichts und verändern die Farbe des gestreuten Lichts nicht (Mie-Streuung). Sie wirken wie eine Projektionsleinwand5, auf der wir das Himmelsgeschehen verfolgen.
Die Chappuis-Absorption ist im Übrigen auch der Grund für die tiefblaue Farbe des Dämmerungshimmels, die man noch lange nach Sonnenuntergang beobachtet („Blaue Stunde“). Sie unterscheidet sich vom Blau des (wolkenlosen) Himmels, das man tagsüber wahrnimmt. Dieses entsteht durch Rayleigh-Streuung an den Luftmolekülen der Atmosphäre.
Soweit die bisher gängige Erklärung des „Erdschattens.“ Für mein bescheidenes Verständnis von atmosphärischer Optik erscheint sie plausibel. Deshalb meine Überraschung, dass sie aufgrund neuerer Messungen nicht mehr haltbar sein soll. Gemeint sind Messungen von Lee2, nach denen die Strahlung aus den Bereichen des Erdschattens, des Venus-Gürtels und des Himmels drüber (noch höhere Elevation) dieselbe spektrale Verteilung hat. Lee beschreibt auch Rechnungen dazu, die eine „vorläufige Erklärung“ für die unterschiedliche Farbwahrnehmung ergeben6.
Anmerkungen
1 Engl. antitwilight arch (Gegendämmerungsstreifen) und belt of Venus.
2 Raymond L. Lee: Measuring and modeling twilight’s Belt of Venus, Applied Optics 54, B194-B203 (2015), https://doi.org/10.1364/AO.54.00B194
3 C. Stick, Der Erdschatten, die Morgen- und Abendröte und der grüne Strahl (2011),
www.uni-kiel.de/med-klimatologie/pdftexte/Erdschatten.pdf
4 Abbildung 3 in C. Stick, Erdschatten …3)
5 eine m. E. sehr anschauliche Beschreibung der Aerosolfunktion, aus C. Stick, Erdschatten …3)
6 Raymond L. Lee: „A second-order scattering model that includes extinction by aerosols and ozone provides some preliminary radiative transfer explanations of these twilight features’ color and brightness“, a.a.O.