Warum ist der Himmel blau?

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Bevor es in jedem Auto (oder in den Rucksäcken eigensinniger Wanderer) einen GPS-Empfänger (Global Positioning System) gab, gab es den Magnetkompass. Bevor es Autos und Nylonrucksäcke gab, benutzten Entdecker, Seeleute und Piraten ihren vertrauenswürdigen Kompass, um sich im großen, merkwürdigen Ozean zurechtzufinden. Selbst in einer wolkigen Nacht ohne Sterne, die Sie führen könnten, sagte Ihnen ein kleines Stück magnetisiertes Metall, das so montiert war, dass es frei schwingen konnte, in welche Richtung es nach Norden führte.

Was ist das Besondere am Norden? Wenn Sie wissen, wo Norden ist, wissen Sie alles. Gehe nach Norden und Süden wird hinter dir sein, nach Osten zu deiner Rechten und nach Westen zu deiner Linken. Drehen Sie einen Handkompass, und die Nadel dreht sich seltsamerweise nicht mit.

Die schwebende Metallnadel spürt eine Attraktion, die wir nicht kennen, und bewegt sich von selbst, wie der Zeiger auf einem gruseligen Ouija-Filmbrett. Die Nadel scheint in Richtung eines entfernten Leuchtfeuers gezogen zu sein und spürt den Zug sogar durch Wände.

Die Nadel eines Kompasses besteht jedoch nicht aus irgendeinem alten Metall. Stattdessen ist es ein Metall, das magnetisiert wurde. Dieser schlanke, leichte Magnet hat seine eigenen Nord- und Südpole, die von den entgegengesetzten Polen anderer Magnete angezogen werden. In der Zwischenzeit kann sich der Magnet frei in jede Richtung drehen.
Zum Glück für verlorene Reisende (insbesondere vor dem GPS-Tracking in Handys und Autos) ist der Planet, auf dem wir reisen, selbst ein Magnet. Taschenkompasse reagieren auf den Magnetismus der Erde, indem sie sich in ihrem Magnetfeld ausrichten. Selbst in einer wolkigen Nacht ohne Sterne, die ihn führen könnten, kann ein Seemann, der in einem dunklen Meer treibt, „Norden“ finden - und damit Süden, Osten und Westen.

(Das Erdfeld kehrt sich etwa alle 500.000 Jahre um, aber im Moment befindet sich der „Südpol“ der Erde im Norden, der „Nordpol“ im Süden. Deshalb wird der Nordpol einer magnetisierten Nadel, der von ihrem Gegenteil angezogen wird, dies tun Punkt nach Norden. Vor ungefähr 800.000 Jahren hätten Kompassnadeln nach Süden gezeigt.)

Seit mehr als 2.000 Jahren navigieren Menschen mit Kompassen. Die frühesten Kompasse bestanden aus Holz, das mit etwas Lodestone, einem natürlich magnetischen Eisenerz, gekrönt war. Der hölzerne Kompass schwebte auf Wasser oder einer anderen Flüssigkeit und konnte sich frei bewegen. Der Stein drehte sich, bis er sich mit dem Erdfeld ausrichtete.

Wissenschaftler glauben, dass das Erdmagnetfeld durch Schleifen elektrischer Ströme im (superharten) Flüssigmetallkern unseres Planeten erzeugt wird. Stellen Sie sich einen Stabmagneten vor, der vertikal durch den Erdmittelpunkt steckt und dessen unsichtbares Feld sich wie eine horizontale Figur 8 in den Weltraum ausbreitet.
Obwohl wir es nicht bemerken, spüren magnetisierte Objekte seine Anziehungskraft.

Aber während die Erde groß ist, ist ihr Magnetfeld ziemlich schwach. Unser Planetenmagnet ist tausende Male schwächer als die Magnete an Ihrem Kühlschrank. Dadurch können Klassenfotos und Einkaufslisten an der Metalltür befestigt werden (oder Sie greifen nach einer streunenden Büroklammer, wenn sie zu nahe kommt).

Das Erdmagnetfeld variiert auf dem Planeten, ist aber an den Polen am stärksten. Die magnetische Stärke wird normalerweise in Gauß- oder Tesla-Einheiten gemessen. Am schwächsten ist in Teilen Südamerikas die Feldstärke der Erde etwa 0,3 Gauß (30 Mikroteslas). In der Nähe der Nord- und Südmagnetpole steigt die Festigkeit auf etwa 0,65 Gauß (65 Mikroteslas). Im Gegensatz dazu kann dieser kleine, kuhförmige Magnet an Ihrem Kühlschrank 50 Gauß (5.000 Mikroteslas) stark sein. Kein Wunder also, dass der schwache Magnetismus der Erde nicht dazu führen kann, dass Büroklammern massenhaft zu den Polen wandern.


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Die kühlen Herbsttage sind von tiefblauem Himmel und goldenem Licht sowie leuchtenden Blättern in Gelb, Orange und Rot geprägt. Blätter, die im Herbst ihre Farbe ändern, sind die Art und Weise, wie sich ein Baum auf einen langen Winter vorbereitet, ähnlich wie wir Sturmfenster aufstellen und warme Kleidung und Decken aus dem Lager ziehen. Im Sommer sind die Blätter von Bäumen wie Stifteichen und Zuckerahorn grün. weil sie voll mit dem grünen Pigment Chlorophyll sind.

Bäume brauchen Sonnenlicht, um Chlorophyll zu produzieren. Chlorophyll wiederum nutzt die Energie des Sonnenlichts, um Wasser zu spalten (H.zweiO) in Wasserstoff und Sauerstoff. Inzwischen absorbieren Blätter auch Kohlendioxidgas aus der Luft. Die Endprodukte der Blattchemie: Kohlenhydrate (hausgemachtes Pflanzenfutter für den Baum) und Sauerstoff, der in die Luft freigesetzt wird (das Gas, das wir zum Atmen benötigen). Der gesamte Prozess wird als 'Photosynthese' bezeichnet.

Neben grünem Chlorophyll enthalten die meisten Blätter auch gelbe, orange und rot-orange Pigmente, die Carotinoide. Bäume brauchen kein Licht, um Carotinoide herzustellen. Botaniker nennen sie Helferpigmente, weil Carotinoide etwas Sonnenlicht absorbieren und die Energie (schön) an Chlorophyll weitergeben. Wir sehen im Sommer nicht viel von diesen stellvertretenden Pigmenten (Carotin, Lycopin und Xanthophyll), da sie von reichlich grünem Chlorophyll maskiert sind.

Aber die immer kürzeren Herbsttage bedeuten weniger Tageslicht und kälteres Wetter. Der durchschnittliche Baum beeilt sich, um alle Nährstoffe für seinen Winterschlaf zu speichern. Stickstoff und Phosphor werden zur Lagerung in Zweigen aus den Blättern gezogen. Zwischen den Stielen der Blätter und ihren Zweigen wächst eine Schicht korkiger Zellen, wodurch die Nährstoff- und Wasserversorgung der Blätter verringert wird.

Mit weniger Sonnenlicht, Wasser und Nährstoffen verlangsamt sich die Chlorophyllsynthese. Aber altes, abgenutztes Chlorophyll zerfällt mit der üblichen Geschwindigkeit - ironischerweise zerstört Sonnenlicht es -, so dass der Bestand jedes Blattes allmählich schwindet. In vielen Bäumen tauchen beim Verblassen des Grüns gelbe und orangefarbene Pigmente aus dem Versteck auf. (Dazu gehören Carotine, die Pigmente, die Karotten orange färben.)

Aber rote und violette Pigmente bilden sich erst in Blättern, wenn das Wetter kalt wird und die Blätter einiger Bäume scharlachrot und burgunderrot färben. (Die Pigmente sind Anthocyane, die auch Radieschen rot, Auberginen lila und Blaubeeren blau machen.) Botaniker haben sich lange gefragt, warum einige Bäume genetisch so programmiert sind, dass sie im Herbst Anthocyane herstellen. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Anthocyane ein baumeigener Sonnenschutz sein können.

Anthocyane werden im zuckerhaltigen Saft eines Blattes mit Hilfe von viel Sonne und kühlen Temperaturen hergestellt. Botaniker glauben, dass Anthocyane die verblassenden Photosynthesefabriken der Blätter vor zu viel Sonnenlicht schützen, ähnlich wie das Pigment Melanin unsere Haut vor der Sonne schützt. Während die roten Pigmente als Schutzschild wirken, zerfällt der Baum fieberhaft und zieht Nährstoffe aus den Blättern in seine Gliedmaßen und in seinen Stamm, bevor die Blätter fallen oder sterben.

Anthocyane können auch wie Vitamin C oder E wirken und sogenannte freie Radikale abfangen, bevor sie die fragile Struktur eines Fallblattes oxidierend schädigen können.

Obere und äußere Blätter sind in der Regel am rötesten, da sie am stärksten Sonnenlicht und Kälte ausgesetzt sind. Bei einigen Bäumen wie Zuckerahorn bilden die Rottöne der Anthocyane in Kombination mit den Gelbtönen der Carotinoide besonders leuchtend orangefarbene Blätter.

Die Farbe, die Blätter dreht, wird meistens vererbt, wie unsere Haarfarbe. Ob diese Farben matt oder hell sind, hängt vom Wetter ab.

Die tiefsten und brillantesten Farbtöne entwickeln sich nach Wochen mit kühlem, sonnigem Herbstwetter. Wenn beispielsweise die Temperatur auf 0 ° C und 7 ° C abfällt, bilden sich mehr Anthocyane. In den Vereinigten Staaten ist das ideale Wetter für atemberaubendes Laub in Orten wie Vermont zu finden.

Wenn der Herbst zum Winter verblasst, verblassen auch die Farben und die Blätter lösen sich von ihren Liegeplätzen. Die Blätter werden an ihren Stielen an Zweigen festgehalten. Wenn das Wetter abkühlt, fallen die Zellen am Ende jedes Stiels auseinander. Schließlich wird jedes Blatt nur durch die dünnen Adern, durch die einst Wasser und Nährstoffe flossen, an seinem Ast gehalten. Ein leichter Wind oder Regen kann diese schwachen Fäden brechen und die Blätter in einem farbigen Teppich zur Erde treiben lassen.

Die gelben und roten Pigmente können tagelang in den Blättern verbleiben, nachdem sie zu Boden gefallen sind. Allmählich zerfallen die bunten Pigmente. Alles, was übrig bleibt, sind die Tannine - braune Chemikalien, die auch Tee färben.

Die jetzt braunen Blätter, die von ihrer Wasserversorgung abgeschnitten sind, trocknen aus. Vom Wind aufgenommen, wirbeln sie in grünen Wirbelstürmen durch die Luft und knistern an Halloween unter den Füßen.


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Kamele passen im Gegensatz zu Menschen in trockenes Land wie eine Hand in einen Handschuh.

Der Körper eines Kamels ist ideal für die extreme Trockenheit und die extremen Temperaturschwankungen des Wüstenlebens geeignet: Tageshitze, Nachtkälte, heftig blasender Sand und wenig Zugang zu Wasser.

Wir denken, Kamele stapfen durch die Wüsten von Ländern wie Saudi-Arabien. Überraschenderweise haben sich die (kaninchengroßen) Vorfahren moderner Kamele vor etwa 45 Millionen Jahren in Nordamerika entwickelt. Über Millionen von Jahren entwickelten sich ziegengroße und größere Kamele. Kamele lebten in ganz Nordamerika, von Kanada bis Mexiko.

Tatsächlich lebten im heutigen Kalifornien acht verschiedene Arten von Kamelen. Einer davon war der hoch aufragende Titanotylopus, der 11,5 Fuß hoch an der Schulter stand und vor 3 Millionen Jahren an der kalifornischen Küste nach Nahrung suchte. Wissenschaftler haben auch Fossilien eines anderen riesigen Kamels entdeckt, das in den arktischen Wäldern im Norden Kanadas lebte.

Kamele breiteten sich von Nordamerika nach Südamerika und über die Bering Land Bridge aus, die Nordamerika mit Asien verband. Vor 7 Millionen Jahren hatten sich Kamele bis ins heutige Spanien ausgebreitet.

Vor 10.000 Jahren waren Kamele in Nordamerika ausgestorben, möglicherweise als Folge der Veränderung des Lebensraums, menschlicher Siedlungen und der Jagd.

Heute gibt es nur noch zwei lebende Arten von echten Kamelen. Zweihöckrige Baktrier leben in Zentralasien. Einhöckrige Dromedare durchstreifen das Horn von Afrika und den Nahen Osten.

Alle Kamele haben lange, dicke, sich kräuselnde Wimpern, keine Wimperntusche erforderlich. Der Rand fängt sauber wehenden Sand auf und hält ihn von den großen braunen Augen eines Kamels fern. Kamele haben auch ein drittes Augenlid, das von der Seite geschlossen gleitet. In einer Luft voller Sand kann ein Kamel ihren (sehr dünnen) dritten Deckel schließen und trotzdem gut genug sehen, um weiter zu stapfen.

Die hervorstehenden Stirnknochen und buschigen Brauen eines Kamels beschatten ihre Augen vor der blendenden Wüstensonne. Ihre aufflammenden Nasenlöcher können sich dicht gegen windgetragenen Sand schließen. Und ihre kleinen, pelzigen Ohren halten lästigen Ohrsand fern.

Als nächstes passt sich die Temperatur eines Kamels automatisch an die Lufttemperatur an, sinkt in kalten Wüstennächten auf 93 ° F und steigt dann in den sengenden Tagen auf fast 106 ° F (wenn die Temperatur auf über 125 ° F steigen kann). Da der Unterschied zwischen Körper- und Lufttemperatur minimiert ist, erwärmt die Luft den Körper eines Kamels nicht so stark wie einen kühleren Körper wie unseren.

Wasser ist für alles Leben auf der Erde essentiell und Kamele können ohne es nicht überleben. Blut besteht zu 91 Prozent aus Wasser. Wenn Wasser verloren geht - zum Beispiel durch Schwitzen und Wasserlassen - und nicht ersetzt wird, verdickt sich das Blut. Anstatt durch Blutgefäße zu strömen, bewegt es sich wie Melasse.

Das ist gefährlich, denn schnell fließendes Blut kühlt den Körper. Wie? Während der Körper Nahrung in Energie umwandelt, wird Wärme erzeugt. Durch diese Reaktionen erwärmt sich das Blut tief im Körper und trägt diese Wärme, wenn es zur und durch die Haut strömt. Presto: Die Haut strahlt die Wärme in die Luft ab. Ergebnis: Der Körper bleibt kühl. Aber honigdickes, dehydriertes Blut kann nicht schnell genug auf die Haut gelangen. Wärme baut sich auf; der Tod kann folgen.

Selbst bei kühlstem Wetter können Menschen nur wenige Tage ohne Wasser leben. Kamele können jedoch zwischen den Getränken bis zu 17 Tage überleben.

Der Stoffwechsel eines Kamels - die Geschwindigkeit, mit der sein Körper Nahrung verbrennt - verlangsamt sich bei heißem Wetter und sorgt für weniger Körperwärme.

Kamele haben auch eine Möglichkeit entwickelt, Wasser aus ihren Nieren zu recyceln, indem es in eines von drei Magenkompartimenten und dann zurück ins Blut geleitet wird. Aber es gibt noch mehr: Wenn Sie das Blut eines Kamels unter einem Mikroskop betrachten, werden Sie feststellen, dass die roten Blutkörperchen eher oval als rund sind wie die anderer Säugetiere. Die stromlinienförmige Form ermöglicht es sauerstofftragenden Zellen, sich durch Gefäße zu bewegen - selbst wenn ein Kamel dehydriert ist.

Schließlich gibt es diese Buckel. Obwohl der Buckel eines Kamels nicht wirklich mit Wasser gefüllt ist, hält er ein Kamel bei heißem Wetter kühler. In den Höckern sind Fett verpackt, bis zu 80 Pfund in einem einzigen Hügel. Wie hilft all diese zusätzliche Polsterung an einem Nachmittag bei 120 ° F? Der Buckel wirkt als Schutzhaube. Beim Backen in der Wüstensonne absorbiert und speichert der Fetthaufen Wärme und verlangsamt seinen Abstieg zu den lebenswichtigen inneren Organen des Kamels. Währenddessen strahlt der Rest des Kamelkörpers - insbesondere die dünnen, spindelförmigen Beine - Wärme in die Luft ab.

Vor allem aber ist der Buckel die Notversorgung eines Kamels, wie ein Wanderrucksack, der mit Trail Mix, Truthahn-Jerky und Energieriegeln gefüllt ist. Ein Buckel (oder zwei) ermöglicht es einem Kamel, mehrere Wochen zu überleben, ohne tatsächlich zu essen. Während das Fett zur Energiegewinnung verbrannt wird, schrumpft der Buckel allmählich und wird schlaff und schlaff.


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Wenn Sie das nächste Mal in der Lobby eines hohen Gebäudes in einen Aufzug steigen, schließen Sie die Augen. Wenn die Box, in der Sie fahren, sanft ansteigt, haben Sie möglicherweise das Gefühl, dass Sie sich überhaupt nicht bewegen - zumindest bis sie auf Ihrem Boden zum Stillstand kommt. Denken Sie darüber nach und Sie werden feststellen, dass Sie die gleiche Erfahrung in einem Zug oder einem Auto gemacht haben. Oder sogar in einem Düsenflugzeug, das mit mehr als 500 Meilen pro Stunde durch die Wolken fährt.

Wir reisen auch auf unserem Planeten, umkreisen die Sonne und reisen mit dem Rest des Sonnensystems durch den Weltraum, während sich die Erde wie eine Spitze um ihre Achse dreht.

Tatsächlich ist die Rotationsgeschwindigkeit unseres Planeten am Äquator höher als die Reisegeschwindigkeit eines Verkehrsflugzeugs. Die Erde misst an ihrer breitesten Stelle ungefähr 24.900 Meilen. Teilen Sie das durch die 24 Stunden, die es dauert, um einmal zu drehen, und wir erhalten die Geschwindigkeit der Erde am Äquator: schwindelerregende 1.040 Meilen pro Stunde.

Da sich die Entfernung um den Planeten verringert, wenn wir uns den Polen nähern, ändert sich auch die relative Geschwindigkeit. Auf dem Breitengrad von New York City beträgt die Rotationsgeschwindigkeit der Erde ungefähr 783 Meilen pro Stunde. Das bedeutet, dass Sie jede Sekunde ('ein Nilpferd, zwei Nilpferde') auf Ihrem planetarischen Karussell 1.148 Fuß vorwärts gereist sind. Und wie in einem Flugzeug mit konstanter Geschwindigkeit spürt man es einfach nicht.

Die Physiker haben dieses Prinzip vor Jahrhunderten entdeckt: In einer geschlossenen Box, aus der keine Fenster zu sehen sind, kann man nicht sagen, ob wir still stehen oder uns mit unveränderlicher Geschwindigkeit bewegen.

Wenn jedoch die „Box“ (oder der Aufzug oder das Flugzeug) schneller oder langsamer wird, tritt plötzlich auch das Gefühl der Bewegung auf. Wir erleben Bewegung, wenn sie sich ändert.

Da die Drehzahl der Erde so konstant ist, können wir (zum Glück) nicht spüren, wie schnell wir uns wirklich drehen. Gleiches gilt für unsere 365-Tage-Reise um die Sonne, durch die unser schneller Planet mit einer Geschwindigkeit von 67.000 Meilen pro Stunde flitzt.

Obwohl Sie beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von fast 800 Meilen pro Stunde nach Osten gedreht werden, wird die Materie in Ihrem Körper stark von der viel größeren Masse der Materie des Planeten angezogen. Die durch Rotation erzeugte zentrifugale, nach außen gerichtete „Kraft“ ist ein winziger Bruchteil der Stärke der nach unten gerichteten Gravitationskraft unseres Planeten.

Wenn sich jedoch die Drehzahl der Erde plötzlich ändert, werden wir feststellen, dass wir uns mit halsbrecherischer Geschwindigkeit bewegen. Wenn sich die Erde plötzlich verlangsamt, sagen Wissenschaftler, würden wir vorwärts stürzen. Wenn es schneller würde, würden wir rückwärts umfallen.

Und wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Erde am Äquator bei einem Tag von nur 80 Minuten auf mehr als 29.000 km / h anstieg, konnte uns die Schwerkraft nicht mehr sicher auf dem Boden halten. Und wir würden tatsächlich in die Dunkelheit fliegen.


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Warum ist der Himmel blau?

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Das Sonnenlicht, das den Tageshimmel beleuchtet, ist weiß. Warum ist der Himmel nicht strahlend weiß? Damit der Himmel blau aussieht, muss etwas mit dem Licht geschehen, wenn es durch die Erdatmosphäre geht.

Wenn weißes Licht von der Sonne hereinströmt, flattert es aus dem nahen Vakuum des Weltraums in die gasförmige Atmosphäre, die unseren Planeten bedeckt. Während die Luft der Erde Spuren vieler Gase enthält, von Kohlendioxid bis Argon, machen Stickstoff (78 Prozent) und Sauerstoff (21 Prozent) den größten Teil der Atmosphäre aus. Und wenn Photonen des Sonnenlichts auf die Gasmoleküle der Erdluft treffen, werden sie durch die Begegnung verändert.

Woher kommt das Blau? Eigentlich war das Blau die ganze Zeit im Sonnenlicht. Weißes Licht besteht aus einem verborgenen Regenbogen von Farben, der sichtbar wird, wenn ein Sonnenstrahl durch ein Prisma fällt. Dann sehen wir das bekannte Regenbogenspektrum: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett. Jede Farbe hat eine andere Energie und Wellenlänge.

Die Gase der Luft reizen diese Farben mit weißem Licht. Etwas Sonnenlicht fällt einfach durch die leeren Räume zwischen den Gasmolekülen und erreicht den Boden intakt. Aber Licht, das mit Gasmolekülen in Berührung kommt, wird absorbiert, in seine wahren Farben aufgeteilt und dann in alle Richtungen gestreut.

Wie funktioniert es? Die Mitgliedsatome eines Gasmoleküls werden von den Photonen (Teilchen) des Lichts angeregt und emittieren Photonen in unterschiedlichen Wellenlängen - von rot über gelb bis violett. Das Licht geht dann auf den Boden zu oder wird seitlich in den Himmel geschickt. Je nach Winkel zoomt etwas Licht sogar zurück in den Raum.

Und so wird der Himmel blau: Das blau-violette Ende des Sonnenlichtspektrums mit der kürzeren Wellenlänge ist viel stärker gestreut als die Rot- und Gelbtöne. Wir sehen also blaues Licht aus allen Richtungen am Himmel, das schwächere Rot-, Gelb- und Orangetöne überwältigt.

Interessanterweise wird violettes Licht von Gasmolekülen noch stärker als blau gestreut. Warum sehen wir keinen Himmel in Purpur? Laut dem Physiker Jearl Walker von der Cleveland State University gibt es zwei Erklärungen: Der violette Teil des Sonnenlichts ist dunkler als der blaue, und menschliche Augen reagieren weniger empfindlich auf violett kürzere Wellenlängen.

Für andere, die auf der Erde leben, mag es eine andere Geschichte sein. Da die Augen von Tieren für unterschiedliche Wellenlängen des Lichts empfindlich sind, ist es wahrscheinlich, dass viele Tiere den Erdhimmel in unterschiedlichen Farbtönen wahrnehmen. Honigbienen können zum Beispiel bis in das für uns unsichtbare Ultraviolett des Spektrums sehen. Für eine Biene kann der Himmel lila getönt sein.

Für uns Menschen fällt tagsüber das Blau auf, verstärkt durch den schwarzen Hintergrund des Weltraums hinter der sonnenbeschienenen Atmosphäre. Aber wohin geht das Blau nachts? Während sich die Sonne unter dem Horizont befindet, ist der Himmel der Erde immer noch genauso voller Gas und streut das verbleibende Licht. Laut Walker ist der Nachthimmel tatsächlich noch blau. Aber das Blau ist einfach zu dunkel, als dass unsere Augen und unser Gehirn es wahrnehmen könnten. Eine Kamera, die für eine Langzeitbelichtung eingestellt ist und mehrere Minuten bis mehrere Stunden lang Licht sammelt, kann jedoch das tiefe, wahre Blau einer sternenklaren Nacht erkennen lassen.


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