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Freistetters Formelwelt: Lebenswichtig, aber lästig

Die Atmosphäre der Erde ist eigentlich eine ziemlich gute Sache. Aus astronomischer Sicht stört sie aber.
Die Welt von oben

Der nächtliche Blick zum Himmel kann erhebend sein. Vorausgesetzt, er findet nicht in einer hell erleuchteten Metropole statt. Und Wolken sollten den Blick auf die Sterne natürlich ebenso wenig verstellen. Doch selbst wenn es buchstäblich sternenklar ist, sehen wir nicht alles, was es zu sehen gibt. Das liegt nicht nur daran, dass unsere Augen vergleichsweise schlechte optische Instrumente sind, sondern auch an dem Phänomen, das durch diese Formel beschrieben wird:

Dabei bezeichnet a die atmosphärische Transmission, das heißt die Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für elektromagnetische Strahlung. Sie hängt von der Menge Luft ab, die das Licht durchlaufen muss (in der Formel durch die Funktion H angegeben). Wichtig ist auch der Extinktionskoeffizient κ, der wie die atmosphärische Transmission von der Wellenlänge λ abhängt.

Die legendärsten mathematischen Kniffe, die übelsten Stolpersteine der Physikgeschichte und allerhand Formeln, denen kaum einer ansieht, welche Bedeutung in ihnen schlummert: Das sind die Bewohner von Freistetters Formelwelt.
Alle Folgen seiner wöchentlichen Kolumne, die immer sonntags erscheint, finden Sie hier.

Diese Abhängigkeit ist der Grund für den Ärger, den die Atmosphäre bei Astronomen verursacht. Wie viel Licht aus dem Weltall bis auf den Erdboden gelangt, hängt davon ab, welche Wellenlänge das Licht hat. Die Bestandteile der Luft, also die verschiedenen chemischen Elemente, beeinflussen die Transmission, ebenso wie die Temperatur und andere Größen, die im Extinktionskoeffizienten zusammengefasst werden. Das Resultat all dessen ist in jedem Fall hinderlich für die Astronomie, denn der Großteil der elektromagnetischen Strahlung bleibt dadurch draußen.

Ein Fenster ins All

Das, was wir sichtbares Licht nennen, der visuelle Anteil des elektromagnetischen Spektrums mit einer Wellenlänge zwischen 380 (violett) und 690 Nanometern (rot), kommt größtenteils durch. Der kurzwellige Anteil wird dagegen von der Atmosphäre absorbiert, ebenso wie das Meiste des langwelligen Bereichs. Eine Ausnahme ist glücklicherweise der nahe Infrarotbereich: Die Strahlung der Sonne hat ihr Maximum im visuellen Bereich, kommt demnach fast ungehindert zum Erdboden durch und sorgt dort für eine Erwärmung. Diese Wärme gibt die Erde in Form von Infrarotstrahlung teilweise wieder ins All ab – das ist nur möglich, weil die Atmosphäre für Infrarotstrahlung in diesem Bereich durchlässig ist. Wäre sie es nicht, würde sich der Planet sehr stark aufheizen.

Allerdings sorgen Treibhausgase wie Kohlendioxid oder Methan dafür, dass ein Teil der Wärmestrahlung zurück auf den Erdboden reflektiert wird, anstatt ins All zu entkommen. Das ist der Grund für die Erwärmung beim menschengemachten Treibhauseffekt. Wir hängen quasi eine Decke vor unser Fenster zur Atmosphäre und erwärmen damit die Erde.

Im Bereich der langwelligen Mikrowellen- und Radiostrahlung gibt es ebenfalls eine Art Fenster zur Atmosphäre. Dadurch können wir nicht nur optische Astronomie vom Erdboden aus betreiben, sondern auch Radioteleskope sinnvoll einsetzen. Für jede andere Art der astronomischen Forschung muss man jedoch ins Weltall ausweichen. Weil die Himmelskörper in allen Wellenlängen leuchten, brauchen wir diese ganzen Informationen, um sie zu verstehen. Das ultraviolette Licht der Sterne, die Röntgenstrahlung der aktiven Galaxienkerne oder die Gammastrahlung von Supernova-Explosionen: Das alles lässt sich nur beobachten, wenn wir uns die Mühe machen, die dafür nötigen Teleskope und Detektoren ins Weltall zu schaffen.

Die Erde hat es der Astronomie nicht leicht gemacht. Doch immerhin haben wir ein paar Fenster, durch die wir hinaus ins All blicken können. Wer weiß, wie unsere Welt aussehen würde, wenn wir nicht einmal die hätten.

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