Warum ist der Himmel blau?

Das Sonnenlicht besteht aus verschiedenen Lichtfarben. Alle Lichtfarben ergeben gemischt die Farbe Weiß. Der Bereich des Lichts, der vom Menschen wahrgenommen werden kann, wird sichtbares Licht genannt und umfasst die sogenannten Spektralfarben. Wird weißes Licht durch ein Prisma gebrochen, entstehen die sieben Spektralfarben. Zusammengefügt ergeben sie wieder weißes Licht. 

Das Licht bewegt sich in Form von Lichtstrahlen als Wellen voran, wobei die Wellenlänge der verschiedenen Farben unterschiedlich lang ist.
Sortiert nach ihren Wellenlängen sind die sieben Spektralfarben: Violett, Indigo, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot.
Die blauen Strahlen besitzen also eine sehr kurze Wellenlänge.

Das Sonnenlicht, bestehend aus den unterschiedlichen Lichtfarben, durchquert auf dem Weg zur Erdoberfläche die Erdatmosphäre. Das ist die Luftschicht über der Erde. In ihr befinden sich hauptsächlich Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle, aber auch Staubteilchen und mikroskopisch kleine Partikel. Die Lichtstrahlen treffen nun immer wieder auf diese Teilchen. Trifft ein Lichtstrahl auf ein Teilchen, wird der Lichtstrahl abgelenkt. In der Physik wird dieser Prozess Streuung genannt.
Je kürzer die Wellenlänge, umso häufiger treffen die Strahlen auf die Teilchen. Blaues Licht wird also besonders häufig durch diese kleinen Teilchen in der Atmosphäre gestreut. 

Die Streuung von Licht an Teilchen, die im Vergleich zur Wellenlänge klein sind, wird auch Rayleigh-Streuung genannt.

Die blauen Lichtstrahlen kommen nun aus allen möglichen Richtungen, wodurch die blaue Farbe des Himmels ohne ein blaues Licht am Himmel entsteht. Die Sonne sieht hingegen leicht gelblich aus. Das hängt damit zusammen, dass der blaue Anteil des Lichtspektrums stark geschwächt wird, die anderen Spektralfarben jedoch trotzdem überlagert bei uns ankommen. Diese vermitteln einen gelblichen Eindruck.

Nun haben wir nicht immer einen blauen Himmel. Wie kommt es also, dass wir bei Sonnenuntergang eine rote Sonne am Himmel sehen und der Himmel an Regentagen komplett grau aussieht?

Am Abend bei Sonnenuntergang nimmt der Himmel eine rote Farbe an. Das liegt am niedrigen Stand der Sonne. Die Lichtstrahlen müssen einen deutlich weiteren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Die blauen Strahlen werden dabei so häufig gestreut, dass sie bei uns als betrachtende Person nicht mehr ankommen. Rotes und oranges Licht hat die größten Wellenlängen, wird also weniger oft abgelenkt und kommt fast ungehindert an der Erdoberfläche an.

Die graue Farbe des Himmels bei Bewölkung liegt an den Wolken selbst. Diese bestehen aus kleinen Wassertröpfchen, die deutlich größer als die Teilchen in der Atmosphäre sind. Sie streuen daher nicht nur den blauen Anteil des Sonnenlichts, sondern alle Lichtstrahlen. Alle Spektralfarben überlagert ergeben zusammen die Farbe Weiß, somit sehen Wolken weiß aus. 

Dicke Wolken lenken bereits im oberen Teil einen großen Teil des Lichts ab, wodurch ein grauer Schatten an der Unterseite der Wolke entsteht. An Regentagen sieht der Himmel deshalb grau aus.

Der Himmel auf der Erde besitzt diese verschiedenen Farben nur aufgrund der Atmosphäre. In der Atmosphäre sorgt die Rayleigh-Streuung für einen blauen Himmel, wenn die Sonne scheint. Gäbe es keine Atmosphäre, dann wäre der Himmel immer schwarz. Das ist auf dem Mond der Fall.