Rayleigh-Streuung

Die Rayleigh-Streuung ist die Ursache der Luftperspektive

Die Rayleigh-Streuung verursacht den blauen Farbton des Himmels am Tag und die Rotfärbung der Sonne, wenn sie unter- oder aufgeht.

Auch die zunehmende Mondsichel erscheint rötlich, wenn sie nur wenige Grad über dem Horizont steht. Das Mondlicht gelangt nun erst nach einer längeren Passage von über 200 Kilometern durch die Erdatmosphäre zum Beobachter.

Die Rayleigh-Streuung, benannt nach dem britischen Physiker Lord Rayleigh (1842 - 1919), ist ein Schlüsselphänomen in der Physik, insbesondere in der Optik. Sie beschreibt die Streuung von elektromagnetischer Strahlung, wie Licht, durch Partikel, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge der Strahlung. Dieser Effekt wurde erstmals in den 1870er Jahren von Lord Rayleigh beschrieben und hat weitreichende Bedeutung in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen.

Die Entdeckung der Rayleigh-Streuung geht zurück auf Experimente von John Tyndall in den 1860er Jahren, als er feststellte, dass Licht, das durch nanoskopische Partikel gestreut wird, einen bläulichen Farbton annimmt. Dieses Phänomen war auch eine Erklärung für die blaue Farbe des Himmels und für das Morgenrot und Abendrot. Rayleigh selbst entwickelte eine quantitative Theorie dazu, wie Licht durch kleine Partikel gestreut wird, wobei er die elektromagnetische Natur des Lichts, wie von James Clerk Maxwell beschrieben, nutzte.

Das Schlüsselmerkmal der Rayleigh-Streuung ist, dass die Intensität des gestreuten Lichts umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge ist. Das bedeutet, dass kürzere Wellenlängen (wie Blau und Violett) stärker gestreut werden als längere Wellenlängen (wie Rot). Dies erklärt, warum der Himmel blau erscheint: Das Sonnenlicht wird in der Atmosphäre gestreut, wobei die kürzeren blauen Wellenlängen effektiver gestreut werden und den Himmel blau färben.

Rayleigh gab damit eine rein mechanistische Erklärung für die von Goethe in seiner Farbenlehre genannten Urphänomene der Chromatik, die sich auf den gesetzmäßigen Zusammenhang der beobachteten Phänomene beschränken, ohne diesen eine theoretische Deutung unterlegen zu wollen. Das qualitative Element steht im Vordergrund. Die Sinnesqualitäten selbst, die bei der herkömmlichen naturwissenschaftlichen Methode als vorgeblich rein subjektive Erscheinungen aus der wissenschaftlichen Theorienbildung völlig ausgeklammert werden, rücken bei Goethe gerade in den Mittelpunkt der naturwissenschaftlichen Betrachtung.

Interessanterweise wird die Rayleigh-Streuung nicht nur durch die Partikelgröße, sondern auch durch deren Polarisierbarkeit bestimmt. Die Polarisierbarkeit ist ein Maß dafür, wie leicht die elektrische Ladungsverteilung innerhalb eines Partikels durch ein externes elektrisches Feld (wie das von Lichtwellen) verzerrt werden kann. Dieser Aspekt der Rayleigh-Streuung ist besonders relevant für das Verständnis der Wechselwirkung von Licht mit Gasen in der Atmosphäre.

Die Rayleigh-Streuung spielt auch eine wesentliche Rolle in der optischen Kommunikation, insbesondere bei der Ausbreitung von Licht durch Faseroptiken. Sie beeinflusst die Signalstärke und -qualität in optischen Übertragungssystemen, indem sie zu einer geringfügigen Streuung und damit zu Signalverlusten führt.

Literatur

•  Hans-Georg Grothues, Josef Gochermann: The influence of the Pinatubo eruption on the atmospheric extinction at La Silla. In: The Messenger. 68, 1992, S. 43–44.
• Hans K. Paetzold: Ein Beitrag zur atmosphärischen Extinktion. In: Astronomische Nachrichten. Bd. 281, 1952, S. 17–22, doi:10.1002/asna.19522810106.
• Horst Stöcker (Hrsg.): Taschenbuch der Physik. Formeln, Tabellen, Übersichten. 3., völlig überarbeitete und erweiterte Auflage. Deutsch, Thun u. a. 1998, ISBN 3-8171-1556-3.