Rätselfoto des Monats August 2017

Wie könnte dieses Muster in einer Dünenlandschaft entstanden sein?

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Erklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2017

Frage: Wo und wie entstehen diese farbigen Netzwerke?

Die aus Licht geknüpften Netzwerke kann man vornehmlich im flachen, klaren Wasser an einem Sandstrand oder in künstlichen Wasserbecken sehen. Voraussetzung ist, dass kleine Wellen über das leicht windbewegte Wasser laufen. Das an der Wasseroberfläche ins Wasser gebrochene Sonnenlicht wird durch die wie Sammel- und Zerstreuungslinsen wirkenden Wasserwölbungen fokussiert und defokussiert.
Betrachtet man einen Querschnitt durch die Wasserwellen, so könnte man sagen, dass das einfallende Licht an bestimmten Punkten des Bodens fokussiert wird. Aber das stimmt nicht ganz, denn das Licht würde der Brennweite der jeweiligen „Sammellinse“ entsprechend nur in einer ganz bestimmten Tiefe scharf abgebildet werden. Und da sich die Krümmungen der Wellen und damit die Brennweiten und am Strand auch die Tiefe des Wassers ständig ändern, würde man nur ganz selten scharfe Brennpunkte sehen. Ein zusammenhängendes Netzwerk von scharfen Brennpunkten, die beobachteten Kaustiken, könnten folglich nicht zustande kommen.
Entscheidend für die vom Abstand der Projektionsfläche unabhängige Schärfe der Brennlinien sind die nicht gekrümmten Stellen, an denen die Krümmung der Wasseroberfläche von konkav nach konvex übergeht. Denn die diese Stelle passierenden Lichtstrahlen bleiben beieinander (Abb. unten, roter Pfeil). Mit zunehmender Entfernung von dieser Stelle wird das Licht immer stärker zur einen oder anderen Seite abgelenkt, so dass kaum Licht in der Nähe der Brennlinien landet.
Das Muster der Wellen wird in doppelter Weise reflektiert, denn die auf den Boden entworfenen Brennlinien werden durch die bewegte Wasseroberfläche hinweg gesehen, so dass die dadurch bedingten Verzerrungen zusätzlich ins Spiel kommen.
Die Randstrahlen des durch eine Linse gehenden weißen Lichts weisen Farberscheinungen auf, weil sie unter großem Einfallswinkel auf die Oberfläche auftreffen und daher wesentlich stärker gebrochen werden als die nahezu senkrecht einfallenden Strahlen nahe der optischen Achse. Da aber die einzelnen Farben (Wellenlängen) des Lichts unterschiedlich stark gebrochen werden, kommt es insbesondere an den Rändern zu einer Farbaufspaltung. Genau das passiert auch beim Lichtdurchgang durch die Wasserwellen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das vom Boden diffus reflektierte Licht der Brennlinien zum zweiten Mal durch die gekrümmte Wasseroberfläche dringt – diesmal von unten – und abermals gebrochen wird.