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Sonnenlicht sieht weiß aus, aber darin stecken alle Farben des Regenbogens. Auf dem Weg durch die Luft wird das Blau viel stärker hin und her geschubst als die anderen Farben. Darum kommt es aus allen Ecken des Himmels bei deinen Augen an, und der Himmel sieht blau aus.

Weißes Sonnenlicht ist eine Mischung aus Farben, und jede Farbe hat ihre eigene Wellenlänge: kurz bei Blau, lang bei Rot. Die Moleküle in der Luft lenken kurze Wellenlängen viel stärker ab. Das nennt man Streuung: Blaues Licht wird in alle Richtungen gestreut und füllt den ganzen Himmel.

Das ist Rayleigh-Streuung. Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle sind viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts und streuen es umso stärker, je kürzer die Welle ist: Blau (um 450 nm) viel stärker als Rot (um 700 nm). Violett würde noch stärker gestreut, aber die Sonne strahlt weniger davon ab, und unsere Augen sind dafür wenig empfindlich. Bei Sonnenuntergang durchquert das Licht viel mehr Luft, verliert unterwegs sein Blau, und die Rottöne bleiben übrig.

Für Streuzentren, die viel kleiner als λ sind, skaliert der Rayleigh-Streuquerschnitt mit λ⁻⁴: Zwischen 450 und 700 nm wird Blau etwa 5,9-mal stärker gestreut als Rot. Das Himmelsspektrum ist das Sonnenspektrum, gewichtet mit λ⁻⁴ und mit der optischen Dicke entlang der Sichtlinie; bei Sonnenuntergang schwächt der längere optische Weg den Blauanteil ab. Das Streulicht ist außerdem polarisiert, am stärksten im Winkel von 90° zur Sonne – deshalb dunkelt ein Polfilter den Himmel ab.

In der Dipolnäherung beträgt der Streuquerschnitt pro Molekül σ(λ) = (8π/3)·k⁴·|α|² mit k = 2π/λ, korrigiert um die Dispersion des Brechungsindex und um den King-Faktor (≈1,05 für Luft), der die molekulare Anisotropie berücksichtigt. Das gestreute Spektrum steigt zu kurzen Wellenlängen hin an, doch der wahrgenommene Farbton ergibt sich erst aus der Integration mit den CIE-Spektralwertfunktionen: Die geringe Empfindlichkeit des Auges unterhalb von 450 nm verschiebt ihn von Violett zu Blau. Strahlungstransportmodelle berücksichtigen zusätzlich Mehrfachstreuung und die Mie-Extinktion durch Aerosole, die den Himmel zum Horizont hin entsättigt.