Das Gelbe-Sonne-Paradox

Wer hat als Kind nicht Bilder gemalt, auf denen die Sonne zu sehen war – als runder Ball mit lächelndem Gesicht, umgeben von einem Kranz aus Lichtstrahlen? Welche Farbe hatte die Sonne auf euren Bildern? Wenn die Antwort “gelb” ist, geht es euch wie mir – auch meine Sonnen waren stets gelb. Warum eigentlich? Ist die Sonne wirklich gelb?

Die Sonne ist gelb. Oder nicht?
Die Sonne ist gelb. Oder nicht?

Nein, die Sonne ist nicht gelb oder golden, sondern weiß – Sonnenlicht ist sogar die Definition von Weiß schlechthin. Welche Farbe hat ein weißes Blatt Papier, wenn man es im Licht der Mittagssonne betrachtet? Weiß. Welche Farbe haben Häufchenwolken an einem sonnigen Nachmittag? Weiß. Wäre die Sonne gelb, wären auch Wolken gelb, oder der Schnee im Winter. Eine merkwürdiger Anblick.

Warum nehmen dennoch die meisten Menschen die Sonne gelb wahr? Das hat schon etliche Autoren beschäftigt, wie eine kurze Google-Suche belegt. Die meisten geben eine Standardantwort, die richtig, aber meiner Meinung unvollständig ist. Manche Erklärungen sind falsch. Und ein Artikel, den ich gefunden habe,  geht dem “Gelbe-Sonne-Paradox” auch experimentell auf den Grund.

Was also macht die Sonne gelb? Fangen wir vorne an.

Sonnenlicht enthält Photonen, also “Lichtteilchen” aller Wellenlängen und damit aller Farben. Allerdings kommen nicht alle Photonen und damit alle Farben gleich häufig vor. Blau-Violett und Rot sind seltener, Grün am häufigsten. Dennoch sehen wir die Sonne nicht grün. Das liegt daran, dass Grün etwa in der Mitte des wahrnehmbaren Farbspektrums liegt: Es gibt deshalb im Sonnenlicht jede Menge Photonen mit kürzeren und längeren Wellenlängen. Diese mischen miteinander, und die Mischung aller Farben von Rot bis Violett ergibt Weiß.

(Ein falsche Erklärung geht so: Aus dem “grünen” Photonenmaximum des Sonnenlichts macht unser Gehirn “Gelb”, so dass die Sonne “weiß-gelb” aussieht. Nein – Sonnenlicht ist perfekt weiß!)

Bevor wir das Sonnenlicht sehen, muss es durch die Erdatmosphäre. Und da wird es (mal wieder) spannend. Denn die Photonen kollidieren mit den Molekülen der irdischen Lufthülle und ändern dabei ihre Bewegungsrichtung. “Streuung” ist der physikalische Fachbegriff. Die Kollisionswahrscheinlichkeit ist nicht für alle Photonen gleich. Sie steigt an, je kürzer die Wellenlänge der Lichtteilchen ist: Blaue Photonen werden am häufigsten gestreut, rote am seltensten.

Wenn das Sonnenlicht unsere Augen schließlich erreicht, hat es je nach Sonnenstand einen mehr oder weniger langen Weg durch die Atmosphäre zurückgelegt. Ein mehr oder weniger großer Teil der blauen Photonen wurde dabei “weggestreut”. Das gestreute blaue Sonnenlicht sorgt einerseits dafür, dass der Himmel blau erscheint. Und da dieses blaue Licht nun andererseits dem eigentlichen Sonnenlicht fehlt, verschiebt sich dessen Farbe ein wenig zu längeren Wellenlängen – also ins Gelbe. Das ist die erwähnte Standarderklärung. Sie ist richtig, aber nicht ganz vollständig. Denn der Anteil des gestreuten Lichts ist nicht sehr groß, so lange die Sonne hoch am Himmel steht.

Steht die Sonne hoch am Himmel (wie hier an einem Winternachmittag), reicht die Lichtstreuung in der Erdatmosphäre nicht aus, um ihre Farbe merklich zu verschieben. Sie leuchtet weiß - ist aber zu hell, als dass man sie direkt anschauen könnte.
Steht die Sonne hoch am Himmel (wie hier an einem Winternachmittag), reicht die Lichtstreuung in der Atmosphäre nicht aus, um ihre Farbe merklich zu verschieben. Sie leuchtet weiß – ist aber zu hell, als dass man sie direkt anschauen könnte. Der weiße Schnee ist aber ein untrügerisches Zeichen dafür, dass auch das Sonnenlicht weiß ist!

(Eine andere falsche Erklärung behauptet, dass die gelbe Sonne nur eine optische Täuschung sei: Weil der Himmel blau ist, und Blau die Komplementärfarbe von Gelb ist, meinten wir nur, die Sonne erschiene gelb. Aber erstens erscheint ein weißer Kreis vor einem blauen Hintergrund nicht automatisch gelb, wie man selbst ausprobieren kann (zumindest ich sehe ihn weiterhin als weiß), und zweitens müssten ja dann auch die weißen Wolken vor dem blauen Himmelshintergrund gelblich erscheinen. Tun sie aber nicht.)

Der Lösung nähern wir uns, in dem wir uns fragen wann wir die Sonne den überhaupt sehen – im Sinne von “direkt ansehen“. So lange sie Mittags hoch am Himmel steht, ist es absolut nicht ratsam, direkt in die Sonnenscheibe zu blicken. Sie ist viel zu hell. Heißt: Den größten Teil des Tages können wir gar nicht wissen, welche Farbe die Sonne hat – wir können ihr nämlich gar nicht ins Gesicht schauen.

Erst, wenn sie am späten Nachmittag (oder am frühen Vormittag) tief genug steht, dass ihr Licht durch die Wirkung der Erdatmosphäre ausreichend abgeschwächt ist, können wir einen kurzen Blick riskieren. Dann hat die Streuung bereits einen stattlicheren Teil des Blaulichts entsorgt, und die Sonne wirkt tatsächlich gelb. Steht sie sehr tief über dem Horizont, geht ihre Farbe sogar ins Rot-Orange über.

Steht die Sonne tief über dem Horizont, macht sich der Effekt der Lichtstreuung bemerkbar: Die Sonne bekommt einen erst schwachen, dann immer stärkeren Gelbtton. Glichtzeitig wird ihr Licht abgeschwächt, so dass man einen kurzen Blick riskieren kann.
Steht die Sonne tief über dem Horizont, macht sich der Effekt der Lichtstreuung bemerkbar: Die Sonne bekommt einen erst schwachen, dann immer stärkeren Gelbtton. Gleichtzeitig wird ihr Licht abgeschwächt, so dass man einen kurzen Blick riskieren kann.

Der Optikingenieur Stephen R. Wilk hat diese Theorie vor einigen Jahren einem Stresstest unterzogen. Dazu hat er die Änderung der Farbwahrnehmung eine ursprünglich reinweißen Lichtquelle bei zunehmender Streuung modelliert. Wie er in der Zeitschrift Optics & Photonics News (März 2009) berichtet, entspricht das Ergebnis genau der oben beschriebenen Erwartung: Sobald seine Modellsonne soweit gesunken war, dass man einen flüchtigen Blick riskieren könnte, erschien sie gelb. Und sie blieb bei dieser Farbe, bis kurz vor ihrem künstlichen Untergang. Dann schwenkte ihre Farbe durch die rasch ansteigende Atmosphärendicke rapide von Gelb nach Rot.

Fazit: Das Paradox der Gelben Sonne ist einerseits ein Effekt der Lichtstreuung in der Erdatmosphäre. Diese raubt dem Sonnenlicht einen Teil seiner blauen Farbe und verschiebt seinen Farbschwerpunkt von Weiß nach Gelb. Es hat aber auch entscheidend damit zu tun, dass wir die Sonne nur ansehen können, wenn sie tief genug am Horizont steht – dort, wo man die Farbe auch wahrnehmen kann. So lange die Sonne hoch am Himmel steht, strahlt sie weiß – und normalerweise viel zu hell, um sie direkt anzuschauen.

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