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Marginalia, Physik im Alltag und Naturphänomene

Ein farbenfroher Dreckeffekt

Vor einigen Jahren fuhr ich regelmäßig mit der Bahn von einem kleinen Bahnhof aus, der seit langem unbenutzt war. Als ich auf den Zug wartend an einem frühen Morgen in der Dunkelheit meine neue Kamera ausprobieren wollte, fotografierte ich mit Blitzlicht eine Glastür. Ein vernünftiges Bild erwartete ich natürlich nicht. Doch bei näherer Betrachtung des Ergebnisses zeigten sich Ausschnitte aus farbigen Ringen, die quer über die Scheibe liefen. Systematische Wiederholungen solcher Fotografien zeigten, dass hier ein Phänomen im Spiel war.
Da das Phänomen nur an verschmutzen Scheiben auftritt, spielen offenbar die Schmutzpartikel eine wesentliche Rolle bei der Entstehung der Farbringe. Es handelt sich um Quételetsche Ringe, die bis vor einigen Jahren nur als Laborexperiment angesehen wurden. Man kann sie nicht nur auf Glasscheiben,  sondern auch an anderen Stellen vorfinden, an denen sie an sich nicht zu erwarten sind (siehe auch hier und hier ). Sie treten sogar in der freien Natur auf (siehe hier).
Typisch für dieses Phänomen ist, dass der Lichtreflex anders als man es beispielsweise von Koronen um die Sonne her kennt, im Allgemeinen nicht im Zentrum liegt, sondern auf einem der Ringe. Dieser Ring ist dann weiß, und links und rechts davon erscheinen die Ringe in umgekehrter Farbreihenfolge.
Um die Farberscheinung zu erklären, gehen wir von zwei Lichtstrahlen* aus, die möglichst von demselben Punkt der Lichtquelle stammen und somit in einer festen Phasenbeziehung stehen (Kohärenz). Das heißt praktisch, dass die Lichtquelle möglichst weit von der bestaubten Scheibe entfernt sein und das Licht nahezu senkrecht einfallen muss. Wenn sich die Lichtstrahlen im Auge des Betrachters überlagern, nachdem der eine zunächst an einem Staubpartikel gestreut und anschließend an der hinteren Grenzschicht reflektiert wird und der andere umgekehrt zunächst reflektiert und dann an demselben Partikel gestreut wird, kommt es zu den typischen Farberscheinungen. Denn aufgrund der unterschiedlichen Reihenfolge von Streuung am Teilchen und Reflexion an der Scheibe legen Teilstrahlen geringfügig unterschiedliche Wege zurück.
Je nachdem ob dieser Wegunterschied ein ganzzahliges oder halbzahliges Verhältnis einer bestimmten Wellenlänge beträgt, kommt es zur Verstärkung oder Auslöschung der betreffenden Farbe des weißen Lichts. Das führt insgesamt zu der beobachteten spektralen Zerlegung in Farben.
Jedes Staubteilchen ruft ein eigenes Ringsystem hervor. Aber erst die Überlagerung der Ringsysteme vieler Teilchen summiert sich zu einer wahrnehmbaren Intensität.
Um die weiteren Feinheiten des Phänomens auszuloten, kann man sich mit Hilfe eines eingestaubten oder mit fettigen Fingern beschmutzten Haushaltsspiegels sein eigenes Quételet- Ringsystem herstellen. Beleuchtet man aus möglichst großer Entfernung den Spiegel mit einer hellen Leuchte, die man in Augenhöhe so auf den Spiegel richtet, dass das Licht ins Auge reflektiert wird, so erscheint der Reflex von Interferenzfarben umgeben. Die Farben sind meist viel intensiver als bei einer Fensterscheibe, weil die metallisch bedampfte Rückseite des Spiegelglas‘ nahezu alles auftreffende Licht reflektiert.
Angesichts der ästhetischen Wirkung von Schmutz betreten wir mit diesem Phänomen „Kontinente des Unbrauchbaren, des Nutzlosen, des Phantastischen, des Schönen, des Chaotischen, die zu bereisen zu den größten Wonnen des Geistes gehören“ (Erwin Chargaff 1905 – 2002).


*Auch wenn der Einfachheit halber von Lichtstrahlen die Rede ist, kommt es hier auf die Welleneigenschaften des Lichts an. Die Lichtstrahlen bezeichnen den senkrecht auf einer Wellenfront stehenden Vektor und geben die Ausbreitungsrichtung an.

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