Unscheinbare Blätter mit interessanter Wirkung

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 52/1 (2021), S. 43

Blätter von Bäumen können als Isolatoren und Absorber von Wärme fungieren und dank dieser Eigenschaft im Winter zu auffälligen und physikalisch interessanten Erscheinungen führen.

 Eigentlich gehören die im Herbst abgeworfenen Blätter nicht in den Winter. Sie werden auch kaum wahrgenommen. Es sei denn, sie stellen sich für eine auffällige physikalische Demonstration zur Verfügung.
Im vorliegenden Fall hat es zum ersten Mal geschneit. Aber der Boden ist noch gar nicht auf „Winter“ eingestellt. Anders als die Lufttemperatur, die in der Nähe des Gefrierpunkts liegt, befindet sich seine Temperatur noch deutlich darüber. Wegen der großen Wärmekapazität des feuchten Bodens ändert sich das auch nicht so schnell, sodass der frisch gefallene Schnee sofort getaut ist oder schon kurz nach der Landung wieder flüssig geworden ist. Mit wenigen Ausnahmen.
Ein Eichenblatt ist weitgehend vom Boden isoliert, weil es so gekrümmt ist, dass es ihn nur mit den Blattspitzen berührt. Daher ist es fast ausschließlich der kalten Luft ausgesetzt – der Wärmetransport vom vergleichsweise warmen Boden auf das Blatt und damit auf den Schnee ist weitgehend unterbunden. Zum Schmelzen fehlt also die Schmelzwärme. Außerdem verfügt ein Blatt wegen seiner geringen Masse über eine sehr kleine Wärmekapazität. Daher muss nur wenig Energie an den Schnee abgeben werden, um dessen Temperatur anzunehmen – zu wenig, um ihn in größerem Umfang zu schmelzen.

Ein Blatt schmilzt sich durchs Eis
In einem anderen Fall hat der Wind einige Blätter auf die Eisfläche eines Teiches geweht. In den folgenden Tagen ist es milder geworden und es scheint hin und wieder die Sonne. Dabei kann man beobachten, dass das leichte Blatt langsam aber sicher im Eis einsinkt.
Weil Eis wenig Lichtenergie absorbiert, das meiste Licht durchlässt und einen Teil reflektiert, erwärmt es sich in der Sonne nur sehr wenig. Ganz anders das dunkle Blatt. Es nimmt einen großen Teil der Sonnenenergie auf, gibt einen Teil davon wieder ab und verwandelt den größten Teil in thermische Energie, die zur Erwärmung führt. Ein Teil der Energie wird durch Wärme an das Eis abgegeben, das dadurch an der Oberfläche schmilzt und eine wässrige Verbindung zwischen Eis und Blatt schafft. Diese Verbindung sorgt in der Folge dafür, dass die durch das Blatt thermalisierte Sonnenenergie auf effektive Weise durch Wärmeleitung an die Eisschicht abgegeben wird.
Dass dieser Wärmeübergang weitgehend auf die Blattfläche beschränkt bleibt, kommt eindrucksvoll in der Abzeichnung der Blattform zum Ausdruck. Da die Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, verliert das Blatt verhältnismäßig wenig Energie durch Wärmeleitung an die Luft. Erst durch den Umweg über das Blatt wird die Sonnenenergie thermalisiert und kann das Eis in einem begrenzten Bereich zum Schmelzen bringen.
Bei einer anderen Gelegenheit konnte beobachtet werden, dass ein ganz ähnlicher Thermalisierungsvorgang von Blättern ausgehen kann, die sich unmittelbar unter der Eisschicht befinden. In dem Fall sind es die abgestorbenen Blätter einer Wasserpflanze. Sie absorbieren, das durch die Eisschicht hindurchgehende Sonnenlicht und erwärmen sich dadurch. Die Energie wird dann durch Wärmeleitung an das nunmehr kältere Eis abgegeben, sodass eine Mulde in die Eisschicht hineingeschmolzen wird. Diese konnte nach Einsetzen der Tauperiode unmittelbar sichtbar gemacht werden, indem an der entsprechenden Stelle ein Stück herausgebrochen wurde.