No pink!

„Well, I did not see any pink in the sky during the sunset yesterday.“ Amy aus Boston hatte mich überführt. 2014 standen wir gemeinsam an Bord der MS Finnmarken und schipperten in Richtung Bergen. Ich hatte die Tage davor viel fotografiert und ich hatte Amy , die mir dabei des öfteren über den Weg, lief neugierig auf Bilder gemacht. Auch hatte ich Lightroom mit seinen diversen Farbreglern gerade erst kennen gelernt. Diese waren spannend und ich habe sie benutzt. Zuviel! Viel zuviel! So auch bei dem Sonnenuntergangsfoto welches sich im Impressionismus sehr wohl gefühlt hätte. Amy lag richtig, ich hatte es wirklich übertrieben.

Unbeherrschter Einsatz der Lightroom Farbregler, 2014

Pink im Farbspiel des Sonnenuntergangs* ist unrealistisch, Punkt. Tatsächlich sind die Farben die dabei entstehen physikalisch sehr gut zu erklären. das weiße Licht unserer Sonne besteht im sichtbaren Bereich des Wellenlängespektrums aus den Farben Violett, Blau, Cyan, Grün, Gelb, Orange und Rot. Pink ist nicht dabei. Man kann der Farbe Pink bzw. Magenta keine Wellenlänge zuordnen.

FarbeViolettBlauCyanGrünGelbOrangeRot
Wellenlängeab 390 nm450 nm500 nm550 nm590 nm650 nm bis 780 nm

Wie jetzt? Soll das heißen, das es Pink gar nicht gibt? Aber ich kann es doch sehen. Blumenblüten, Telekommunikationskonzerne, manchmal sogar Autos und meine Tochter sowieso. Diese Farbe wird mit Stolz getragen. Und die Sonne sendet diese Farbe nicht zu uns, wie kann das sein? Dieser Frage widmen wir uns später, versprochen.

Stark idealisiert, das tatsächlich empfangene Spektrum des Sonnenlichtes aus einer Messung von 2018 ist weiter unten zu sehen.

Erstmal zurück zum Sonnenuntergang. Was jeder kennt ist die deutliche Rotverschiebung der Sonnenscheibe. Zusätzlich kann festgestellt werden, dass der restliche Himmel und alles weitere, welches nicht direkt von der Sonne angestrahlt wird, bläulich erscheint.

Sonnenuntergang in Tokio. Die rötliche Sonne spiegelt sich im Roppongi Grand Tower. Der Rest von Tokyo ist in Blau getaucht. Bearbeitet in Lightroom, WA Temp: 5500K, Sättigung alle Kanäle +100, Rest 0.

Die Sonne indes liefert unverändert weißes Licht. Es wird jedoch gestreut durch kleine Partikel in unserer Atmosphäre. Und zwar Partikel die kleiner sind als 1/10 Mikrometer (100 nm), dann spricht man von der Rayleight-Lichtstreuung, die die Eigenschaft hat das violett-blaue Licht etwa 5 mal stärker (besser: wahrscheinlicher) zu streuen, als das rote Licht. Vergleichbar einem Sandkastensieb lassen diese Mini-Partikel die „roten“ Photonen durch auf den Roppongi Grand Tower und die „blauen“ werde abgelenkt und illuminieren das übrige Tokio. Das soll jetzt nicht heißen, dass es in Tokio besonders staubig ist. Nein, viel mehr ist der Grund für diesen Effekt während des Sonnenunterganges, dass die Sonnenstrahlen zuvor einen vergleichsweise langen Weg durch unsere partikelreiche Atmosphäre gelaufen sind. Tagsüber ist das nicht der Fall dann ist der Streckenanteil der Photonen zum Erdboden wesentlich kürzer.

Übrigens wenn die Partikel in der Atmosphäre größer werden also ab etwa 1/2 Mirkometer (500 nm), dann wird das sichtbare Licht in allen Farben gleich gestreut. Das kommt z.B. bei Wassertropfen vor und das ist der Grund warum Wolken weiß sind. Zum Sonnenuntergang können die sich rötlich färben.

Es ist immer die gleiche Lichtquelle und immer der gleiche Filter, der Rot und Blau trennt, mal stärker mal schwächer. Deshalb sind auch die Farben des Sonnenuntergangs immer die gleichen. Egal was man meint gesehen zu haben. Pink ist nicht dabei. Pink ist übrigens das was der Auge-Gehirn-Organismus zu interpretieren gelernt hat, wenn Licht der Wellenlängenbereiche 380-450 nm und 650-780 nm gleichzeitig empfangen werden. Also eine Superposition von Violett-Blau und Rot.

*: All dies gilt in gleicher Weise auch für den Sonnenaufgang.

Diese Seite der Nasa zeigt uns eine sehr detaillierte Messung des sichtbaren Spekralbereiches der Sonne. Hierbei wird das gesamte Spektrum von 380 nm bis 780 nm in Zeilen zerlegt. Unten links beginnend bis nach oben rechts. Die dunklen Bereiche sind Spektralanteile der Photonen die es nicht bis zum Sensor geschafft haben. Sie sind auf dem Weg von der Sonne bis zu uns hängen geblieben. Gasmoleküle in der Sonnen- und Erdatmosphäre sind dafür verantwortlich. Sie nehmen die Energie des Lichtes in Form von Schwingungen bei charakteristischen Frequenzen auf. Das ergibt die dunklen Flecken. Ein Licht-Spektrometer ist aus einer digitalen Kamera relativ einfach gebastelt, wie man hier lernen kann.

Das Sonnenspektrum mit fehlenden Farben
Bildcredit: Nigel Sharp (NSF), FTSNSOKPNOAURANSF

Ganz ohne Digitalkamera haben diese fehlenden Lichtanteile im Spektrum vor ca. 200 Jahren schon den Optiker Joseph von Fraunhofer beschäftigt. Eine Schautafel im Deutschen Museum in München zeigt dies eindrucksvoll.

Zu diesem Artikel hat mich nicht nur Amy, sondern auch die schöne Physikvorlesung von Walter Lewin inspiriert, die bei YouTube verfügbar ist.


Engl. version:

„Well, I did not see any pink in the sky during the sunset yesterday.“

Amy from Boston had convicted me. In 2014 we stood together on board the MS Finnmarken and sailed towards Bergen. I had photographed the days before a lot and I had made Amy, who often crossed my path, curious for pictures. Also I had just gotten to know Lightroom with its various color controls. These were exciting and I used them. Too much! Much too much! So also with the sunset photo which would have felt very well in Impressionism area of an art museum. Amy was right, I had it really overdone.

Pink in the color pallette of the sunset* is unrealistic, period. The white light of our sun in the visible range of the wavelength spectrum consists of the colours violet, blue, cyan, green, yellow, orange and red. Pink is not included. The color pink or magenta cannot be assigned to a wavelength.

What now? Are you saying that pink doesn’t even exist? But I can see it. Flower blossoms, telecommunication companies, sometimes even cars and my daughter anyway. This colour is worn with pride. And the sun does not send this colour to us, how can that be? We’ll deal with this question later, I promise.

Back to sunset. What everyone knows is the clear redshift of the sun’s disk. Additionally it can be stated that the remaining sky and everything else which is not directly illuminated by the sun appears bluish.

The sun, on the other hand, provides white light unchanged. However, it is scattered by small particles in our atmosphere. Particles smaller than 1/10 micrometer (100 nm) are called Rayleight light scattering, which has the property to scatter the violet-blue light approximately 5 times stronger (better: more likely) than the red light. Comparable to a sandbox sieve, these mini particles let the „red“ photons pass through to the Roppongi Grand Tower and the „blue“ ones are deflected and illuminate the rest of Tokyo. This is not to say that Tokyo is particularly dusty. No, much more the reason for this effect during sunset is that the sun’s rays have walked a comparatively long way through our particle-rich atmosphere. During the day this is not the case then the distance of the photons to the ground is much shorter.

By the way, if the particles in the atmosphere become larger, i.e. from about 1/2 micrometer (500 nm), then the visible light is scattered equally in all colors. This occurs e.g. with water drops and this is the reason why clouds are white. At sunset they can also turn reddish. The effect is then the same as with the Roppongi Grand Tower.

It is always the same light source and always the same filter that separates red and blue, sometimes stronger sometimes weaker. That’s why the colors of the sunset are always the same. No matter what you think you have seen. Pink is not there. By the way, pink is what the eye-brain organism has learned to interpret when light of the wavelength ranges 380-450 nm and 650-780 nm is received simultaneously. So a mixture of violet-blue and red.

*: All this applies in the same way to the sunrise.

This page of Nasa shows us a very detailed measurement of the visible spectral range of the sun. The whole spectrum from 380 nm to 780 nm is divided into lines. From the bottom left to the top right. The dark areas are spectral parts of the photons that did not make it to the sensor. They got stuck on the way from the sun to us. Gas molecules in the solar and earth atmosphere are responsible for this. They absorb the energy of light in the form of oscillations at characteristic frequencies. This results in dark spots. A light spectrometer is relatively easy to make from a digital camera, as you can learn here.

Without a digital camera these missing light components in the spectrum already occupied the optician Joseph von Fraunhofer 200 years ago. A display in the Deutsches Museum in Munich shows this impressively.

Not only Amy, but also Walter Lewin’s beautiful physics lecture, which is available on YouTube, inspired me to write this article.