Sternengeschichten Folge 522: Das atmosphärische Fenster

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Die Fenster bitte offen lassen

Sternengeschichten Folge 522: Das atmosphärische Fenster

In der heutigen Folge geht es um das atmosphärische Fenster. Und da kann man sich gleich mal fragen, was das sein soll. Unsere Atmosphäre ist ja schon durchsichtig, wozu braucht die noch ein Fenster?

Und es stimmt ja: Wenn nicht gerade Wolken den Blick verdecken, dann kann man durch die Atmosphäre hindurch ganz wunderbar in den Weltraum hinaus schauen. Vor allem, wenn es dunkel genug ist und die Lichter der Zivilisation nicht alles überstrahlen. Dann sieht man den Sternenhimmel in all seiner funkelnden Pracht. Und so beeindruckend dieser Anblick auch ist: Tatsächlich ist der Ausdruck "in all seiner Pracht" nicht ganz richtig. Es gibt sehr viel, was wir nicht sehen können und der Grund dafür sind die Atmosphäre und ihre Fenster.

Dazu müssen wir uns zuerst ansehen, was es überhaupt zu sehen gibt und dann einen genaueren Blick auf die Atmosphäre der Erde werfen. Zu sehen gibt es vom Weltraum vor allem elektromagnetische Strahlung. Genaugenommen gibt es für uns Menschen sowieso nix anderes zu sehen als elektromagnetische Strahlung; unsere Augen können nichts anderes sehen als das. "Sehen" ist die Wahrnehmung elektromagnetischer Strahlung. Aber ich sage nicht umsonst so oft "elektromagnetische Strahlung" und nicht einfach nur Licht. Denn das, was wir im Alltag als Licht bezeichnen, ist zwar elektromagnetische Strahlung. Aber nur ein winziger Teil davon. Das Licht, das wir mit unseren Augen sehen können, hat eine Wellenlänge zwischen circa 400 und 700 Nanometern, reicht also von violett, über blaues Licht, grünes Licht, gelb und bis hin zu rotem Licht. Aber was passiert dort, wo die Wellenlänge kleiner als 400 Nanometer oder größer als 700 Nanometer ist? Jede Menge! Wir sehen halt nur nichts davon.

Wird die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung größer als circa 690 Nanometer, dann nennt man diese Art des Licht "Infrarotstrahlung". Das kennen wir natürlich auch; diese Strahlung spüren wir auch, in Form von Wärme - aber wir sehen sie eben nicht mit unseren Augen. Ebenso wenig wie die Mikrowellenstrahlung, die Wellenlängen zwischen einem Millimeter und 10 Zentimetern hat. Wären unsere Augen in der Lage, Strahlung mit einer Wellenlänge im Zentimeterbereich wahrzunehmen, dann würden wir das Innere eines Mikrowellenherds hell strahlen sehen, denn genau diese Art des Lichts wird dort erzeugt und genutzt, um das Essen zu erwärmen. Könnten wir auch Strahlung mit Wellenlängen im Meter oder Kilometerbereich sehen, würden wir uns über das helle Leuchten der Lang- und Kurzwellensender wundern, die Radiowellen mit diesen Wellenlängen aussenden. Im kurzwelligen Bereich geht es genau so weiter. Hinter dem sichtbaren violetten Teil der Strahlung kommt das für uns unsichtbare Ultraviolett, das viele Insekten mit ihre Augen aber ganz wunderbar wahrnehmen können. Für sie leuchten die Blumen in Farben, die wir uns nicht vorstellen können. Und wenn die Wellenlänge nur noch wenige Nanometer beträgt, dann landen wir beim Röntgenteil der elektromagnetischen Strahlung. Die Röntgenstrahlung nutzen wir in der Medizin und wir sehen das Resultat der Untersuchung - aber nicht die Strahlung selbst, wie sie unseren Körper durchdringt.

Kurz gesagt: Es gibt da draußen jede Menge Licht, das unsere Augen nicht wahrnehmen können. Und die Himmelskörper im All leuchten in all diesen Farben, nicht nur in denen, die unsere Augen sehen können. Die aktiven Zentren von Galaxien senden Radiostrahlung aus, Supernova-Explosionen erzeugen Röntgenstrahlung, die interstellaren Gaswolken leuchten im Infrarotlicht, und so weiter. Wenn wir das Universum verstehen wollen, müssen wir alles sehen, was es zu sehen gibt. Na und, könnte man jetzt sagen? Dann bauen wir uns halt entsprechende Detektoren dafür! Genau, und das macht die Wissenschaft auch schon lange.

Es bleibt aber trotzdem noch ein Problem und das ist die Atmosphäre der Erde. Die besteht aus einem Gemisch verschiedenster Gase: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Ozon, und so weiter. Das ist gut, weil wir einen Teil dieser Gase brauchen um atmen und leben zu können. Es ist aber auch schlecht, zumindest für die Astronomie, denn manche dieser Gase wechselwirken auf für uns sehr unangenehme Weise mit elektromagnetischer Strahlung. Bestimmte Moleküle können einen Teil der elektromagnetischen Strahlung absorbieren oder ablenken. Oder anders gesagt: Nicht alles, was vom Weltall kommend auf die Erdatmosphäre trifft, kommt bis zum Erdboden durch. Nehmen wir zum Beispiel die kurzwellige Ultraviolett-Strahlung: Die trifft schon ziemlich bald, in 15 bis 30 Kilometer Höhe über dem Boden auf die Ozonschicht. Ozon ist ein Molekül das aus drei Sauerstoffatomen besteht und das UV-Licht hat genau die richtige Wellenlänge, um von ihm absorbiert zu werden, Die zusätzliche Energie die das Molekül dadurch aufnimmt sorgt dafür, dass es ein Sauerstoffatom abspaltet, dass sich in Folge wieder mit anderen Sauerstoffatomen zu Ozon verbindet. Das bedeutet aber auch, dass dieser Teil der elektromagentischen Strahlung nicht bis zum Erdboden gelangen kann. Was in diesem Fall durchaus ok ist, denn die UV-Strahlung ist schädlich für uns Menschen und es ist gut, dass die Ozonschicht sie für uns abhält. Für die Astronomie ist es aber trotzdem nervig, denn das bedeutet, dass wir vom Boden aus nichts davon sehen können. Wir können nichts von der UV-Strahlung beobachten, die etwa das interstellare Medium aussendet oder der Sonnenwind; nichts von den heißen jungen Sterne, die mit diesem Licht die kosmischen Wolken in ihrer Umgebung beeinflussen, und so weiter.

Ob elektromagnetische Strahlung absorbiert oder gestreut wird und welcher Teil davon es ist, hängt von den jeweiligen Molekülen ab. Wasserdampf zum Beispiel blockiert einen großen Teil der Infrarotstrahlung, ein anderer Teil wird vom Kohlendioxid absorbiert. Fasst man alles zusammen, dann kommt man zu dem etwas deprimierenden Ergebnis, dass es in unserer Atmosphäre eigentlich nur zwei Fenster gibt. Durch eines gelangt das "normale" für unsere Augen sichtbare Licht auf den Erdboden und ein kleiner Teil der Infrarotstrahlung. Und das andere lässt Radiowellen durch. Und deswegen haben wir hier unten auf der Erde optische Teleskope stehen und auch Radioteleskope. Aber keine Infrarotteleskope, Röntgenteleskope oder UV-Teleskope. Die müssen wir ins All schicken und das ist teuer und aufwendig.

Aber immerhin haben wir ein paar Fenster. Die sind wichtig für uns, nicht nur für die Astronomie. Die Sonne leuchtet zwar auch in allen Teilen des elektromagnetischen Spektrums, das Maximum ihrer Strahlung liegt aber dort, wo wir das grüne Licht sehen können, also genau in der Mitte des für unsere Augen sichtbaren Teils. Das ist auch der Grund, warum wir unseren Stern als weiß-gelblich wahrnehmen: Alle Farben des Regenbogens mischen sich und das Resultat ist weiß. Dieser Teil des Lichts ist es auch, den die Pflanzen und Algen für ihre Photosynthese nutzen. Ohne das optische Fenster wäre das Leben auf der Erde in dieser Form nicht möglich. Problematisch für das Leben ist dagegen ein anderes Fenster. Oder besser gesagt: Das, was wir damit machen. Ich habe gerade gesagt, dass die Sonne den Großteil ihrer Energie im sichtbaren Teil des Spektrums abgibt. Was super ist, denn dieses Fenster ist ja offen und dadurch kommt diese ganze Energie auch zu uns auf den Erdboden. Sie bleibt aber nicht dort, sondern wird zumindest zum Teil wieder ins All reflektiert. Jetzt ist die Erde aber kein Spiegel und das, was reflektiert wird, ist nicht das ursprüngliche Sonnenlicht. Die Erde wärmt sich durch die Sonnenenergie auf und sie gibt einen Teil der Wärme in Form von Wärme- also Infrarotstrahlung ab.

Die Erde leuchtet also im Infrarotlicht und zum Glück gibt es auch ein kleines Infrarotfenster in der Atmosphäre. Ein großer Teil der Infrarotstrahlung kommt nicht durch, aber ein Teil schon und das ist wichtig. Denn nur weil die Erde in der Lage ist, ein bisschen was von der aufgenommenen Wärme wieder ins All hinaus abzugeben, wird es bei uns nicht zu heiß. Wäre das Infrarotfenster geschlossen, dann würden wir bald lebensfeindlich hohe Temperaturen haben. Und leider sind wir gerade dabei, genau das zu tun. Wir setzen immer mehr Treibhausgase frei, also Gase wie Methan oder Kohlendioxid, die genau die Art von Molekülen sind, die Infrarotstrahlung absorbieren. Wir hängen also quasi eine Decke vor unser Fenster und das Resultat ist die deutlich messbare Erwärmung der Erde.

Die Atmosphäre hat sowieso schon so wenig Fenster. Das meiste von dem, was draußem im All passiert, können wir von hier unten nicht sehen. Allein deswegen und nicht nur wegen der Klimakrise sollten wir die Fenster so gut wie möglich offen halten.

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