A, B oder C? – Auf welche optische Erscheinung tippen Sie?
Das Thema Atmosphäre und damit verbundene optische Erscheinungen taucht immer wieder in Quizshows auf. So auch eine Frage aus der Wissensshow „Wer weiß denn sowas?“ Hätten Sie die richtige Antwort gewusst?
In einer Folge der beliebten Quizshow „Wer weiß denn sowas?“ wurde in der Kategorie ‚Sonne, Mond und Sterne‘ den Kandidaten folgende Frage gestellt: „Was können Astronauten auf der ISS (International Space Station) nicht sehen?“ Die drei Antwortmöglichkeiten waren: A) das Funkeln der Stern, B) das Aufleuchten der Sternschnuppen oder C) die Farben der Polarlichter. Für welche Antwort hätten Sie sich entschieden?
Tatsächlich ist Antwort A) richtig und die Astronauten auf der internationalen Weltraumstation ISS müssen auf den romantischen Glitzereffekt beim Blick in den Sternenhimmel verzichten. Es ist allgemein bekannt, dass Sterne, so wie unsere Sonne, nicht blinken. Warum also nehmen wir an der Erdoberfläche ein Funkeln war und unsere Astronauten draußen im All nicht? Der Grund hierfür liegt – Sie ahnen es vielleicht schon – an unserer Erdatmosphäre.
Auf dem weiten Weg von zig Billionen Kilometern durch das Weltall nimmt das Licht der Sterne zunächst praktisch einen ungehinderten und weitgehend direkten Weg durch ein gigantisches Vakuum. Erst in der Atmosphäre findet eine Lichtbrechung statt, durch die der Lichtweg beeinflusst wird. Obwohl die Atmosphäre durchsichtig ist, verfügt sie keinesfalls über eine gleichmäßige Dichte. An der Oberfläche ist sie dichter, als in den höheren Schichten. Außerdem entstehen durch unterschiedlich temperierte Luftschichten stärkere Temperaturgegensätze und somit Dichteunterschiede. So steigen etwa durch Sonneneinstrahlung erwärmte Luftschichten tagsüber aufgrund von geringerer Dichte auf, kältere hingegen sinken ab. Die untersten Kilometer der Atmosphäre, auch als Grenzschicht bezeichnet, weist Turbulenzen auf.
Physikalisch ist die Luftdichte mit dem Brechungsindex verknüpft. Bei unterschiedlicher Temperatur ändert sich auch der jeweilige Brechungsindex und somit direkt auch die optische Eigenschaft der Atmosphäre. Jedes Mal, wenn die Lichtstrahlen unserer Sterne auf eine Luftschicht unterschiedlicher Dichte treffen, entstehen Lichtablenkungen im Bruchteil einer Sekunde. Da die Luft ständig in Bewegung ist, entsteht bei uns als Beobachter der Eindruck, dass die Leuchtkraft schwankt – was wir als Funkeln oder Flimmern wahrnehmen. In der Astronomie wird diese scheinbare Helligkeitsänderung eines Sterns als Szintillation bezeichnet, abgeleitet vom lateinischen ’scinitillare‘ für funkeln oder flackern. Einen vergleichbaren Brechungseffekt kennt man etwa, wann man schräg über eine heiße Asphaltfläche schaut. Auch dann erzeugt die unterschiedlich temperierte Luft einen verzerrenden Effekt und die Bildpunkte scheinen sich leicht zu bewegen.
Einige Lichtpunkte am Nachthimmel stammen jedoch nicht von Sternen, sondern von Planeten und Monden unseres Sonnensystems. Sie lassen sich mit bloßem Auge von Sternen kaum unterscheiden, ein Funkeln oder Blinken bleibt allerdings so gut wie aus. Zwar läuft auch das Licht der Planeten durch die Dichteunterschiede in der Atmosphäre, allerdings erreicht uns dann nicht nur ein Lichtstrahl sondern ein ganzes Lichtbündel und bei genauer Betrachtung sind sie als winzige Scheiben zu erkennen sind. Bei einer hellen Fläche sind die Helligkeitsschwankungen durch die konstanten Brechungen weniger sichtbar als bei einem winzigen Lichtpunkt, wie einem Stern.
Während für die einen der Blick in den funkelnden Sternenhimmel etwas Romantisches hat, versuchen Astronomen natürlich stets einen möglichst unverzerrten, unverfälschten Blick auf die Himmelsobjekte zu ergattern. Indem man Großteleskope auf hohen Bergen in Regionen mit einer möglichst stabilen Wetterlage installiert, wird das Problem zumindest stark verringert. Bekannte Großteleskope stehen etwa auf dem hawaiianischen Vulkan Mauna Kea sowie auf den nahezu benachbarten Gipfeln des Cerro Amazones und Cerro Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste.
Zusätzlich gibt es da noch die großen Weltraumteleskope, wie das gut bekannte Hubble-Teleskop. Allerdings ist der Gebrauch von solchen Weltraumteleskopen sehr kostspielig. Immerhin profitieren sie von dem außerordentlichen Vorteil, dass das Sternenlicht nicht die Atmosphäre durchbrechen muss. So wie unsere Astronauten auf der ISS blicken sie also in einen ungestörten „flimmerfreien“ Sternenhimmel.
M.Sc.-Met. Sebastian Altnau
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 28.05.2021
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