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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubriken: "Spielwiese" und "Blickwinkel"

Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 51/3 (2020), S. 149

Was man beim Blick in eine Wasserpfütze zu sehen bekommt, hängt vor allem davon ab, aus welcher Richtung man in die Pfütze schaut.

Wasserflächen von weitem gesehen, nehmen teilweise die Farbe des Himmels an, weil diese in ihnen spiegelnd reflektiert wird. Ein (flacher) See erscheint deshalb blau, weil der Himmel blau ist. Und wenn der Himmel bedeckt und grau ist, kann der See nicht anders, als es ihm gleichzutun.
Auch die abgebildete Wasserpfütze (Abbildung 1) gibt das Blau des Himmels und das Weiß der Wolken wieder. Nähert man sich jedoch der Pfütze, so verblasst die Farbe zunehmend. Steht man direkt davor (Abbildung 2), so wird die Pfütze unversehens nahezu transparent. Man sieht den darunter und im Randbereich befeuchteten Asphalt teilweise in noch kräftigeren Farben als ohne die Wasserschicht darüber.
Die Ursache für diesen Wechsel ist darin zu sehen, dass der Anteil des reflektierten Lichts umso größer ist, je flacher man auf die Wasseroberfläche blickt (Einfalls- und Reflexionswinkel bezogen auf das Lot zur Wasseroberfläche sind groß) und minimal wird, wenn man senkrecht hineinschaut (Einfalls- und Reflexionswinkel sind Null) (mittleres Foto). Zwar ist von den Wolken noch etwas zu erkennen, aber wegen des geringen Kontrasts zwischen Himmelslicht und feuchtem Asphalt sieht man von den Blauanteilen nichts mehr.
Dieses optische Verhalten beobachtet man nicht nur bei Wasserflächen, sondern auch bei anderen transparenten Medien wie etwa bei Fensterscheiben. Wenn das Licht senkrech einfällt, reflektiert die Grenzfläche zwischen Glas und Luft nur etwa 4%. Dieses hier nur qualitativ angesprochene Phänomen wird quantitativ durch die sogenannten Fresnelschen Gleichungen beschrieben.
Das untere Foto wurde ebenfalls aus größerer Entfernung aufgenommen, allerdings aus umgekehrter Richtung gegen die Sonne. Auch hier sieht man das Himmelsblau und einige Wolken reflektiert. Einen auffälligen Unterschied zeigt der Randbereich, in dem die raue Oberfläche der befeuchteten Splitteilchen ihr dunkles Aussehen (oberes Bild) in ein blendend helles Leuchten gewechselt hat. Da hier dieselbe Pfütze nahezu gegen die Sonne fotografiert wurde, reflektieren die befeuchteten Flächen der Splittteilchen das Sonnenlicht auch noch aus Winkeln in die Kamera, die vom Reflexionswinkel der horizontalen Wasseroberfläche geringfügig abweichen. Es besteht somit eine enge Beziehung zum Phänomen des Schwerts der Sonne [1], bei dem das Sonnenlicht nicht nur an einer Stelle, sondern aus einem mehr oder weniger breiten Nachbarbereich gesehen wird. Beim Foto in Abbildung 1 wurde hingegen mit der Sonne im Rücken fotografiert; die Splittteilchen reflektierten das Sonnenlicht daher hauptsächlich vom Fotografen weg. Hinzu kommt dass dort die diffuse Reflexion im feuchten Randbereich geringer ausfällt als in der trockenen Nachbarschaft, weil das einfallende Licht in der dünnen Wasserschicht einige Male hin-und her reflektiert und dabei stärker absorbiert wird als im trockenen Bereich. Dieses Phänomen kennt man von den kräftigen Farben und dem Glanz feuchter Steine (Physik in unserer Zeit 36/1, 47 (2005)).
An der unterschiedlichen Helligkeit des Grases ist ebenfalls zu erkennen, dass man im einen Fall auf die beleuchtete Seite und im anderen Fall auf die Schattenseite der Gräser blickt.

Literatur

[1] H. J. Schlichting, Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 1998, 51 (7), 387; 1999, 52 (6), 330.

Dies ist die Einreichversion der Publikation.

PDF: Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze.

Diskussionen

6 Gedanken zu “Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze

  1. Sehr schön! Danke Dir!

    Verfasst von kopfundgestalt | 26. Mai 2020, 15:20
  2. Danke für die Erklärung Joachim! Ich habe auch schon oft gedacht, warum spiegelt sich der Himmel in der einen Wasserpfütze und in der Anderen nicht! 🤔🙆👌👍😁
    Liebe Grüße Babsi

    Verfasst von kunst-schaffende-BaSch-Babsi Schnabel | 27. Mai 2020, 13:01
  3. Ich „spiele“ da auch gern mit verschiedenen Blickwinkeln. Polarisation an Pfützen ist übrigens auch sehr interessant.

    Verfasst von ch | 3. Juni 2020, 19:05
    • Ja, da gibt es immer wieder Überraschungen. Du hast Recht, die Polarisation macht sich auch bemerkbar, insbesondere senkrecht zur Sonnenstrahlrichtung. Allerdings war der Effekt im vorliegenden Fall so klein, dass ich damit meine Adressaten wohl kaum hätte überzeugen können. Dafür habe ich an anderen Stellen in meinem Blog deutlichere Polarisationseffekte zeigen können.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Juni 2020, 19:10

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