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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubrik: "Schlichting! "

Transparenz durch Nässe

Nassdunkelhell_1aSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 6 (2015), S. 50 – 51

Farblose Textilfasern wirken optisch wie eine blickdichte Nebelwand und können Gewebe daher weiß erscheinen lassen. Wasser macht diesen Effekt aber zunichte.

»… Relationen und Ähnlichkeiten zwischen Dingen zu finden,
die sonst niemand sieht …«
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Der Wind stößt in die nassen Wäschestücke hinein und bringt ein schönes Knattern hervor«, schreibt der Schriftsteller Wilhelm Genazino, ein genauer Beobachter auch profaner Alltagsdinge. »Manchmal bauscht ein einzelner kräftiger Windstoß die Laken hintereinander auf. Eine halbe Stunde vergeht, dann ist die Wäsche trocken und weiß. «Erst dann? Sollte sie nicht schon in dem Moment reinweiß erscheinen, in dem man sie frisch gewaschen aus der Waschmaschine holt?
Die Frage ist gerechtfertigt: Warum muss ein Hemd erst trocknen, damit es wirklich weiß strahlt? Oder andersherum: Wie schafft es völlig farbloses Wasser, weiße Wäsche dunkel erscheinen zu lassen?
Wenn das Gewebe eines weißen Hemds keine Farbpigmente enthält – was übrigens die Regel ist –, erscheint es aus demselben Grund weiß, wie dies auch Schnee und Nebel tun. Aber deren Farbe ist ebenso wenig selbstverständlich. Denn Schnee ist eine Ansammlung winziger Eiskristalle, Nebel besteht aus Wassertröpfchen. Sowohl Eis als auch Wasser sind allerdings farblos und im Prinzip durchsichtig wie Glas.
Entscheidend sind hier aber die Grenzschichten zwischen unterschiedlichen Medien. Wenn ein Objekt unter Wasser liegt oder im Eis eingefroren ist, durchquert das von ihm reflektierte Licht zunächst das jeweilige Medium und tritt an dessen Grenze in die Luft der Umgebung über. Dabei wird das Licht gebrochen, wobei es seine Richtung ein wenig ändert und teilweise ins Medium zurückreflektiert. Bei jeder Wechselwirkung wird zudem ein Teil des Lichts absorbiert, im Fall transparenter Medien jedoch nur ein kleiner.
Das genaue Ausmaß dieser Effekte hängt von den Brechungsindizes der beteiligten Medien ab. Unterscheiden sie sich stark, wird das auf die Grenzfläche treffende Licht auch stark von der ursprünglichen Richtung abgelenkt. Das an der Grenzfläche reflektierte und gebrochene Licht sorgt dafür, dass das transparente Medium überhaupt in Erscheinung tritt: Einerseits wird es durch das reflektierte Licht sichtbar, andererseits sorgt es durch die Brechung für ungewohnte Anblicke wie zum Beispiel den berühmten Strohhalm im Glas, der an der Wasseroberfläche abzuknicken scheint.

Plötzlich unsichtbar
Je mehr sich ein Gegenstand optisch an das ihn umgebende Medium angleicht, je ähnlicher also die Brechungsindizes sind, desto mehr verliert er dagegen an Sichtbarkeit. Taucht man ein Reagenzglas aus Fiolax, einem speziellen Borsilikatglas mit einem Brechungsindex von etwa 1,47, in ein durchsichtiges Gefäß mit Olivenöl (Brechungsindex 1,46) und füllt es ebenfalls mit Olivenöl, wird es regelrecht unsichtbar (siehe Foto rechts). Sind die Indizes identisch, ist das Ergebnis noch eindeutiger: Schüttet man Wasser in Wasser, verschwindet es darin spurlos.
Wie steht es nun um Wasser, das in Form kleinster Tröpfchen als Nebelwand auftritt? Wirft ein vor oder hinter der Wand gelegener Gegenstand Licht auf die Nebeltröpfchen, wird es an ihren Grenzflächen viele Male in unterschiedlichste Richtungen reflektiert, bevor es am Ende vielleicht doch noch unsere Augen erreicht. Zu diesem Zeitpunkt hat es aber längst jegliche Information über seine Herkunft verloren. Die Nebelwand erscheint also ab einer bestimmten Dicke und Dichte schlicht undurchsichtig. Dahinterliegende Objekte sind dann nicht mehr zu erkennen.
Außerdem mischen sich die Farben im Verlauf der vielen Reflexionen perfekt und addieren sich zu Weiß. Nicht zu einem ganz reinen Weiß allerdings: Weil an jeder Grenzfläche auch ein wenig Licht absorbiert wird, zeigt sich die Nebelwand in einem mehr oder weniger hellen Grau. Sie ist also etwas dunkler als Weiß, aber genauso farblos. Aus demselben Grund erscheint Schnee hellgrau bis weiß, und Glasscheiben zerbersten bei einem kräftigen Schlag in winzige weißliche Brösel.
Im weißen Hemd kommen letztlich dieselben Effekte zum Tragen wie in einer blickdichten Nebelwand. Oft besteht ein solches Kleidungsstück aus transparenten Baumwoll- oder Acrylfäden, die in unterschiedliche Richtungen orientiert und überdies in winzige Fasern und Fädchen aufgefächert sind. Ein Teil des auf das Hemd fallenden Lichts wird an den Grenzflächen zwischen Luft (Brechungsindex nahe 1) und Fasern (Baumwolle: Brechungsindex etwa 1,52) in alle Richtungen reflektiert, gelangt also auch in unsere Augen. Ein weiterer Teil wird in das Hemd hinein gebrochen, durchdringt es und erreicht die Haut. Auch von ihr wird ein Teil absorbiert und ein anderer diffus reflektiert. Am Ende verleiht die Summe all dessen, was nach unzähligen Reflexionen, Ablenkungen und Absorptionen unsere Augen erreicht, dem Gewebe seine weiße Farbe.
Wasser verändert die Situation grundlegend. Dringt es zwischen die Fasern, verdrängt es dabei Luft. Mit seinem Brechungsindex von 1,33 ist es den Fasern aber optisch ähnlicher als Luft. Dadurch sinkt der Einfluss der Grenzflächen: Die Zahl der Reflexionen und Absorptionen an den Fasern verringert sich, und es gelangt ein größerer Anteil des Lichts auf geraderem Weg durch das Hemd hindurch bis auf die Haut. Diese absorbiert schließlich, abhängig von der jeweiligen Hautpigmentierung, einen beträchtlichen Teil der Strahlung. So kehrt weniger Licht zurück, und der nasse Fleck erscheint dunkler.
Dabei macht es einen Unterschied, ob das nasse Hemd den Körper locker umgibt oder direkt an der Haut klebt. Bleibt Raum zwischen Haut und Hemd, so verteilt sich das von der Haut kommende diffuse Licht über eine mehr oder weniger große Fläche des Gewebes. Weil es dort reichlich Gelegenheit zu weiteren Reflexionen und Absorptionen gibt, erscheint das nasse Hemd also relativ dunkel, aber undurchsichtig.
Liegt es hingegen direkt auf der Haut, wirkt es nahezu durchsichtig. In diesem Fall wird das von der Haut zurückfallende Licht nämlich nicht diffus in viele Richtungen geworfen, sondern kehrt nur wenig geschwächt und ohne größere Umwege direkt durch das Gewebe zurück und gelangt in unsere Augen.

Erscheint die nasse Stelle als dunkler Fleck? Oder als helle Fläche?
Das Phänomen der durch Nässe hervorgerufenen Transparenz kann man sich übrigens besonders gut veranschaulichen, wenn man einfach ein weißes Tuch mit einem großen Wasserfleck vor sich hält (Fotos oben). Hat man die Sonne im Rücken, sieht man die nasse Stelle als dunklen Fleck, weil sie das Sonnenlicht im Vergleich zu benachbarten trockenen Stellen leichter hindurchlässt, statt es in unsere Augen zu reflektieren. Hält man das Hemd jedoch gegen die Sonne, ist der Eindruck aus denselben Gründen gerade umgekehrt. Das durch den transparenteren Bereich hindurchgehende Sonnenlicht scheint recht direkt in unsere Augen, so dass der nasse Fleck heller wirkt als seine trockene Umgebung.
Bei farbigen Hemden, also solchen, die Pigmente enthalten, liegen die Verhältnisse etwas komplizierter. Die Pigmente absorbieren jeweils einen Teil aus dem Spektrum des weißen Lichts und reflektieren den Rest. Ein rotes Hemd erscheint rot, weil es nur rotes Licht zurückwirft. Die feinen Fasern der Gewebefäden reflektieren allerdings nicht nur Rot, sondern sämtliche Farben; sie fügen also zusätzlich diffuses weißes Licht hinzu. Dem Rot eines Hemds ist daher immer auch etwas weißes Licht beigemischt, so dass es ein wenig heller erscheint, als es in Wirklichkeit ist. Gelangt allerdings Wasser auf ein Hemd mit Farbpigmenten, kleben die kleinen Fasern zusammen; damit verringert sich auch die diffuse Reflexion weißen Lichts. Entsprechend dunkler und kräftiger erscheint das Rot.
Natürlich beschränken sich unsere Überlegungen nicht nur auf Hemden. Auch Salz, Zucker oder Schnee werden transparenter, wenn man Wasser hinzufügt, und erscheinen auf dunklem Hintergrund entsprechend dunkler. Mit Papier gelingt der Trick ebenfalls: Wird eine Zeitungsseite nass, schimmert die Schrift auf ihrer Rückseite hindurch. Wer dagegen Briefumschläge durchsichtig werden lassen will, kommt mit Wasser nicht sehr weit. Stattdessen muss er sie mit Öl tränken, das dem Briefpapier zumindest optisch stark ähnelt.

PDF: http://www.spektrum.de/alias/schlichting/transparenz-durch-naesse/1343327

Diskussionen

4 Gedanken zu “Transparenz durch Nässe

  1. Ein sehr wichtger Artikel!

    Nun verstehe ich als erstes erstmal, wieso Glas zu weissen Körnern zerbricht. Bisher dachte ich, das wäre „materialgebunden“.

    Verfasst von kopfundgestalt | 14. Dezember 2019, 14:49

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