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

Physik am Flugzeugfenster

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 8 (2019) S. 52 – 53

Doch still, was schimmert
durch das Fenster dort?

William Shakespeare (1564–1616)

Über den Wolken herrschen außerhalb des Flugzeugs dramatisch andere Temperaturen und Drücke als in der Kabine. An den Scheiben, die beide Reiche voneinander trennen, kommt es zu eindrucksvollen optischen und thermodynamischen Phänomenen.

Die Konstrukteure von Flugzeugen würden wohl am liebsten ganz auf Fenster verzichten, denn diese sind Schwachstellen im Flugzeugrumpf. Das liegt am Druckunterschied: In der heute üblichen Reisehöhe von zirka zehn Kilometern beträgt der Luftdruck nur noch etwa ein Viertel des Normalwerts auf der Erdoberfläche von rund 1000 Hektopascal (hPa). Das wäre für die Passagiere lebensgefährlich. Die meisten von uns sind niedere Regionen gewohnt und ertragen für längere Zeit allenfalls einen Druck, wie er etwa auf der Zugspitze herrscht. Entsprechend werden in der Kabine etwa Dreiviertel (750 hPa) des normalen Atmosphärendrucks aufrecht erhalten. Wegen des innen höheren Drucks unterliegt der Flugzeugrumpf großen Belastungen, ähnlich wie ein aufgeblasener Luftballon. Ecken an Fenstern würden die Kräfte ungleichmäßig verteilen und wären Ansatzpunkte für Risse. Darum ist die vertraute, abgerundete Form weniger eine Frage des Designs als schlicht physikalische Notwendigkeit.
Flugzeugfenster bestehen aus drei Kunststoffscheiben. Die äußere ist etwa einen Zentimeter dick und fest mit dem Rumpf verbunden. Zwischen ihr und der mittleren Scheibe befindet sich zur Wärmedämmung Luft. Diese kann durch ein winziges Loch seitlich in der mittleren Scheibe hin- und herfließen, so dass letztlich der gesamte Druckunterschied auf dem äußeren Fenster lastet. Die innerste Scheibe befindet sich in einigem Abstand dazu und ist nicht sicherheitsrelevant – sie soll vor allem Passagiere von der Berührung der mittleren abhalten. Das schützt nicht nur das Acrylglas, sondern bei Außentemperaturen von bis zu minus 60 Grad Celsius ebenso die Passagiere vor unangenehmen Kälteempfindungen.
Flugzeugfenster bieten den Reisenden einen außergewöhnlichen Blick auf die Landschaft sowie auf eine Vielzahl physikalischer Phänomene. Dazu gehören nicht nur die von mir bereits in früheren Ausgaben beschriebenen Halos, Glorien und Wolkenstrukturen, sondern auch Erscheinungen, die entstehen, indem das Flugzeugfenster selbst mit der Umgebung wechselwirkt (siehe »Umkränztes Lichtkreuz im Quadrat«, Spektrum August 2017, S. 64). Manchmal zeigen sich gleich mehrere interessante Effekte zur selben Zeit (siehe Foto …).
In Häusern sind bei mehrfach verglasten Fenstern die Zwischenräume der Scheiben luftdicht von der Außenwelt getrennt. Einer der Vorteile davon: Die Glasinnenflächen kommen nicht mit Wasserdampf in Berührung, der kondensieren und den Durchblick trüben kann. Allerdings reagieren solche Scheiben empfindlich auf Änderungen des Drucks in der Umgebung und verformen sich, wenn er nicht genau dem Gasdruck im Zwischenraum entspricht. Das macht sich vor allem indirekt durch optische Phänomene bemerkbar. So eine versiegelte Bauweise würden Doppelscheiben bei den großen Druckunterschieden am Flugzeug mechanisch kaum überstehen – daher das kleine Loch zum Ausgleich mit dem Kabineninnern. Das geht jedoch oft auf Kosten der Durchsicht. Doch wie zur Entschädigung für die Blicktrübung lassen sich dann am Acrylglas interessante Vorgänge beobachten, die man woanders kaum zu Gesicht bekäme (siehe . »Wie vergitterte Fenster die Welt einfärben«, Spektrum Februar 2013, S. 54).
Zuerst zeigt sich im mittleren Bereich des Außenfensters ein deutlicher Belag mit winzigen Tröpfchen. Denn aus der Kabine sind Luft und Wasserdampf mit einer höheren Temperatur in den kühlen Raum zwischen der äußeren und mittleren Scheibe geraten. Hier wird nun der Taupunkt unterschritten, das heißt der im doppelten Wortsinn überflüssige Dampf kondensiert zu feinen Tröpfchen. Sie schlagen sich an der kälteren äußeren Scheibe nieder. An sich sind die mikroskopisch kleinen Wasserperlen weitgehend durchsichtig; aber das Licht wird an ihnen gestreut, also abgelenkt (siehe »Vernebelte Durchsichten«, Spektrum November 2017, S. 70).
Wenn der beschlagene Bereich in unterschiedlichen Farben erstrahlt, lässt das auf sehr kleine Tröpfchen schließen. An ihnen wird das von außen eintreffende Sonnenlicht gebeugt (siehe »Farbenschillernder Nebel«, Spektrum September 2012, S. 46): Das Licht löst an den Tropfen mehrere Elementarwellen in verschiedene Richtungen aus. Treffen sich solche Wellen, die geringfügig unterschiedliche Wege im jeweiligen Tropfen zurückgelegt haben, im Auge des Beobachters, fallen Wellenberge und Wellentäler im Allgemeinen nicht mehr zusammen. Sie haben nicht mehr dieselbe »Phase«, und bei der Überlagerung löschen sich einzelne Wellenlängen des weißen Lichts aus, während sich andere verstärken. Das verändert die spektrale Zusammensetzung, wodurch sich die Lichtwellen nicht mehr zu Weiß addieren, sondern in verschiedenen Farben erscheinen.
Wären die Tröpfchen einheitlich groß, würde man eine Korona sehen, ein in Spektralfarben leuchtendes System konzentrischer Ringe um die Sonne. So etwas entsteht in der Natur manchmal durch dünne Wolken. An beschlagenen Flugzeugfensterscheiben hingegen lassen sich voll ausgebildete Koronen nur selten beobachten. Meistens zeigen sich nur kleinere, unregelmäßige Bereiche einer Farbe.
Häufig wird der beschlagene und kolorierte Bereich der Scheibe von einigen offenbar trockenen und daher transparenten Stellen durchlöchert (siehe Foto). Die Ursache dafür sind Eisnadeln, die an geeigneten Kristallisationskeimen entstanden sind. Während ihres Wachstums haben sie vom Wasserdampf gezehrt und dessen lokale Konzentration drastisch reduziert – so stark, dass Wassertröpfchen in unmittelbarer Nähe wieder verdunstet sind. Das Ergebnis sind klare, trockene Höfe um die Eisnadeln herum. Wie man an einigen Stellen erkennen kann, sind einige von ihnen zu größeren Bereichen zusammengewachsen. Ich konnte während des weiteren Flugs beobachten, wie mit der zunehmenden Kristallbildung schließlich fast der gesamte Tröpfchenbelag verschwand und mit ihm das Farbenspiel.
Die optischen Erscheinungen an den Scheiben hängen stark von den äußeren Bedingungen ab. Weil Letztere sich ständig ändern, sind auch Erstere meist nur von kurzer Dauer. Neben dem Vorbeiziehen weit entfernter Landschaften spielt also direkt am Flugzeugfenster ein zweiter, ebenfalls bemerkenswerter Film.

PDF: Physik am Flugzeugfenster

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