Strukturbildung, Selbstorganisation & Chaos

Naturschöne Felswand

Nach einem heftigen Regen führte eine überlaufende Wasserpfütze dazu, dass ein Wasserstrom über die Kante einer Sandsteinfelswand schwappte und eine schöne Zeichnung in dem weitgehend einfarbigen Gelb hinterließ. Ein kräftiger Braunton zeigt den durch die Strukturen in der Wand modifizierten Strömungsverlauf des Wassers.
Weil die Benetzung des Sandsteins durch das Wasser die Reflexion des Lichts herabsetzt und ein größerer Anteil absorbiert wird, ergibt sich eine dunklere Tönung als an den trockenen Bereichen.

Zunderschwamm als bunte Manchette

Der fingerdicke Stamm eines abgestorbenen Haselnussbäumchens wird von einem Zunderschwamm mehrlagig (fast) umrundet. Eine volle Umrundung scheint nicht möglich zu sein, weil der Schwamm dazu an beiden Enden zusammenwachsten würde. Das scheint nicht in seinem Wachstumsprogramm vorgesehen zu sein.
Der Zunderschwamm ist ein Pilz und keine Pflanze. Trotzdem kommt er in der Farbenpracht eine Blüte ganz schön nahe.

Langsam aber stets zuhause

Und wie die Schnecke, die
durchs Land streyfft unentwegt
Doch stets zu Haus ist,
da ihr Haus sie bei sich trägt.
John Donne, To Sir Henry Wotton, 1598

Die Langsamkeit ist der Schnecke gewissermaßen auf den Leib geschrieben in Form einer Spirale. Denn diese dehnt sich mit jeder Windung nur um einen Bruchteil ihrer Länge zu den Seiten aus.
Die Langsamkeit des Fortschreitens hat für die beobachtenden Menschen den Vorteil, dass das Schneckenhaus in all seiner Schönheit und Detailliertheit in Ruhe betrachtet werden kann.

Paradiesvogelblume als technisches Vorbild

Die aus Südafrika stammende Strelitzie ((Strelitzia reginae) ist nicht nur von der Kombination der Farben her schön. Sie ist auch in ihren Bewegungsmöglichkeiten faszinierend. Landet nämlich ein Vogel auf der Spitze der von der Blume angebotenen „Sitzstange“ (blau), so wird diese durch das von der Gewichtskraft des Vogels ausgeübte Biegemoment nach unten gebogen. Weil die Stange aus zwei versteiften und miteinander verwachsenen Blütenblättern besteht, wird sie in Längsrichtung zu den Seiten hin aufgeklappt mit der Folge, dass die Staublätter und der Griffel zur Bestäubung freigelegt werden.
In der herkömmlichen Technik würde man für derartige Bewegungen entsprechende Scharniere benötigen, die wie in diesem Beispiel in der biologischen Welt elegant umgangen werden.
Da Scharniere in technischen Einrichtungen wegen der starken Beanspruchung leicht abnutzen, haben sich Ingenieure für diese biologische Variante interessiert und sie auch schon in Form einer bionischen Variante namens Flectofin® realisiert. Dabei wird die Bewegung stabförmiger und flächiger Elemente in Form eines gelenkfreien, stufenlos einstellbaren Klappmechanismus miteinander verbunden. Dafür gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten wie z.B. die verschleißfreie Verstellung beweglicher Sonnenschutzlamellen. Näheres dazu: https://www.youtube.com/watch?v=IQYrCpP0BHQ

Monatsrätsel April 2024 -Eine unheimliche Begebenheit

Als ich mal wieder einmal im Kunstmuseum weilte, rollte eine zwar lokale aber heftig wirkende Gravitationswelle durch das Gebäude. Da es alle Gegenstände erfasste, die der Schwerkraft unterliegen, d.h. sowohl das Gebäude wie auch die Menschen darin, merkte ich rein körperlich nichts davon. Aber da ich zufällig in einen Spiegel blickte, wurde ich des ganzen Malheurs ansichtig. Nicht nur der Boden krümmte sich beträchtlich, auch mein Körper erfuhr offensichtlich einige Deformationen. Davon waren insbesondere mein Fuß und mein Kopf betroffen und natürlich das darin enthaltene Gehirn. Während mein Gehirn aber weiterhin gut funktioniert, wie man an dieser wissenschaftlichen Beschreibung feststellen kann, ist das Stretching meinem linken Fuß nicht so gut bekommen.
Ich denke kaum, dass jemand eine bessere Erklärung für diese unheimliche Begebenheit vorbringen kann – oder?

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Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2024

Frage: Wir möchten wissen, wie die Kreise zustandekommen.
Antwort: Vermutlich wird schon jeder einmal ein solches Bild vor Augen gehabt haben. Es ist dadurch entstanden, dass eine Pfanne gereinigt werden sollte, in der zuvor ein Gericht mit Olivenöl gebraten wurde. Danach wurde dann heißes Wasser hinzugegeben.
Da sich Wasser nicht mit Öl verbindet, strebt es die größtmögliche Trennung an, was sich in der Ausbildung einer minimalen Grenzfläche zwischen beiden Flüssigkeiten äußert. Das zeigt sich zum Beispiel darin, dass das leichtere Öl normalerweise auf dem Wasser schwimmt. Dafür ist aber in diesem Fall die Ölmenge zu gering.
Daher passiert in diesem Fall das Zweitbeste: Das Öl organisiert sich in einzelnen Portionen mit möglichst kleiner Grenzfläche mit dem Wasser: Weil ein gegebenes Volumen in Kugelform die kleinste Oberfläche hat, tendieren die Ölportionen dazu kugelförmig zu werden. Zwar wird das Ziel nicht erreicht, weil die Schwerkraft tendenziell zu einer ebenen Fläche führt, aber immerhin kommt es zu kreisförmigen Rändern.
Davon abgesehen ergibt sich ein naturschöner Anblick auch in einer Umgebung, die das nicht vermuten lässt.
Einige Kommentator*innen haben das Rätsel – bis auf meine physikalischen Spitzfindigkeiten – fast oder ganz gelöst.

Ein iteriertes Osterei zur Feier des Tages

Beim „Aufräumen“ alter Dateien aus den 80er und 90er Jahren, als ich mich intensiv mit nichtlinearer Physik (Chaosphysik) befasste, fand ich das Bild eines Ostereis, das durch die folgende Vorschrift hervorgebracht wurde (Re = 2(a-cosx coshy) – p_x, Im =2(sinx sinhy) – p_y mit den Werten p_x = 1; p_y = 3.) Die Programme dazu sind längst verschwunden und der Chaoshype ist längst verklungen, aber als Darstellung eines ganz besonderen Ostereis mag das Bild hier noch einmal als Symbol für die wunderbaren biologischen Prozesse stehen, die zum Ei und damit einmal mehr zur Frage führen, ob das Ei oder die Henne zuerst da waren.
In diesem Sinne wünsche ich euch ein schönes Osterfest mit vielen realen Eiern.

Zunder für einen Morgenspaziergang

Dieses Foto habe ich kürzlich nach einer sternklaren Nacht gemacht. Obwohl die Lufttemperatur am Tage relativ hoch war, wurden die Dinge in dieser Nacht noch einmal dem kalten Weltall ausgesetzt. Die dabei an den bunten Zunderschwammstrukturen angedockten Reifkristalle heben dieses ansonsten schlichte Ensemble aus verfaulendem Holz, vertrocknetem Gras und verdorrtem Moos aus der Zone der Unscheinbarkeit heraus und geben mir eine visuelle Belohnung für meinen Entschluss, die warme Stube wenigstens temporär für einen Spaziergang eingetauscht zu haben.

Zwischen Tropfen und Kristall

Mal flüssig, mal fest. Oder: Mal Tropfen mal Kristall. Da hatte die Natur sich denn schon mal auf wärmere Zeiten eingestellt und in der kalten Nacht den überschüssigen Wasserdampf an den Blättern der aufkeimenden Natur kondensiert und dann sank die Temperatur noch tiefer: Die Tropfen gefroren so wie sie waren. Da im Wasser Luft gelöst ist, diese aber erst bei Temperaturen gefriert, die auf der Erde natürlicherweise nicht vorkommen, musste die Luft in kleinen Bläschen abgesondert werden. Solche Bläschen erkennt man in dem noch einigermaßen klar gebliebenen Tropfen an dem einzelnen Blatt auf der rechten Seite. Das Innenleben der meisten anderen gefrorenen Tropfen bleibt indessen verborgen, weil anschließend Reifkristalle auf ihnen gewachsen sind. Diese streuen das Licht so stark, dass Strukturen in den Tropfen nicht mehr zu erkennen sind.

Winter ade

Aus meinem nach Westen gehenden Fenster bekomme ich einen großen Teil des Jahreszeitenwechsels vorgeführt. Bis vor kurzem noch verschwand die Sonne links hinter unserem Hausberg, sodass schon am Nachmittag praktisch nichts von ihr zu sehen war. Jetzt erlebe ich wieder einmal wie jedes Jahr um diese Zeit, dass sich die Abende häufen, an denen der Sonnenuntergang immer mehr in mein Blickfeld rückt.
Dieser Sonnenuntergang (Foto) erinnert mich stark an Werke von William Turner (1775 – 1851), die die bis ins Chaotische changierende Wechselwirkung von Sonnenlicht und Atmosphäre immer wieder thematisieren.

Das letzte Eis?

Nach dem frühlinghaft warmen gestrigen Tag, möchte ich noch kurz das vor wenigen Tagen aufgenommene Foto einer zugefrorenen Wasserpfütze zeigen, die allerdings bereits im Auftauen begriffen war. Vermutlich ist es das letzte Eis in diesem Winter, der zumindest bei uns im Norden kein richtiger Winter war. Aber vielleicht kamen gerade deshalb so skurrile Eismuster dabei heraus.

Poröse Kunst und Wärmedämmung

Dies ist ein Ausschnitt aus einer Mauer, die aus Gestein vulkanischen Ursprungs gefertigt wurde. Das Gestein ist relativ weich und von porösen Bereichen durchsetzt, die aus Gaseinschlüssen während seiner Entstehung hervorgegangen sind. Da Gase, insbesondere Luft, sehr schlechte Wärmeleiter sind, verfügt Porengestein über eine große Wärmedämmwirkung.
Eine technische Variante dieses Gesteins ist der sogenannte Porenbeton (Gasbeton), der inzwischen als mineralischer Baustoff eine große Verbreitung gefunden hat. Er wird auf der Grundlage von Kalk-, Kalkzement oder Zementmörtel hergestellt, wobei der Baustoff durch einen speziellen Blähprozess mit Luftporen versehen und anschließend wie Kalksandstein dampfgehärtet wird.
Da die Poren mehr als die Hälfte des Baustoffvolumens ausmachen, ist der Porenbeton trotz großer Härte relativ leicht und verfügt über eine große Dämmwirkung.
Ob die Idee zur Herstellung von Porenbetons vom porösen Tuffgestein früherer Vulkanausbrüche abgeguckt wurde, weiß ich nicht. Ich fühlte mich von der Natursteinmauer (Ausschnitt im obigen Foto) ästhetisch angesprochen und fand die Verbindung zum Porenbeton einfach naheliegend.

Felslandschaft

Nicht ich schien die Wand zu berühren, sondern aus dem Stein lösten sich feine Teilchen und strömten meiner Hand zu, zogen mich in einen Regelkreis, in dessen pulsierendem Gleichmaß die Grenzen der Dinge mehr und mehr schwanden und einem Zustand Raum gaben, der alle Unterschiede, Konturen und Selbstgewißheiten zu einem chaotisch an- und abschwellenden Rauschen umschmolz.*

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* Klaus Modick. Die Schrift vom Speicher. Frankfurt 1994, S. 74

Blumige Spirale in Herzform

Diese Spiralen werden durch die Korkenzieher-Begonie (Begonia rex-cultorum) hervorgebracht. Das Beispiel zeigt einmal mehr, dass es kaum geometrische Figuren gibt, die nicht auf irgendeine Weise in der belebten Natur realisiert werden. Im vorliegenden Fall wird die bei vielen Pflanzen anzutreffende Anordnung der Blätter (Phyllotaxis) um den Stamm herum nach dem Prinzip des Goldenen Winkels gewissermaßen kontinuierlich in Form einer durchgehenden Spirale fortgesezt. Damit ist die Möglichkeit gegeben, dass die Pflanze das einfallende Licht und damit die für das Wachstum nötige Energie optimal einfangen kann.

Schwebende Seifenblase

Ein Straßenkünstler produzierte für begeisterte Kinder große Seifenblasen. Eine Blase begab sich auf Abwege und näherte sich einer Bogenlampe. Aber die Erwartung, dass sie daran zerschellen oder einfach weiter treiben würde, erfüllte sich nicht. Vielmehr näherte sie sich dem Bogen der Lampe an und blieb wie eingeschmiegt in die Krümmung des Bogens sekundenlang stehen, bevor sie platzte.
Da Luftströmungen nicht zu sehen/fühlen waren, kann ich nur vermuten, dass andere lokale Einwirkungen im Spiel waren. Aber welche? Wieder so eine Frage, die offen bleiben musste.
Interessant war auch das Verhalten der Blase während des Fluges. Im Bestreben exakt kugelförmig zu werden, oszillierte sie zwischen einer horizontalen und vertikalen Ellipsoidform hin und her.

Polygonale Muster an der Felsenküste

Diese Steinstruktur, die so etwas wie einen Querschnitt durch ein polygonales Säulenensemble darstellt, fand ich an der Küste einer kanarischen Insel. Abgesehen davon, dass sie naturschön anzusehen ist, verweist ihr Aussehen auf Aspekte ihres Entstehens. Möglicherweise sind diese Polygone bei der Erkaltung von heißer Lava entstanden, indem sich eine energetisch günstige Rissstruktur ausgebildet hat. Dagegen spricht allerdings das Aussehen dieses stark verwitterten Gesteins. Sie erinnern so gar nicht an Lavagestein.
Auch könnte die Struktur auf verfestigte Konvektionsvorgänge verweisen, wie sie beispielsweise in Salzseen unter dem Einfluss der Sonne vorkommen, die sich dann irgendwann verfestigten und in den Kreislauf der Gesteinsbildung gerieten.
Aber auch diese Möglichkeit halte ich für relativ unwahrscheinlich. Fakt ist jedoch, dass hier vor undenklichen Zeiten etwas Geordnetes passiert sein muss, das nunmehr seit sehr langer Zeit den vom Wasser überspülten Boden eines felsigen Ufers bildet.

Einladende Alltagskunst

Diesen bunten und raffiniert strukturierten Flur im Eingangsbereich eines Hauses fotografierte ich in Santa Cruz auf der kanarischen Insel La Palma. Auch wenn der Anblick für manch einem farblich vielleicht etwas zu überladen wirkt, fand ich die Buntheit an einem Ort, der ansonsten meist mit Düsterheit verbunden ist, sehr einladen und stimulierend…

Schlanke Eisberge in Zaunpfählen

Hier kommt noch ein Nachzügler aus den kalten Tagen dieses Winters. Das Foto wurde mir von Roland Kuhn zugeschickt, der diese Situation gesehen und fotografiert hat. Oft werden solche interessanten und in der Rekonstruktion des Geschehens nicht immer einfachen Phänomene übersehen, weil viele Menschen sie gar nicht sehen oder sogar uninteressant finden. Daher danke ich Herrn Kuhn sehr herzlich für die Zusendung des Fotos.
Hier meine Bildinterpretation:
Offene Rohre wie man sie zuweilen als Zaunpfähle benutzt haben die Angewohnheit bei Regen mit Wasser vollzulaufen. Und wenn es dann noch viel regnet, laufen sie auch leicht bis oben hin zu. Im Winter kann so ein wassergefülltes Rohr leicht vom Frost überrascht werden. Und wenn dieser eine Zeitlang anhält, kristallisiert das Wasser zu Eis.
Da sich Wasser bei Gefrieren anders als viele andere Stoffe ausdehnt (Dichteanomalie des Wassers), wird ein Teil des Eises aus dem Rohrende herausgedrückt und verleiht den Zaunpfählen einen Eispfropfen. Mit Einsetzen höherer Temperaturen schmilzt der der Sonne ausgesetzte Kopf des Eiszylinders kaum, weil wegen der Transparenz des Eises nur wenig Strahlungsenergie absorbiert wird und es daher kaum verflüssigt wird.
Ganz anders sieht es im Innern des Rohres aus. Da dieses die Sonnenenergie gut absorbiert und sich infolgedessen merklich erwärmt, wird die Energie durch Wärmeleitung an den Eiszylinder im Innern übertragen. Dieser beginnt zu schmelzen und befindet sich alsbald in einem Wasserbad, das immer wärmer wird. Weil die Dichte des Eises geringer ist als die des Wassers, entwickelt sich mit zunehmender Wassermenge im Rohr eine Auftriebskraft, die schließlich dazu führt, dass der ganze Eispfropfen im Rohr aufsteigt und wie ein Eisberg auf dem Wasser schwimmt.
Genau diese Situation ist auf dem Foto zu sehen. Der vorher im Bereich des von der Sonne beschienenen Rohres gelegene Teil der Eissäule hat viel an fester Substanz verloren, die in Form von Wasser im Rohr verblieben ist. Daher ragt die angeknabberte Eissäule entsprechend weit aus dem Rohr heraus. Interessanterweise ist sogar noch ein Teil des tiefer gelegenen Bereichs der Eissäule zu sehen, der im Schatten lag und von der eingestrahlten Sonnenenergie nicht profitieren konnte. Die klare Trennung zum fast weggeschmolzenen Teils zeigt, dass das erwärmte Wasser stets nach oben steigt und der untere Teil des Eises stets mit dem kältesten Wasser in Berührung blieb.
Am oberen Ende ist umgekehrt die Eissäule bereits sehr dünn, weil sie – solange sie noch im Rohr steckte – mit dem wärmsten Wasser umgeben war bis sie schließlich alle Bindungen verlor und aus dem Rohr herausschoss.

Rätselfoto des Monats März 2024

Wir möchten wissen, wie die Kreise zustandekommen.

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Erklärung des Rätselfotos des Monats Februar 2024

Frage: Wieso sprießen die Eiskristalle nicht auf dem Eis?

Antwort: Zwar suggeriert die dicke Eisschicht, dass sie kälter ist als die aus dem Eis herausragenden Blätter des letzten Herbsts. Es wäre daher naiverweise zu erwarten, dass die Kristalle des erstarrenden Wasserdampfs der vorangegangenen kalten Nacht auf der Eisfläche entstehen würden. Aber das ist nicht der Fall. Während der Nacht, in der die Erde mehr Energie zum kalten Weltall abstrahlt als sie selbst aufnimmt, sinkt die Temperatur schneller in den Gegenständen, die nur eine geringe Wärmekapazität haben. Das sind in diesem Fall die Blattreste. Daher docken die überschüssigen Moleküle des Wasserdampfs der Luft zunächst hier an und bringen diese schönen Gebilde hervor. Die Eisschicht hat hingegen eine sehr große Wärmekapazität. Bei Abgabe eines gleich großen Energiestroms pro Fläche wie bei den Blättern, ändert sich die Temperatur vergleichsweise wenig.

Kristalle der Nacht

Als ich am frühen Morgen diese leicht überzuckerten Hagebutten sah, wusste ich, dass in der letzten Nacht die Temperaturen an bestimmten Stellen unter dem Gefrierpunkt gewesen sein müssen, während laut Wetterbericht die Lufttemperatur noch darüber lag.
Um das zu verstehen muss man folgendes wissen: Die nächtliche Abkühlung bei klarem Himmel kommt dadurch zustande, dass die Erde lokal mehr Energie durch Wärme ins kalte Weltall schickt, als sie selbst von dort erhält. Dies betrifft insbesondere die kleinen Gegenstände wie die beiden Hagebutten. Denn da sie nur über eine kleine Wärmekapazität verfügen, fällt ihre Temperatur bereits dann unter den Gefrierpunkt, wenn größere Gegenstände noch im positiven Temperaturbereich bleiben.
Es haben sich daher an den kleinen kalten Rauigkeiten der Rosenfrüchte Wasserdampfmoleküle niedergelassen, um dort vor Kälte zu erstarren und im neuen kristallinen Gewand zu erscheinen. Und genau das fiel hier als naturschöner Anblick in die Augen.

Trockenrisse – zwischen Ästhetik und Hässlichkeit

Erst auf dem zweiten Blick erkannte ich, dass die Trockenrisse eine weitere Struktur vereinnahmt hatten, die eines Kastanienblattes. Es muss vorher in die Pfütze gefallen und anschließend von Sedimenten bedeckt worden sein. Als die Pfütze dann endgültig austrocknete und das Sediment in einem Muster aus Trockenrissen zerfiel, „mischte“ sich die biologische Struktur des bereits abgeschriebenen Blattes mit ein und lieferte nun eine gewisse Spannung zwischen Zerfall und Aufbau.
Trockenrisse sind in unseren Zeiten negativ konnotiert. Zu oft sieht man Bilder von fruchtbaren Feldern, die infolge klimatisch bedingter Trockenheiten für Armut und Hunger stehen. Es fällt schwer, die Ästhetik der Strukturbildung unabhängig von diesen Bildern und den damit verbundenen Gedanken zu sehen.

Farbiges Ringsystem im Eisenbahnfenster

Die Aufnahme erfolgte in der Eisenbahn bei relativ hoher Geschwindigkeit, daher die Unschärfe. Scharf ist nur eine ovale farbige Ringstruktur, weil sie mit uns mitfuhr. Das Gebilde befand sich nämlich auf der Fensterscheibe und war für mich zunächst rätselhaft. Ich kenne zwar solche farbigen Ringsysteme, von denen ich einige auf diesem Blog gezeigt habe (z.B. hier und hier und hier und hier). Aber in den Fällen war offensichtlich, dass es sich um ein Interferenzphänomen an dünnen Schichten handelt. Hier aber geht es um eine dicke Fensterscheibe.
Ich erinnerte mich schließlich, dass seit einigen Jahren Scheiben in Eisenbahnzügen mit einer transparenten Kunststofffolie beklebt werden. Ein Schaffner erzählte mir, dass das eine Maßnahme gegen Vandalismus sei, denn eine Zeitlang machten sich einige Fahrgäste einen Spaß daraus, die Scheiben mit einem Schlüssel oder anderen harten Gegenstand zu zerkratzen. Das würde mit der Folie weitgehend vermieden.
In diesem Fall hat sich vermutlich die Folie auf der Scheibe ein wenig gelöst und Anlass zur Bildung einer sehr dünnen Luftschicht gegeben. Die Luftschicht ist offenbar von der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts. Sie verhält sich daher ähnlich wie beispielsweise Brüche im Eis oder Glas. Im Farbmuster erkennt man mehrere Interferenzordnungen mit (von innen nach außen) Farbringen von blau über grün und gelb nach rot gehend.

Bifurkationen

Alles, was sich verästelt,
verzweigt: Delta Blitz Lunge,
Wurzeln, Synapsen, Fraktale,
Stamm- und Entscheidungsbäume;
alles, was sich vermehrt
und zugleich vermindert –

nicht zu fassen,
schon zu reichhaltig
für dieses Spatzenhirn,
dieses x-beliebige Glied
einer infiniten Serie,
die sich hinter dem Rücken
dessen, der da, statt zu denken,
gedacht wird, entwickelt,
verästelt, verzweigt.*

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* Hans Magnus Enzensberger, Kiosk. Neue Gedichte. Frankfurt am Main 1997

Alt und naturschön…

…ist diese Felswand, der man ihr Alter (nicht) ansieht.

Farbspiele und Pareidolie

Bei diesem Bild habe ich eine Technik angewendet, die man als Décalcomanie bezeichnet. Sie wird dadurch realisiert, dass man Farben auf ein Blatt Papier oder eine Folie gibt und ein zweites Blatt darauf presst. Wenn man jetzt beide Folien auseinanderzieht, dringt Luft von den Seiten ein und schafft fraktale Kanäle, die die plattgedrückte Farbe zu einem strukturierten Bild modellieren. Dabei geht es nicht darum ein Motiv abzubilden. Vielmehr überlässt man das weitgehend dem Zufall.
In der nichtlinearen Physik spricht man vom viskosen Verästeln, über das ich in diesem Blog schon einige Male berichtet habe (z.B. hier oder hier).
Im vorliegenden Fall (siehe Foto) scheint sich wieder einmal eine Pareidolie eingeschlichen zu haben. Vermutlich ist sie einem Rosenmontagszug zu entspringen. Seht ihr sie?

Aufwärtsstrebende Flammen

In dieser Jahreszeit blicke ich gern in die Flammen des Kamins und genieße die Vielfalt der immer wieder neuen Gebilde untermalt von den dazugehörigen knisternden Geräuschen.
Warum streben Flammen nach oben? Physikalisch gesehen handelt es sich um heiße Gase, die von der kühleren und damit schwereren (dichteren) Umgebungsluft hochgedrückt werden. So gesehen handelt es sich um Strukturen, die sich der Schwerkraft verdanken.

Sonnenuntergang auf einem Exoplaneten

Ich wurde kürzlich gefragt, wie ein Sonnenuntergang am Meer auf einem schnell rotierenden Exoplaneten aussehen würde. Ein wenig Rechnerei brachte dann dieses Bild hervor. Wer jetzt Lust hat, dort seinen nächsten Urlaub zu verbringen sollte sich vielleich schon mal bei Elon Musk anmelden.

Eigenwillige Sandrippel

Ich wundere mich immer wieder, wenn große Felder von Sandrippeln in wüstenartigen Gegenden ziemlich gleichartige nahezu parallele Hügelketten bilden, deren Hänge zwar nicht identisch (so etwas gibt es in der Natur nicht) aber ähnlich gestaltet sind. Beeindruckend ist dabei, dass die Sandkörnchen nach Farben sortiert werden: dunkle Streifen wechseln mit hellen Streifen, sodass deutlich wahrnehmbare Muster entstehen. Auch wenn man leicht nachvollziehen kann, dass die hellen und dunklen Körnchen wegen unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften (z.B. Dichte) anders auf den Wind reagieren, der sie vor sich hertreibt, lässt sich nur schwer begründen, wieso sich die zweite Reihe von unten plötzlich in zwei Streifen aufteilt (Bifurkation). Daher versuche ich es auch gar nicht erst.
Interessant ist außerdem, dass der untere Streifen diesen „Ausbruch“ des Nachbarn trotz der Störung des Gesamtbilds nicht nur toleriert, sondern sogar durch ein kühnes Ausweichmanöver Platz macht.
Hier könnte man leicht geneigt sein, neben der physikalischen Perspektive eine poetische zu erkennen: Die Rippel reimen sich zwar, aber hin und wieder nimmt sich der poetische Wind die Freiheit, eine kleine Dissonanz einzubauen und wenn auch nur zu dem Zweck, dass ich es genießen kann.
Ich habe öfter solchen Musterbildungsvorgängen beigewohnt und dem Heulen des Windes gelauscht. Ich bilde mir ein, im vorliegenden Fall die kleine optische Dissonanz auch akustisch anklingen gerhört zu haben.

Picasso und die Verpixelung der Welt

Als ich vor einigen Tagen wie dieser Mensch (rechts unten) über ein merkwürdig strukturiertes Pflaster in Münster ging, wurde mir mal wieder bewusst, dass bei größerem Abstand weitaus Größeres zu sehen ist, wie es in diesem Foto aus einem höheren Stockwerk des Kunstmuseums Picasso in Münster zu sehen ist. Ich bin immer wieder erstaunt, dass Besucher des Museums sowie Passanten, die über diese Pflasterung vor dem Museum gehen, nicht wissen, was es damit auf sich hat. Dabei ist dieses Riesenkunstwerk wert, eine eigene Betrachtung zu erfahren. Immerhin wird hier in großer Anschaulichkeit (ob bewusst oder nicht) mit der Bedeutung der Verpixelung unserer Welt „gespielt“, die hier in sehr konkreter Weise auf den Punkt, in dem die Fläche zum Punkt wird. Freilich genügt der normale Abstand zum Pflaster nicht, um dies konkret zu erleben, aber aus einem höheren Stockwerk betrachtet erscheint es schon eindrucksvoll. Wer sich für die hinter diesem Phänomen stehenden wahrnehmungstheoretischen Hintergründe interessiert, kann sich hier informieren.

Strukturbildung bei eisiger Kälte

Als ich am Abend den Wasserstrom verließ, der langsam in der Senke (auf dem Foto rechts) verschwand fing es an zu frieren. Es wurde eine eisige Nacht. An einem der folgenden Tage sah ich das Ergebnis: Der Wasserstrom war offenbar noch während des Fließens vom Frost erwischt worden. Normalerweise kann man davon ausgehen, dass fließende Gewässer nur sehr zögerlich zufrieren. Aber es muss wohl so gewesen sein, dass sich trotz des bewegten Wassers eine dünne Eishülle gebildet hat, die beim Abebben des Stroms noch durch festfrierende Spritzer verstärkt wurde. Jedenfalls zeigt das Gebilde so etwas wie eine Einhüllende eines fließenden Stroms, von dem nichts mehr übrig blieb als eben diese Hülle.
Ob meine Interpretation richtig ist weiß ich nicht. Ich war nur ganz am Anfang und weit nach dem Ende zugegen. Aber die Strukturen fordern eine Interpretation heraus.

Anhänglicher Schmutz

Jede Oberfläche hat Lust auf Staub
Joseph Brodsky

Partikel in der Wohnungsluft lagern sich an bestimmten Stellen von Wänden verstärkt an und verursachen dort dunkle Flecke. Dahinter steckt ein Thermophorese genannter Effekt, bei dem Temperaturunterschiede den Staub zu kälteren Oberflächen befördern.

Es scheint paradox: Moderne Heizungen werden sauberer, Reinigungsverfahren gründlicher, und trotzdem lassen sich ausgerechnet in neueren Wohnungen häufig Verschmutzungen an Wänden und Gegenständen beobachten. Sie machen sich als intensiver dunkler Belag bemerkbar und treten vor allem im Winter während der Heizperiode in Erscheinung.

Dabei handelt es sich allerdings in den seltensten Fällen allein um Ruß durch offene Kamine, übermäßiges Rauchen oder Kerzen. Oft sind diese nicht einmal beteiligt. Vielmehr stehen hinter dem meist nach dem englischen Begriff Fogging bezeichneten Phänomen diverse Ursachen. Quantitative Modelle, mit deren Hilfe man den unschönen Niederschlag gezielt vermindern oder beseitigen könnte, scheint es zwar noch nicht zu geben. Aber in seinen wesentlichen Aspekten lässt sich der Vorgang physikalisch beschreiben.

Klar ist, dass die oft schwarzen oder grauen Beläge in den betroffenen Räumen durch dort driftende Staubteilchen zu Stande kommen. Da von diesen in der Luft direkt nichts zu sehen ist, müssen sie winzig sein und von Strömungen allmählich an die entsprechenden Orte transportiert werden.

Kleine Teilchen halten sich nämlich sehr lange in der Luft auf. Sie unterliegen dort wie alle anderen Objekte vor allem zwei widerstreitenden Kräften: ihrem Gewicht und dem Luftwiderstand. Die Gewichtskraft wird durch die Masse bestimmt. Letztere variiert proportional zum Volumen eines Teilchens, also ganz grob gesehen mit der dritten Potenz seines Radius. Die Luftwiderstandskraft hingegen ändert sich lediglich proportional zur Querschnittsfläche, also mit dem Quadrat der Radius. Wenn die Größe abnimmt, sinkt daher der Luftwiderstand weniger rasch als das Gewicht und dominiert irgendwann das Geschehen. Mikroskopische, kaum wahrnehmbare Partikel sind daher bereits relativ kleinen Luftbewegungen ausgeliefert und wandern mit diesen unablässig umher, statt einfach herabzufallen.

Eine wesentliche Ursache für solche Strömungen in der Wohnung sind Temperaturdifferenzen. Sie entstehen durch Wärmequellen wie Heizkörper oder Lampen gegenüber vergleichsweise kalten Wänden oder Fenstern. Die Dichte der Luft nimmt mit sinkender Temperatur zu. Solche Unterschiede rufen weiträumige Bewegungen hervor, die umher driftende Staubteilchen mitreißen. Man spricht auch von Thermodiffusion oder Thermophorese. Von der Warte der Moleküle aus gesehen kann man die Drift von Warm nach Kalt so beschreiben, dass die Luftmoleküle von der heißeren Seite aus kräftiger auf die Staubteilchen einprasseln und ihnen im Mittel mehr Bewegungsenergie übertragen.

Die Ströme, die auf die kalten Wände auftreffen, geben einen Teil ihrer Wärme an das Hindernis ab. Derart abgekühlt bewegen sie sich anschließend zurück und kommen im Zuge einer globalen Strömung schließlich wieder in der Ausgangsregion an. Demgegenüber ereilt die mittransportierten Staubteilchen ein anderes Schicksal. Weil deren Masse wesentlich größer ist als die der Luftmoleküle, prallen sie aus Trägheit mit stärkerer Wucht auf die Wände und bleiben dort zum Gutteil kleben. Beim Anhaften spielen Kohäsions- und Adhäsionskräfte und damit chemische und elektrostatische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle – die Schmutzteilchen ziehen sich gegenseitig an und werden ihrerseits vom Wandmaterial angezogen.

Meist bilden die auftreffenden Partikel einen schmierigen Belag, der nur schwer zu beseitigen ist. Das lässt sich ebenfalls auf deren Beschaffenheit zurückzuführen. Denn solcher »Schwarzstaub« tritt insbesondere in Räumen auf, die stark mit Feinstaub belastet sind. Dieser besteht aus Teilchen, die weniger als zehn Mikrometer messen.

Derartige Partikel können bei ganz unterschiedlichen Aktivitäten entstehen, vom Kochen über das Abbrennen von Kerzen oder Duftlampen bis zum Betrieb von Elektronikgeräten. Sie werden aber auch spontan freigesetzt: Schwarzstaub besteht oft aus schwerflüchtigen organischen Verbindungen, die beispielsweise als Weichmacher in Kunststoffprodukten enthalten sind und in zahlreichen weiteren Materialien wie Verpackungen, Kosmetika, Lacken oder Klebstoffen vorkommen, die als »lösemittelfrei« deklariert werden. Das heißt, sie enthalten keine chemischen Substanzen mit einem Siedepunkt von unter 200 Grad Celsius, die viel leichter verdampfen.

Deswegen verströmen die Gegenstände zwar keinen unangenehmen Geruch, dafür entweichen die schwerflüchtigen Verbindungen über längere Zeiträume im Verlauf von Monaten. Fabrikneues Mobiliar oder eine Renovierung mit vermeintlich unbedenklichen Farben schützen also nicht vor dem schmutzigen Phänomen, sondern können es im Gegenteil erst hervorrufen.

Schaut man sich die dunklen Stellen an den Wänden genauer an, so sind in vielen Fällen die innersten Eckbereiche hell geblieben. Das lässt sich darauf zurückführen, dass sich an solchen Stellen großer Richtungsänderungen die Grenzschicht zwischen der strömenden Luft und der Wand ablöst – in der Ecke entsteht ein verwirbelter Bereich. Das reduziert die Stärke der Wechselwirkung zwischen der mit Feinstaub belasteten Luft und der Wand. Folglich werden die tiefsten Ecken weniger verschmutzt und bleiben heller als die benachbarten Flächen.

Da große Temperaturunterschiede die Thermophorese begünstigen, sind die Verunreinigungen oft umso intensiver, je kälter die Wände an den betroffenen Stellen sind. Auf diese Weise werden manchmal sogar verborgene Wärmebrücken sichtbar.

Wären die Ablagerungen nicht so dunkel, würde man sie wohl als weniger störend empfinden. Die Schwärze muss keine Eigenfarbe der verschiedenen Substanzen sein, die in den Partikeln zusammenkommen. Vielmehr verweist sie auf die Art der Entstehung des Staubs: Mikroskopische Teilchen vereinigen sich zu schwammartigen Gebilden mit vielen Hohlräumen. Dort wird auftreffendes Licht durch zahlreiche Reflexionen weitgehend absorbiert und in thermische Energie umgewandelt. Es kommt daher nur wenig sichtbare Strahlung zurück.

Schwarzstaub ist ein alltägliches Phänomen und wird meist erst dann als Problem wahrgenommen, wenn er etwa durch Weichmacher klebrig wird oder in Form von Flecken sichtbar in Erscheinung tritt. Zu Letzterem tragen Temperaturunterschiede durch übermäßiges Heizen einerseits und schlecht isolierte Zimmer andererseits bei. Da beim Fogging jedoch viele Faktoren zusammenwirken, lässt sich schwer vorhersagen, ob und wo die Flecken auftreten werden. Sind sie aber erst einmal da, geben sie zumindest Hinweise darauf, worauf man bei der nächsten Renovierung achten sollte.

Kurzer Durchblick

Der Blick auf die scheinbar unendlich ausgedehnte und ziemlich gleichbleibende Wolkendecke durch das Flugzeugfenster erlaubte plötzlich einen Duchblick auf eine zunächst rätselhaft erscheinende Struktur. Was mag das sein?

Strukturiertes Pfützeneis

Diese Pfütze habe ich während einiger Tage beim Zufrieren verbunden mit dem Versickern des Wassers beobachtet habe. Die hellen Linien zeigen typische Rückzugsgrenzen auf, die den jeweiligen Stand des unter dem Eis noch flüssigen Wassers aufzeigen. Innerhalb dieser Grenzen liegt das Eis bereits auf dem festen Boden auf. Lediglich im oberen dunklen Teil ist noch Wasser vorhanden, das wohl in der kommenden Nacht verschwinden wird.
Zurück bleibt ein naturschönes, kreatives Eismuster, das durch sein Muster die nur schemenhaft nachzuempfindenden physikalischen Vorgänge aufgezeichnet hat und eine ungefähre Ahnung davon vermittelt, was zwischen Versickern, Gefrieren, kurzfristigem Auftauen, Kondensieren und erneutem Gefrieren passiert sein mag.
Wer möchte kann rechts oben auch noch eine Pareidolie eines ausdruckstarken Gesichts erkennen und sich zu einer passenden Geschichte anregen lassen.

Weiße Kontinente auf schwarzer Straße

Hier war vor sehr langer Zeit ein Farbeimer umgekippt. Keiner fühlte sich verantwortlich, die im Übrigen wenig frequentierte Straße zu säubern. Also nahm die Natur es selbst in die Hand und machte daraus … ein naturschönes Muster.

Dendritische Winterlandschaft

Nun, da der Schnee sich weitgehend verflüssigt hat, erleichtert mir das Foto einer anderen Schneelandschaft den Übergang. Denn was hier wie winterlich entlaubte Büsche in einer vom blau schimmernden Schnee und bedeckten Himmel bestimmten Szenerie daherkommt, sind Eisen-Manganausscheidungen im Plattenkalk, also eine vollkommen anorganisches Situation. Die natürlichen Strukturen halten sich offenbar nicht an die Grenzen der vom Menschen geschaffenen Kategorien.
Ich habe diese naturschönen Gebilde schön öfter gezeigt. Diesmal fand ich die Struktur jedoch nicht in einem Steinbruch, sondern in einer Natursteinmauer in Spanien. Naja, letztlich stammt sie auch aus einem Steinbruch.

Niederschläge mit Sinn für Ästhetik

Wenn Wasser aus den Tiefen der Erde hochsprudelt und anschließend auf die Erde zurückregnet und dort verdunstet, lässt es den größten Teil seiner chemische Last in Form von gelösten Mineralien zurück (hier vor allem Eisen (Braunfärbung)). Es entsteht ein farbenprächtiges Muster aus zahlreichen Zellen (Größenordnung: Zentimeter), das schön anzusehen ist, aber berührungshart daherkommt.