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Strukturbildung, Selbstorganisation & Chaos

Diese Kategorie enthält 160 Beiträge

Driftstrukturen auf einem fließenden Gewässer

Auf der Oberfläche von fließenden Bächen driftet allerlei Material, das vor einer Barriere steckenbleibt. Das Wasser fließt unterhalb, seitlich oder sonst wo von diesem feinen Treibgut befreit weiter. Im Laufe der Zeit wird das Treibgut Stück für Stück oder – besser gesagt – Faden für Faden zu einer Fläche zusammengeschoben, deren variierende Färbung die im Laufe der Zeit variierende Beschaffenheit der zusammengeschobenen Teilchen zum Ausdruck bringt.
Ob wohl schon mal jemand die Herkunft dieser akkumulierten Substanz analysiert hat?
Auch die Frage, warum sich das Material in harmonisch gekrümmten Fäden sammelt, die quer über den Bach gespannt sind, drängt sich geradezu auf. Dabei lässt sich die Krümmung wohl dadurch erklären, dass die Fäden dem Profil des fließenden Wassers entsprechen, das an den Ufern stärker gebremst wird und daher hinter der ungehinderten Hauptströmung in der Mitte des Stroms zurückbleibt.
Auf jeden Fall lässt sich diesen Strukturen aus Treibgut eine gewisse Ästhetik nicht absprechen. Die Natur macht auch hier aus „Schmutzteilchen“ etwas Naturschönes.

Die Thoreau-Reynolds-Welle auf der Wassertonne

Ich habe schon oft die Erfahrung gemacht, dass wenn ich ein neues Phänomen gesehen und verstanden habe, es sich fortan immer häufiger zeigt. Und das obwohl ich es bis dahin nie bewusst wahrgenommen habe. Der Blick wird gewissermaßen „geprägt“.
So geht es mir in letzter Zeit mit einer unscheinbaren winzigen linienförmigen Welle, die so klein ist, dass es sehr günstiger Lichtverhältnisse bedarf, um sie überhaupt zu sehen. Im aktuellen Fall war ich dabei, Wasser in eine größere Tonne zu pumpen, aus der ich die Gartenpflanzen versorge. Dazu legte ich den wasserführenden Schlauch in die Tonne und wartete, bis sie gefüllt sein würde. Plötzlich sah ich sie, die Thoreau-Reynolds-Welle, und auch nur deshalb, weil sie den Unregelmäßigkeiten des Wasserstroms entsprechend leichte Schwankungen zeigte. Im Foto ist es die horizontal verlaufende Linie. Die anderen linienartigen Strukturen werden durch Reflexionen eines nahe gelegenen Gebäudes hervorgebracht.
Das unter Wasser aus dem Schlauch herausströmende Wasser wurde an der Wand der Tonne nach oben abgelenkt und lief – an der Oberfläche angekommen – zur gegenüberliegenden Seite. Dabei wurden oberflächenaktive Substanzen (die fast in jedem Wasser vorhanden sind) gegen die Wand gedrückt. Sie bildeten schließlich einen so großen Bereich, dass die Oberflächenschicht des weiterhin anströmenden Wassers unter sie hinweg tauchen musste. Als Reaktion auf diese Richtungsänderung nach unten bildete sich eine kleine Erhebung nach oben – die Thoreau-Reynolds-Welle. Obwohl ich wegen der Transparenz des Wassers, die einzelnen Strömungen gar nicht sehen konnte, erschließe ich dieses Szenario aus der kleinen Welle.

Strukturbildung bei Sandlawinen

Das Foto zeigt den leeseitigen Abhang einer Sanddüne, auf dem gerade eine Lawine abgeht. Sie lässt zum einen an der oberen Abbruchkante erkennen, dass die Sandrippel schichtweise aus dunklen und hellen Sandkörnchen besteht. Diese Strukturbildung verdankt sich einem Entmischungsvorgang (Segregation) infolge vorangegangener Bewegung des Sands durch den Wind.
Da ich keine größere Einwirkung auf die Dünenwand bemerkte, wird die Lawine durch eine winzige Störung ausgelöst worden sein. Zu solchen Abgängen kommt es, wenn durch Zufuhr von Sandkörnchen, die ständig über die Dünenkante strömen, der kritische Schüttwinkel des Abhangs überschritten wird. Durch den Abgang des Sands nimmt der Neigungswinkel im steilen oberen Bereich der Böschung ab bis er wieder unterkritisch geworden ist.
Beim vorliegenden Lawinenabgang „verflüssigt“ sich zunächst der helle und der dunkle Sand der mittleren und der unteren Schicht. Sie eilen – sich dabei mischend – dem dunklen Sand der oberen Schicht voraus, die sich anschließend auf den Weg macht und vor allem in die Tälern der Rippel ergießt. Sie kommen ziemlich schnell zum Stillstand, weil durch den vorausgegangenen Abgang der mittleren und unteren Sandschicht der Neigungswinkel wieder unterkritisch geworden ist.
Die Mischung und Entmischung der beiden vorherrschenden Sandarten (dunkler Sand mit großer Dichte und heller Sand mit geringerer Dichte) führen oft wegen des deutlichen Farbkontrasts zu naturschönen Gebilden.

Faltung und Entfaltung

Alle Jahre wieder staune ich und freue mich darüber, wie aus dem völlig zerknäult aussehenden, an Seidenpapier erinnernden biologischen Gewebe, das hier wie aus einem Maul der Klatschmohnpflanze hervorbricht, innerhalb kürzester Zeit eine so schöne Blüte hervorzugehen vermag. Dabei ist der Vorgang von jedwedem Knäueln und Knüllen weit entfernt. Wie an anderer Stelle ausführlicher beschrieben, sind die späteren Blütenblätter schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Knospenbildung mit einer raffinierten, platzsparenden Faltungstechnik angelegt worden, die dann zum gegebenen Zeitpunkt nur noch einen vergleichsweise kleinen Impuls benötigt, um sich in kürzester Zeit in der uns vertrauten Pracht zu entfalten.

Die Schönheit des Wüstensands

Wer sagt die Wüste sei öd und leer, der kennt nicht die ganze Wahrheit. Die Sandwüste bestehend aus Myriaden von Sandkörnern, die in ihrer Schlichtheit und scheinbaren Nichtigkeit kaum zu überbieten sind, die durch die Finger rinnen und sich scheinbar allenfalls an den Partnerkörnern stoßen können, bringen oft durch Wind und Wellen „beflügelt“ faszinierende Strukturen und Muster hervor. Ich kann mich bei Wanderungen in Wüsten oder auch nur in begrenzten Dünenlandschaften oft kaum sattsehen an naturschönen Anblicken. Sie stellen darüber hinaus oft Rätsel über ihre Entstehung und temporäre Stabilität dar, die nicht selten ungelöst bleiben müssen. Allenfalls lassen sich Teilaspekten physikalisch aufklären. Das habe ich in der Vergangenheit an vielen Stellen in diesem Blog getan. Diesmal lasse ich die Strukturen einmal physisch, physikalisch und gedanklich völlig unangetastet…

Sandgeschichten – Minilawine am frühen Morgen

Die Sonne ist kaum aufgegangen und schickt ihr gelbliches Licht flach über die Hänge der Sanddünen. Dabei hebt sie eine feine Miniskulptur aus dem Sand hervor, die ich ansonsten wohl kaum wahrgenommen hätte. Diese kleine langgezogene Sandzunge erzählt mir dann eine kleine Geschichte, die ganz oben an der feinen Spitze beginnt.
Man sieht dort das Ende der Spur eines Käfers, die direkt in die Zunge übergeht. An der Stelle löst das Tierchen diese seiner Größe entsprechende kleine Sandlawine aus. Sie gelangt aufgrund der konkaven Wölbung des Abhangs schnell in den unterkritischen Bereich der Neigung und kommt zum Stillstand: Der Sand, der im oberen Teil der Lawine im Bewegung kam, und eine entsprechende Vertiefung hinterließ, finden sich hier als volumenmäßig gleich große Erhöhung wieder: Konkaves wird konvex.
Die Geschichte geht aber noch ein wenig weiter. Den Spuren auf der Sandzunge zufolge hat sich das Tierchen schnell aus der unfreiwilligen Fahrt mit dem Sand-Paternoster befreit, findet schnell wieder Tritt und hat nichts besseres zu tun, als die nunmehr zum Stillstand gekommene Sandzunge zu überqueren. Es sieht so aus, als hätte der Käfer völlig ungerührt seinen ursprünglich eingeschlagenen Weg ein wenig parallel verschoben fortgesetzt.

Löwenzahnglatze

Nachdem ich vorgestern die Schönheit der Silberhaare einer Löwenzahnblüte thematisiert habe, möchte ich noch nachtragen, was bleibt, wenn die Haare hoffentlich ein ruhiges Plätzchen als Ausgangspunkt für die nächste Generation von Löwenzahnpflanzen gefunden haben: ein Glatzköpfchen, das selbst eine naturschöne Struktur aufweist. Denn die spiralige Anordnung der Vertiefungen, in denen je eines der Samenkörner verankert war, zeigt, dass die Natur offenbar den Goldenen Winkel selbst dort (annähernd) realisiert, wo man es nicht erwartet.*


* Peter H. Richter, Hans-Joachim Scholz. Der Goldene Schnitt in der Natur. In: Bernd-Olaf Küppers (Hrsg.) Ordnung aus dem Chaos. München 1987, S. 175ff

Blütenstaubmuster

Der in unserer Gegend lang vermisste Regen hat ein kurzes Intermezzo eingelegt und zumindest den Blütenstaub vom Dach gespült. Dieser bildet unter den (auf)rührenden letzten Tropfen auf der Wasseroberfläche der Regentonne herrliche, chaotische Muster (siehe Foto). Schaut man genau hin so sieht man am oberen Rand der Mitte des Fotos gerade einen etwas verwischten Tropfen, der im nächsten Moment ins Wasser fällt und ein völlig neues Muster hinterlässt.
Auf dem Foto sind außerdem drei gleichartige Embleme zu erkennen. Wer weiß, woher sie stammen?

Auch Wolken tragen zuweilen eine Mütze…

Wenn man zurzeit bei Sonnenschein wandert, ist für manche Menschen eine Kopfbedeckung zu empfehlen. Auf unserer letzten Wanderung hatte ich ein Käppi, mein Begleiter hatte seines vergessen. Dafür erblickte er trotz deren Unscheinbarkeit eine Kappe hoch am Himmel, die eine cumulusartige Wolke teilweise abdeckte (siehe Foto). Vermutlich handelt es sich um eine Pileus-Wolke (lat. für Mütze), die unseren Recherchen zufolge vor allem dann auftritt, wenn „die Luft an der Oberseite des Cumulus sehr feucht ist und durch die weiter aufquellende Wolke gehoben wird“ (Wikipedia). Man kann sie als Vorstufen einer Umwandlung von Cumulus in Cumulonimbuswolken ansehen, die oft einer Schauer- oder Gewitterbildung vorausgehen. In der Tat regnete es einige Stunden später tatsächlich. Aber da waren wir längst wieder zuhause.

Sonnenbildchen auf bewegtem Wasser

In der Natur bedarf es nicht viel, um ästhetisch ansprechende Strukturen hervorzurufen. Hier ist es ein Ausschnitt aus einem kleinen, flachen Bach, in dem durch kleine Störungen Kapillarwellen ausgelöst werden, die wie optische Linsen wirkend, den Boden abbilden. Die durch die endliche Belichtungszeit der Kamera gegebene Bewegungsunschärfe sorgt für kleine Verzerrung des bewegten Wassers. Die dadurch gegebenen Strähnen sorgen für eine künstliche Beigabe, die das Foto zu einem künstlerischen Strukturbild werden lässt. Der naturschöne Aspekt geht dadurch aber in keiner Weise verloren.
Auffallend sind die zahlreichen Sonnenbildchen, die für den Moment der Aufnahme auf gleichsinnig orientierte Oberflächenelemente der bewegten Wassers verweisen. Sie sind hier für einen Augenblick stillgestellt und versehen das Szenario mit blendend hellen Lichtaugen.

Vom lockeren Sand zum festen Gestein

Die beiden Fotos sind keine 200 m voneinander entfernt aufgenommen worden und doch trennen sie geologische Zeiträume. Das linke Foto ist gerade mal ein oder zwei Tage alt, nachdem die Struktur durch einen Sandsturm aus dunklem und hellem Sand geschaffen wurde. Das rechte Foto deutet auf eine ganz ähnliche Entstehungsgeschichte hin, aber es ist kein lockerer Sand mehr sondern festes Gestein, das hier als Element eines Gehweges mit Mörtel verfugt wurde. Vermutlich ist es in einem nahe gelegenen Steinbruch gefördert worden, nachdem durch welche erdgeschichtlichen Vorgänge auch immer eine Versteinerung der ehemaligen Dünenlandschaft stattgefunden hat, die der heutigen sehr ähnlich gewesen sein muss.
Für mich ist es ein merkwürdiges Gefühl, diese beiden Strukturen, die sich offenbar nur in der Festigkeit unterscheiden, hier in trauter Gemeinsamkeit vorzufinden, als wäre es das Natürlichste von der Welt: Alles ist nach wie vor da, nur die Zeit ist weg.

Bestäubte Regentropfen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 5 (2022), S. 77-78

Es regnete so stark, daß alle Schweine rein
und alle Menschen dreckig wurden

Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799)

Auf Pflanzenblättern sammeln sich Pollen und anderer feiner Staub. Ein Regenschauer wirkt reinigend und hinterlässt manchmal Tropfen, die einiges über die physikalischen Vorgänge bei der Schmutzbeseitigung verraten.

Manche Pflanzen verteilen ihre Pollen so verschwenderisch, dass andere in ihrer Nachbarschaft regelrecht mit einer Schicht aus Blütenstaub eingedeckt werden. Das kann die betroffenen Blätter in ihrer Photosynthese einschränken. Zum Glück sorgen ab und zu Regenschauer wieder für klare Verhältnisse. An Wassertropfen, die an den Blättern hängenbleiben, kann man nachvollziehen, wie die Reinigungsvorgänge physikalisch ablaufen.

Das zeigt sich zum Beispiel an Maiglöckchen (siehe »Maiglöckchenblatt«). Nach einem heftigen Regenschauer sind bei anschließendem Sonnenschein auf waagerecht ausgerichteten, leicht konkaven Blättern einige liegen gebliebene Wassertropfen zu sehen. An dem größten von ihnen lassen sich die wesentlichen Aspekte des Reinigungsvorgangs rekonstruieren. Neben einer kleinen Spiegelung der Sonne fällt ein größerer heller Fleck auf der höchsten Stelle des Tropfens auf. Wie man an seinem Schatten auf dem Blatt erkennen kann, hat er einen materiellen Ursprung: eine nahezu kreisförmige Ansammlung von Pollenkörnern, die der Regen beim Gleiten über das ehemals bestaubte Blatt eingesammelt hat.

Wenn Regentropfen auf Bäumen oder anderen Pflanzen landen, hängt ihr Schicksal vor allem von der Beschaffenheit der Blattoberfläche ab. Bei wasserliebenden (hydrophilen) Flächen ist für eine gemeinsame Grenzfläche zwischen Wasser und Blatt weniger Energie nötig als zwischen Wasser und Luft. Die Tropfen breiten sich also möglichst ausladend auf dem Blatt aus. Bei wasserabweisenden (hydrophoben) Flächen muss hingegen verhältnismäßig viel Energie aufgebracht werden, und die gemeinsame Grenzfläche zwischen Blatt und Wasser bleibt daher vergleichsweise klein.

Ein Maß für die Benetzbarkeit ist der so genannte Kontaktwinkel, der sich zwischen Festkörper und Flüssigkeit einstellt. Von Hydrophobie spricht man, wenn er größer ist als 90 Grad. Das ist bei den Maiglöckchen offenbar der Fall. Insbesondere die kleinen Tropfen erscheinen fast kugelförmig. Bei ihnen macht sich der Einfluss der Schwerkraft weniger stark bemerkbar als bei den deutlich abgeflachten voluminöseren Exemplaren.

Sobald Regentropfen auf dem Maiglöckchenblatt landen, nehmen sie die Pollen auf, mit denen sie in Kontakt geraten. Die Pollen sind hydrophil und bleiben deswegen am Wasser haften. Interessanterweise versammeln sie sich entgegen der Schwerkraft an der höchsten Stelle der Tropfen und ordnen sich nahezu kreisförmig an.

Die Vorgänge lassen sich auf einfache Weise in einem Freihandexperiment nachvollziehen. Dazu füllt man ein Trinkglas vorsichtig so voll mit Wasser, dass es sich über den Rand hinaus aufwölbt – die Oberflächenspannung und die Hydrophilie des Glases verhindert ein Überlaufen. Die höchste Stelle des konvexen Wasserspiegels liegt dann in der Mitte. Gibt man nun einige Styroporkügelchen auf die Oberfläche, driften sie sofort dorthin und ziehen sich gegenseitig an (siehe mittleres Foto). Sie tendieren dazu, gemeinsam eine hexagonale Form mit minimalem Umfang anzunehmen. Bei einer größeren Anzahl kleiner Teilchen wie den Pollen erscheint das als Kreis.

Durch die Benetzung der Kügelchen werden diese ein wenig tiefer ins Wasser gezogen, als es ihrem Gewicht entspricht. Ähnlich wie bei einem im Schwimmbad herabgedrückten Ball provoziert das eine zusätzliche Auftriebskraft. Bei der erstbesten Gelegenheit nehmen die Teilchen daher die jeweils höchste Stelle ein. Deswegen wandern die Pollen am Tropfen und die Styroporkügelchen die gewölbte Wasseroberfläche im Trinkglas empor. Die gegenseitige Anziehung erfolgt aus demselben Grund. Sobald ein Teilchen in die Reichweite des konkaven Meniskus eines anderen kommt, steigen sie jeweils darin auf, bis nur noch eine schmale Wasserlamelle zwischen beiden besteht.

Der reinigende Effekt durch Staubpartikel einsammelnde Tropfen ist am stärksten bei hydrophoben Blättern ausgeprägt, also solchen, die von Wasser nur wenig benetzt werden. Da die Lotuspflanze das Phänomen besonders eindrucksvoll zeigt, spricht man auch vom Lotuseffekt. Er hat seine Ursache in einer besonderen mikroskopischen Struktur und wird häufig als Paradebeispiel für die Bionik genannt, bei der es darum geht, natürliche Phänomene technisch zu adaptieren. So reinigen sich speziell beschichtete Oberflächen bei einem Regenguss selbst.

Aber selbst bei hydrophilen Pflanzenblättern kann es bei größeren Schmutzansammlungen zu einer Art Hydrophobisierung kommen. Indem die aufprallenden Tropfen sich mit einer Staubschicht umgeben, haben die Blätter weniger direkten Kontakt zum Wasser, und die Hydrophilie nimmt ab. Den Effekt kann man ebenfalls durch ein einfaches Experiment nachvollziehen. Träufelt man etwas Wasser auf Bärlappsporen, so werden die Tropfen mehr oder weniger vollständig damit überzogen, während sie über das Puder kullern (siehe unteres Foto). Jetzt erfolgt der Kontakt mit dem Untergrund nur noch über die Staubhülle, und so werden die ummantelten Tropfen praktisch hydrophob. Sie rollen bei der kleinsten Neigung vom Blatt hinab und hinterlassen schließlich eine mehr oder weniger gesäuberte Unterlage.

Am Tag des Baumes – Überlebensbemühungen

Zum heutigen Tag des Baumes möchte ich über einen Baum berichten, der vor einigen Jahren durch einen heftiger Sturm entwurzelt und umgekippt wurde (siehe Foto). Der Wurzelballen ist dabei senkrecht aufgerichtet worden (links oben). Dabei blieben offenbar wesentliche Versorgungswurzeln intakt, so dass der Baum weiterlebte. Er funktionierte einige Äste zu Stämmen um, die sich offenbar unvermittelt aufwärts gerichtet und den Baum in ein mehrstämmiges Wesen umgewandelt haben. An den „Knickstellen“, an denen der Baum sich aus der Waagerechten wieder in die Senkrechte wendet, hat er wohlweißlich Triebe in den Boden gesenkt und ist auf diese Weise an diesen Stellen zusätzlich zu den alten Wurzeln im Wurzelballen neu verankert. Ich vermute, dass diese Wurzeln nicht in erster Linie der Versorgung dienen, sondern vor allem der Stabilität, denn die vom alten Urstamm ausgehenden neuen Stämme wurden inzwischen so groß und schwer, dass die Stabilität immer prekärer wurde und diese Absicherung erforderten. Dieser Baum ist inzwischen so stark verankert, dass er die letzten heftigen Stürme schadlos überstanden hat. Welch eine subtile und auf den gesamten Baum abgestimmte Koordination der verschiedenen Reaktionen auf die veränderte Lage ist hier am Werk! Hoffen wir, dass der Förster diesen Baum auch weiterhin gewähren lässt und sei es als Symbol des Überlebenswillens: Nicht aufgeben, auch wenn es aussichtslos erscheint.

Irisierende Wolken aus zweiter Hand

Warum sieht man irisierende Wolken meistens im Wasser oder auf anderen spiegelnden Flächen in der Umwelt und nicht direkt am Himmel? Weil man dazu zu den sonnenlichtdurchfluteten Wolken aufschauen muss. Und das meidet man meistens – zu Recht.
Auf dem Foto sieht man gespiegelte irisierende Wolken. Da die Glasscheiben nur je nach Einfallswinkel einen mehr oder weniger kleinen Prozentsatz der Lichtintensität der Sonne reflektieren, lässt sich das Licht in aller Ruhe ohne Einschränkungen anschauen.
Wie kommt es zu diesem schönen Farbenspiel?
Bei den Wolken handelt es sich meist um Altocumulus, die sich in einer Höhe von 1500 bis 5000 m befinden. Daher bestehen sie nicht aus Eiskristallen, sondern aus kleinen Wassertröpfchen. An diesen Tröpfchen wird das Sonnenlicht gebeugt. Man stelle sich am besten vor, dass beim Auftreffen des Lichts an den verschiedenen Stellen eines Tröpfchens neue Lichtwellen ausgelöst werden. Und wenn die sich im Auge des Betrachters oder der Linse der Kamera überlagern, haben sie im Allgemeinen geringfügig unterschiedliche Wege zurückgelegt. Ist der Wegunterschied gerade so groß, dass sich Wellenbauch und Wellental einer bestimmten Wellenlänge des Lichts (Farbe) aufheben, fehlt die entsprechende Farbe im Spektrum des weißen Lichts und man sieht den Rest der Farben, die sogenannte Komplementärfarbe. Wenn sich Wellenberg und Wellenberg treffen, tritt hingegen eine Verstärkung dieser Farbe auf. Aber auch in diesem Fall wird die „Farbmischung“ des weißen Lichts entsprechend gestört und das Licht wird dadurch farbig.
Bei einem einzelnen Wassertropfen würde man also unter einem bestimmten Winkel zur Einfallsrichtung des Lichts eine ganz bestimmte Farbe sehen. Unter einem anderen Winkel würde eine andere auftreten. Der Tropfen erschiene dann von einem System farbiger Ringe umgeben. Da die Lichtwellen periodisch sind, wiederholten sich die Farben, wenn der Winkel so groß wäre, dass sich jede zweite Wellenberg und –bauch überlagern könnten usw. Allerdings sähe man meist nur eine oder zwei Ordnungen von Farbringen, weil die sich überlagernden Wellenzüge bei natürlichem Licht sehr kurz sind. Man sagt auch, die Kohärenzlänge des Sonnenlichts ist sehr klein.
Damit man die durch Beugung hervorgegangenen Farbringe des weißen Lichts aus der Entfernung überhaupt zu sehen bekommt, muss die Intensität des gebeugten Lichts groß genug sein. Das ist aber nur dann der Fall, wenn sehr viele Tropfen zusammen wirken. Damit dass jedoch passiert, müssen sie von der gleichen Größe sein. Denn nur dann werden die Wellen einheitlicher Wellenlänge (derselben Farbe) in etwa dieselbe Richtung ausgesendet. Wenn der Bereich einheitlicher Tropfengröße in der Wolke hinreichend groß ist, würde man die Sonne oder ihren Reflex auf den Scheiben von einem farbigen Ringsystem umgeben sehen, einer Korona.
In der Realität schwankt die Tröpfchengröße um einen bestimmten Mittelwert. Je nach der Stärke der Abweichung treten wieder Vermischungen der Farben auf, so dass die Korona nur mehr oder weniger farbig erscheint. Im Extremfall überwiegt dann wieder das weiße Mischlicht und die Korona entartet in einen hellen Hof um die Sonne.
Im vorliegenden Fall sind die Tropfengrößen in verschiedenen Teilen der Wolke zwar lokal einheitlich aber global unterschiedlich. Dann entsteht überhaupt kein Ringsystem mehr und es sind nur noch Farbfetzen und –bänder zu sehen und man spricht man von irisierenden Wolken. Die Farben können sich je nach der Dynamik der Tropfen in den Wolken ständig ändern. Besonders häufig ist das Irisieren in Teilen einer Wolke zu sehen, die gerade im Entstehen begriffen ist und daher Tropfen in jeweils einheitlicher Größe aufweist. Das ist meist am Rande der Wolken der Fall. Da sind die Wolken außerdem hinreichend dünn, sodass das Licht überhaupt durch die Tropfenschicht hindurch dringt. In manchen Fällen kann man die Wolken selbst dann irisieren sehen, wenn sie weit von der Sonne entfernt sind.

Die Natur neigt zu Kreisen…

Obwohl beide Bilder einander sehr ähneln, indem sie ein System konzentrischer Kreise zeigen, stellen sie völlig verschiedene Situationen dar. Links blicken wir auf ein Gespinst von Spinnweben und rechts auf konzentrische Wasserwellen, die durch einen Steinwurf ins Wasser erzeugt wurden.
Während jedoch die Wellen sehr real sind ist das Spinnengewebe an sich völlig chaotisch. Lediglich der Blick gegen die Sonne erweckt den Eindruck, man habe es hier mit konzentrisch gesponnenen Fäden zu tun. Auch die Farben werden durch kein Pigment hervorgerufen, sondern durch Beugung des Lichts an den Spinnfäden und hier insbesondere an den winzigen Klebetropfen, mit denen die Spinnen ihre Netze zu tödlichen Fallen für die Insekten machen. Dennoch – das Kreisförmige drängt sich geradezu auf.

Schönheit aus energetischer Sicht

Die beiden Steine sinken mit dem auf- und ablaufendem Wasser am Strand immer etwas tiefer in den Sand. Das geht langsam, die Natur hat Zeit. Infolge des immer wieder anströmenden Wassers wird der Stein unterspült und findet sich schließlich in einer kleinen Vertiefung wieder. Dieser Vertiefung strebt das im Sand gespeicherte Wasser zu. Aber es tut dies mit System. Nicht jede Wasserportion wählt ihren eigenen Weg, sondern den bereits von anderen gebahnten, wodurch ein kleines Rinnsal entsteht. Und dieses Rinnsal fließt in ein größeres und das größere Rinnsal in ein noch größeres. Warum so umständlich? Nur um dem Menschen einen naturschönen Anblick zu bieten? Das Wasser strebt auch hier wieder der tiefsten Stelle zu, weil dadurch Energie an die Umgebung abgegeben werden kann. Die bereits vorhandenen Rinnsale sind lokal gesehen die tiefsten Stellen.
Interessanterweise wird die Energie nicht irgendwie, sondern auf – ich möchte sagen – „ökonomische“ Weise abgegeben, indem pro Zeiteinheit so wenig Energie wie möglich an die Umgebung übergeht.
Das Ergebnis sind Strukturen, die in den meisten Fällen von den Menschen als geordnet oder ästhetisch ansprechend empfunden werden.

Eine physikalische Vertiefung dieser Überlegungen findet man hier.

Morgensonne gespiegelt im Waldbach

Wegen der noch tiefstehenden Sonne lag bei diesem Morgenspaziergang der Wald noch weitgehend im Schatten. Hier und da gab es einen hellen Sonnenfleck, der wegen des Kontrasts die Details des Waldbodens überstrahlte. Erst wenn man näher kam und die Augen sich auf die Helligkeit einstellen konnten, war alles zu erkennen. Einer dieser Sonnenflecken fiel auf den Waldbach und dessen bewegtes Wasser reflektierte das Licht spielgelnd in die Augen. Da der Spiegel in diesem Fall aus einer bewegten, teils stationären, teils sich verändernden welligen Oberfläche bestand, wurden die gespiegelten Gegenstände entsprechend deformiert. Hinzu kommt, dass sich wegen der Transparenz des Wassers auch noch Details des Untergrunds mit einmischen, sodass sich bewegte Bilder ergaben, von denen das Foto eine Momentaufnahme zeigt.
Auch wenn man nicht wüsste, welcher Gegenstand in dieser Aufnahme gezeigt wird, düfte intuitiv klar sein, dass wir es nicht mit einem zufallsgenerierten Szenario zu tun haben, sondern mit dem Anblick eines real ablaufenden Vorgangs.

Physikalische Erzählung einer Fensterfront

Ein buntes Kaleidoskop von Farben und Formen zeigt sich hier in Gestalt von Fensterscheiben. Obwohl die Fenster dicht beieinanderliegen treten die Reflexe in mehr oder weniger unterschiedlicher Weise auf.
Die Reflexe des 1., 3. und 10. Fensters (von oben links nach unten rechts gezählt) stimmen in ihrer Grundstruktur weitgehend überein. Entsprechendes gilt für das 4., 5., und das 8. Fenster; auch das 2. und 7. Fenster könnte man dazurechnen. Ganz aus dem Rahmen fallen das 6. und das 9. Fenster, deren Scheiben kaum eine Struktur zeigen, dafür aber eine weitgehend einheitliche tief blaue Färbung. Gemeinsam ist allen Fenstern, dass sie dem Reflexionsgesetz gemäß das Licht von den gegenüberliegenden indirekten Lichtquellen reflektieren. Das ist im Falle der beiden blauen Fenster der blaue Himmel. In allen anderen Fällen handelt es sich offenbar um Teile von Gebäuden, die der Fensterfront von der Sonne beschienen gegenüber liegen. Anders als man es in den meisten Fällen gewohnt ist, sind die gespiegelten Ansichten aber dermaßen verzerrt, dass sie so gut wie nicht zu erkennen sind. Man kann nur erahnen, dass in einigen Fällen ebenfalls Fenster der Ausgangspunkt für das Licht sind.
Der Grund für diese Verzerrungen liegt nicht etwa darin, dass es sich um schlecht gefertigte Fenster handelt. Vielmehr erkennt man an ihnen eindeutig, dass wir es mit doppelt verglasten, also modernen Fenstern zu tun haben. Sie sind aufgrund von Luftdruckunterschieden zwischen dem Innenraum der luftdicht verklebten Scheiben und der Außenwelt leicht nach innen oder außen gewölbt und wirken, wie in einem früheren Beitrag ausführlicher dargestellt, ähnlich wie Hohl- und Wölbspiegel. Im vorliegenden Fall dominiert allerdings nur der Reflex einer der beiden Scheiben.
Die Verzerrung und damit die Wölbung der Scheiben ist umso größer, je mehr sich die Stärke des Luftdrucks zwischen dem Innenraum der Doppelglasscheiben zum Zeitpunkt ihrer Herstellung und dem Außendruck bei der fotografischen Aufnahme unterscheidet. Die Ähnlichkeit der Verzerrungen der abgebildeten Scheiben weist darauf hin, dass der gleiche Außendruck geherrscht haben muss, die entsprechenden Scheiben also etwa zur gleichen Zeit hergestellt wurden. Dies gilt vermutlich nicht nur für die Scheiben 4, 5 und 8, sondern auch für die Restlichen. Der Unterschied ist vermutlich dem unterschiedlichen Grad der Strukturiertheit der reflektierten Gebäudeteile zuzuschreiben. Unstrukturierte Teile zeigen auch in der Reflexion keine Struktur, wie insbesondere bei den beiden Scheiben zu erkennen ist, die Ausschnitte des blauen Himmel reflektieren.
Bleibt nur noch die Frage, warum die beiden blauen Fenster aus der Reihe tanzen und offenbar über das gegenüberliegende Gebäude „hinwegschauen“. Wie am dunklen Schattenstreifen am oberen Rand dieser Fenster zu erkennen ist, stehen sie „Kipp“ und stellen daher einen anderen Einfallswinkel für das einfallende Licht dar als es bei den übrigen Fenstern der Fall ist. Die Kippstellung von Fenstern führt auch in anderen Zusammenhängen zu überraschenden Phänomenen (z.B. hier und hier, hier).
Die abgebildete Fensterfront hat also einiges zu „erzählen“ über
– die Art der Fensterverglasung,
– den Luftdruckunterschied zwischen Ort und/oder Zeit der Herstellung und ihres jetzigen Aufenthalts und
– über das Wetter.

Viel Wirbel bei der Begrüßung eines Wasserstroms

Diese Wirbel entstehen dadurch, dass sich ein schäumender Wasserstrom in ein größeres Becken ergießt, um dort im Einvernehmen mit dem Wasserbecken zur Ruhe zu kommen. Das geschieht vor allem dadurch, dass die Bewegungsenergie durch Verwirbelungen aufgezehrt wird. Normalerweise merkt man kaum etwas von diesen Vorgängen. Durch die hellen und offenbar sehr haltbaren Blasen des ankommenden Wassers werden jedoch die Spuren der Wasserbewegungen sichtbar und zeigen naturschöne Vorgänge, die man ohne den Schaum nicht zu Gesicht bekommen hätte: Schäume erzeugen Säume, die Bilder gestalten wie Träume.

Wellenmuster einer eiligen Gans

Auf einer Wanderung in der Krummhörn traf ich auf dieses weiße Gans, die auf die Brücke zueilte, auf der ich eine kurze Rast einlegen wollte. Sie zeichnete dabei dieses schöne Wellenmuster ins Wasser, sodass ich sofort bereit war, meinen Proviant mit ihr zu teilen – jedenfalls im Verhältnis zu unseren Körpergewichten.
Weil Wasser transparent ist, kann man die Oberflächenstruktur nur dann erkennen, wenn das von ihr ausgehende Licht nicht einheitlich strukturiert ist, sondern aus farblich unterschiedlichen, hier im Wesentlichen hellen und dunklen Bereichen besteht. Das ist oft durch die Spiegelung prägnanter Wolken oder wie im vorliegenden Fall durch die Spiegelung des noch unbelaubten Geästs von Bäumen im Wasser gegeben.
Obwohl das Herannahen der Gans ganz leicht und unangestrengt wirkt, zeigt die Tiefe der Bugwelle, dass sie doch einige Energie investieren muss, um schnell zu einer Kompensation zu gelangen. Die Gans muss gute Erfahrungen mit Menschen gemacht haben, dass sie den Einsatz für lohnend erachtet.

Strukturen aus dem Untergrund

Was ist auf diesem Foto zu sehen? Hochzüngelnde Flammen in ungewöhnlichen Farben. Oder merkwürdige Pflanzen die dem Licht entgegen streben? Mit solchen Fragen könnte ich diesen Beitrag beenden und das Foto als eine Art naturschönes Kunstwerk stehenlassen. Oft tue ich das.
Aber eines meiner wesentlichen Anliegen ist es zu erklären. In diesem Fall geht es mir darum zu zeigen, was man in seiner Umgebung sehen kann, wenn man es nicht übersehen würde. Unsere Netzhäute werden nämlich wesentlich öfter von sehenswerten und ästhetische ansprechenden Dingen belichtet als man denkt. Sehen muss gelernt werden.
Die hier zu sehenden Gebilde sind Wasserströme, die langsam aus dem feuchten Sanduntergrund hochquellen und aufgrund unterschiedlicher Strömungsbedingungen (zentrale Strömung = meist schnell, Randströmung = meist langsam) den aus schwarzen und weißen Sandkörnern bestehenden Untergrund zu natürschönen Gebilden umgestalten. Diese Gebilde variieren in der Höhe nur um wenige Zentimeter, sind also weit von der Höhe entfernt, die uns (vielleicht nur mir?) das Foto vorgaukelt.
Die Aufnahme wurde an einem vielbesuchten Strand gemacht, der zur Landseite hin eine gewisse Steigung besitzt und erst kurz vorher die Gezeitenflut hinter sich gelassen hat. Vermutlich strömt nunmehr – vom Druck des auflastenden Wassers befreit – das Untergrundwasser nach oben. Für mich ist es jedenfalls ein naturschöner Anblick. Nicht weit von dieser Stelle entfernt beobachtete ich merkwürdige Minivulkane, die ebenfalls eine ästhetische und – wenn man so will – wissenschaftliche Seite haben..

Spirale 17 – Farbenprächtige Wirbel auf einer Seifenblase

Eine nach einem Regenschauer im feuchten Gebüsch hängen gebliebene Seifenblase denkt (zunächst) gar nicht daran zu platzen. Allerdings macht sie einigen Wirbel und das unter Aufbietung aller Farben, die die Natur in dieser Situation zu ermöglichen vermag. Man wird an die Wirbel der Hoch- und Tiefdruckgebiete auf der ebenfalls kugelförmigen Erde erinnert. Sie zwingt durch ihre Drehung die von einem Hoch- zu einem Tiefdruckgebiet strömenden Luftmassen, sich zu Wirbeln einzukringeln. Die Seifenblase sitzt hier hingegen ziemlich fest, sodass die Wirbel eine andere Ursache haben. Es ist vor allem der darüber streichende Wind, der die dünne Wasserschicht in Bewegung bringt, sodass sich auf der Kugeloberfläche ein winziger Hurrikan entwickelt. (Wenn kein Wind herrscht, kann man die Wirbel unter Zuhilfenahme eines Strohhalms durch vorsichtiges Blasen anfachen.) Hinzu kommt, dass diese an sich schon schönen Strukturen sich auch noch in ästhetisch ansprechenden Farben ergehen. Wie die Farben in der dünnen Seifenhaut entstehen, haben wir früher kurz erläutert.

Physik im Alltag – Seltsame Phänome und ihre Erklärungen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft Spezial 1.22 (2022) 82 Seiten

Physikalischer Reiz des Gewöhnlichen
Die Menschen haben von jeher die Natur nicht nur wahrgenommen, sondern die Natur auch auf die eine oder andere Weise zu verstehen versucht. Aus heutiger Perspektive erstaunlich tief gehende physikalische Einsichten hat bereits Leonardo da Vinci vor mehr als 500 Jahren bei seinen zahlreichen Beobachtungen und zeichnerischen Rekonstruktionen bewiesen. Damals war die neuzeitliche Physik noch im Entstehen begriffen, sodass man nur darüber staunen kann, wie klar und verständlich Leonardo viele Alltagsbeobachtungen dargestellt hat. Die Kunst kam ihm bei der grafischen Rekonstruktion der Phänomene sehr zugute (S. 6).
Physik und Kunst haben sich von jeher gegenseitig befruchtet und zahlreiche Erscheinungen inspirieren oft durch ihren ästhetischen Reiz dazu, sie näher zu erschließen.
Aber selbst profan wirkende Vorgänge führen manchmal erstaunlich weit bis in die moderne Forschung.
So ist es eine alltägliche Erfahrung, Schnecken auf ihrem glitschigen Schleimfilm gleiten zu sehen. Denkt man jedoch an die eigenen Fortbewegungsprobleme (S. 40), drängen sich Fragen geradezu auf. Wie stellt es die Schnecke an, bergauf zu gleiten oder sich überhaupt vom glitschigen Schleim abzustoßen? (S. 64).
Die wissenschaftliche Antwort führt direkt in die Küche, in der wir es mit ähnlichen Problemen zu tun haben, wenn beispielsweise der Ketchup aus der Flasche wohldosiert auf dem Teller landen soll (S. 72). Flüssigkeiten können je nach mechanischer Einwirkung zwischen zäh- und leichtflüssig wechseln. In Form von Schaum ähneln manche Gemische sogar einem Festkörper (S. 70). Selbst reines Wasser zeigt oft faszinierende Strukturen und überraschende Schauspiele. Es ist sogar musikalisch: Spült man nach der Teepause sein Edelstahlsieb, so bekommt man zuweilen schöne Töne zu hören. Dahinter steckt ein komplexer Vorgang, der erst zum Mysterium wurde, seitdem es diese Teesiebe gibt (S. 78). Andere Strömungsereignisse sind altbekannt, aber nicht weniger imposant und fordern geradezu dazu heraus, selbst ausprobiert zu werden.
Lassen Sie sich durch diese Sammlung inspirieren, fortan den Alltag mit neuen Augen zu sehen.

Ihr H. Joachim Schlichting.

Schwarzweiß oder farbig – manchmal entscheidet der Blickwinkel

Beim Lesen eines Buches mit Op-Art-Abbildungen war mir irgendwie so, dass etwas Buntes durch das Glas hindurch schimmerte. Um festzustellen, ob es an mir oder am Glas Wein lag, füllte ich es kurzerhand mit Wasser und sah, dass das Glas oder besser die Flüssigkeit die Bilder lieber farbig hatte. Es ist also nicht der tiefe Blick ins Glas, sondern der Blick durch das Glas, der dieses Phänomen ermöglicht.
Schuld daran sind die Übergänge des vom Op-Art-Bild ausgehenden Lichts von Luft zum Glas, von Glas zum Wasser und vom Wasser zum Glas und dann wieder zur Luft, bevor es mein Auge erreicht. Dabei spielt das dünne Glas die geringste Rolle und muss nicht weiter betrachtet werden. Entscheidend ist der Durchgang des Lichts durch den Wasserkeil, wobei es ähnlich wie in einem optischen Prisma gebrochen und damit aus der ursprünglichen Richtung abgelenkt wird. Da die Lichtbrechung von der Wellenlänge des Lichts abhängt und damit für die verschiedenen Farben, aus denen sich das weiße Licht zusammensetzt, unterschiedlich groß ist, laufen die einzelnen Farben gewissermaßen auseinander und werden schließlich getrennt voneinander wahrgenommen. Man sieht also die weißen Teile des schwarzweißen Op-Art-Bildes in mehreren ineinander verschwimmenden Versionen.
Man kann auch künstlerisch tätig werden, indem man den Blick durchs Glas auf unterschiedliche Weise auf Schwarzweißbilder und andere Darstellungen richtet und sich den schönsten Anblick auswählt.

Gott, heißt es, schied die Finsternis vom Licht,
Doch mocht es ihm nicht ganz gelingen,
Denn wenn das Licht in Farben sich erbricht,
Mußt es vorher die Finsternis verschlingen.
*

* Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

Woher nimmt der Schaum seine Füllung?

Meine Schwester schickte mir das Foto mit der Frage, warum sich der Schaum derartig aufbaut und sogar bestehen bleibt. Sie war nämlich dabei eine Vase zu reinigen und erlebte beim Einfüllen des Spülwassers ein erstaunliches Schaumwachstum. Der Schaum quoll weit über die Vase hinaus und schien in dieser Position verharren zu wollen.
Indem ich daran dachte, wie der Bierschaum beim ungestümen Einschenken in die Höhe schießt oder daran, wie beim Pusten mit einem Strohhalm in das Spülwasser ganze Berge von Schaum aufgetürmt werden können, kam mir die Antwort zunächst sehr einfach vor.
Doch dann ergab sich die Frage, woher das Gas kommt, mit dem die vielen Blasen des Schaums gefüllt wurden?
Nach einigen Beratungen und Experimenten ergibt sich die folgende Antwort:
Wenn man zunächst das Spülmittel und dann das Wasser oder auch das bereits mit Spülmittel gemischte Wasser in die Vase gießt, wird mit dem Flüssigkeitsstrahl reichlich Luft mitgerissen und mit der Flüssigkeit vermischt.
Während der anschließenden Beruhigungsphase, in der sich Luft und Flüssigkeit wieder ihrer unterschiedlichen Dichte entsprechend ordnen, steigen die Luftbläschen aus der Flüssigkeit auf, um sie wieder zu verlassen. Doch dabei müssen sie die die Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Luft durchqueren. Da diese Grenzschicht aber durch das Spülmittel entspannt ist und so etwas wie eine dehnbare Haut darstellt, werden dabei mehr oder weniger kleine Blasen aufgeblasen und von den auf dieselbe Weise entstehenden nachfolgenden Blasen hochgeschoben. Der Vorgang hält solange an, bis sich die Luft völlig aus der Flüssigkeit befreit hat .
Doch was heißt hier schon „befreit“, letztlich ist sie in Blasen portioniert gefangen und kann nicht aus dieser ihrer Haut. Vielmehr treiben die späteren die früheren Blasen vor sich her. Dabei quillt der so entstehende Schaum aus dem Glas heraus.
Je nach Art des Spülmittels kann das Schaumgebilde auch nur mehr oder weniger lange existieren. Schließlich müssen die Blasen dann doch die gefangene Luft wieder freigeben.

Himmelblaue Augen

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Nur etwa 10% der Menschen haben blaue Augen. Damit ist gemeint, dass bei diesen Menschen die Ringblenden (Iris) um die Pupillen blau erscheinen, während bei 90% der Weltbevölkerung Brauntöne dominieren. Von den Blauäugigen leben die meisten Menschen im Ostseeraum. In Estland sind es sogar 99%. Warum das Braun derart dominant ist und das Blau vor allem im Norden vorkommt, kann man beispielsweise hier nachlesen. Entscheidend für die Seltenheit der blauen Augen ist, dass Blau rezessiv vererbt wird. Denn eigentlich ist das Blau der Augen gar keine Farbe. Jedenfalls gibt es im Auge keine blauen Pigmente. Der Effekt, der zu blauen Augen führt, tritt bei allen Menschen auf. Er wird allerdings meistens von den braunen Pigmenten überstrahlt, sodass er bei braunen Augen nicht zu sehen ist. Blaue Augen kommen daher nur dadurch zustande, dass sie kaum über braune Pigmente verfügen.
Dieser Blaueffekt fällt zwar nicht vom Himmel, hat aber mehr mit dem Himmelblau zu tun als man vielleicht vermutet. Dabei denke ich gar nicht so sehr an poetische Vergleiche, sondern knallharte physikalische Fakten. Es empfiehlt sich daher zunächst noch einmal kurz zusammenzufassen, wie es zum Himmelblau kommt.
Der Himmel beginnt auf der Erde. Denn das was wir vom blauen Himmel sehen, ist die transparente Luftschicht, die die Erde umgibt. Deren Blau fällt allerdings erst ab einer bestimmten Schichtdicke auf und tritt vor allem vor entfernten Bergen und dem pechschwarzen Weltall besonders in Erscheinung.
Die Färbung entsteht stark vereinfacht gesagt dadurch, dass der Blauanteil des Sonnenlichts an den Luftmolekülen wesentlich stärker gestreut (also aus der Einfallsrichtung des weißen Lichts abgelenkt) wird als die übrigen Farbanteile (Wellenlängen) insbesondere des langwelligen Rots. Deshalb sehen wir nicht nur Licht aus der Richtung der Sonne, sondern aus allen Richtungen. Diese sogenannte Rayleigh-Streuung führt zu einer für das Leben auf der Erde bedeutsamen indirekten Beleuchtung, deren Blau wir meist gar nicht als solches wahrnehmen.
Die Rayleigh-Streuung tritt aber nicht nur an den Luftmolekülen auf, sondern auch an winzigen Teilchen von der Größenordnung der Wellenlängen des sichtbaren Lichts in Flüssigkeiten (z.B. in Wasser, das mit ein wenig Milch versehen wird), Gasen und in Festkörpern. Auch die Iris bzw. die Regenbogenhaut unserer Augen enthält solche Streuteilchen. Diese bewirken, dass vor allem das kurzwellige blaue Licht gestreut wird, während das restliche Licht weiter eindringt und absorbiert wird. Mit anderen Worten: Die Ähnlichkeit blauer Augen mit dem Himmelblau betrifft nicht nur den gleichen Farbton, sondern auch den physikalischen Entstehungsmechanimus.
Übrigens: Die in der Abbildung zu erkennenden Strukturen in der Iris verweisen auf ein interessantes Strukturbildungsphänomen. Es führt dazu, dass jeder Mensch unabhängig von der Farbe seiner Augen, ein individuelles Muster vorweisen kann. Aber das ist eine weitere Geschichte, auf die ich später eingehen werde.

Wir empfinden mit Abstraktion

Wir empfinden mit Abstraktion“ sagt Friedrich Nietzsche (1844 – 1900) Franz Grillparzer (1791 – 1872) zitierend und fährt fort: „wir wissen kaum mehr, wie sich die Empfindung bei unseren Zeitgenossen äußert; wir lassen sie Sprünge machen, wie sie sie heutzutage nicht mehr macht.„*
Das ist ein Ergebnis der Sozialisation in unserer Kultur. Aber gilt nicht auch, dass wir umgekehrt Abstraktes konkretisieren. Können wir uns überhaupt – beispielsweise einem abstrakten oder nur verfremdeten Bild – anders als mit konkreten, oft sehr persönlichen Vorstellungen nähern? Was seht ihr / sehen Sie bei Betrachtung dieses Bildes?


* Friedrich Nietzsche. Unzeitgemäße Betrachtungen. Werke in drei Bänden Bd. 1. München 1973, S. 133f

Spuren im Sand

Vielleicht wollte die Sammlerin (des Sandes, HJS) sich gerade den Lärm der verzerrenden und aggressiven Sinneseindrücke vom Leibe halten, den konfusen Wind des Erlebten loswerden, um endlich die sandförmige Substanz aller Dinge für sich zu haben, die Kieselstruktur des Seins zu berühren. Darum löst sie die Augen nicht von jenen Sänden, dringt mit dem Blick in eins jener Gläser ein, gräbt sich ihr Loch, versetzt sich hinein und liest die Myriaden von Nachrichten, die in einem Häufchen Sand stecken. Jedes Grau, das einmal in helle und dunkle, glitzernde und trübe, kugelförmige, polyedrische und flache Körnchen zerlegt worden ist, erscheint nicht mehr als grau oder beginnt überhaupt erst, uns begreiflich zu machen, was eigentlich grau bedeutet.
Derart das Tagebuch der melancholischen (oder glücklichen!) Sandsammlerin entziffernd, frage ich mich am Ende, was eigentlich in jenem Sand der zahllosen Wörter geschrieben steht, die ich mein Leben lang aneinandergereiht habe, in jenem Sand, der mir jetzt so fern von den Stränden und Wüsten des Lebens erscheint. Vielleicht können wir, wenn wir den Sand als Sand und die Wörter als Wörter betrachten, ein wenig besser begreifen, wie und in welchem Maße die zermahlene und zerfallene Welt darin noch ein Fundament und Modell finden kann.
*


* Italo Calvino. Gesammelter Sand. Essays. München 1995, S. 13f

Struktur mit Pareidolie

Das Besondere an dieser Struktur (siehe Foto) liegt in ihrer Natürlichkeit. Dennoch wirkt sie wie ein abstraktes Kunstwerk. Und es wird zu einem solchen, wenn die Ursprungsgeschichte abgeschnitten wird und man nur auf das Bild selbst zurückgreifen kann. Diese Feststellung könnte dazu führen, sich Gedanken darüber zu machen, was ein Natur“werk“ zu einem Kunstwerk qualifiziert.

Schattensäulen im Eis

Was hier wie eine feine Grafik daherkommt, ist in Wirklichkeit ein Naturphänomen. Wir blicken auf eine Eisschicht eines zugefrorenen Teichs. Die Dicke der Eisschicht lässt sich an der Länge der dunklen weitgehend senkrechten Striche abschätzen. Diese perspektivisch auf ein fiktives gemeinsames Zentrum (auch Fluchtpunkt genannt) weisenden Striche sind Schattensäulen. Sie werden hervorgerufen durch Gasblasen, die im Eis des zufrierenden Teiches steckengeblieben sind.
Das Gas entsteht durch biologische Aktivität irgendwelcher Pflanzen auf dem Grund des Teichs. Es sammelt sich zunächst an bestimmten Stellen der Pflanzen, bis die Auftriebskraft die Adhäsionskraft übersteigt und eine Blase aufsteigt. Da der Teich dabei ist zuzufrieren, bleibt sie unterhalb der Eisschicht sitzen und wird durch das tiefer in den Teich hineinwachsende Eis eingeschlossen. Je nach dem Zeitpunkt, in dem die Blasen aufstiegen, befinden sie sich in unterschiedlicher Höhe in der Eisschicht.
Die ältesten Blasen befinden sich unmittelbar unter der Oberfläche, die jüngsten an der unteren Fläche der Eisschicht. Sie sind dadurch zu erkennen, dass sie keinen Schatten haben. Denn das klare Wasser darunter streut das Licht nicht. Die Blasen haben einen Durchmesser von einigen Millimeter, sie sind als weiße Flecken zu erkennen. Das Weiß rührt daher, dass sie auf ihrer Innenseite eine Reifschicht aufweisen, die das Licht streuen.
Während des Fotografierens schien die Sonne. Die weitgehend opaken Blasen werfen Schatten. Die Eisschicht ist nicht völlig transparent, weil an Verunreinigungen (winzige Lufteinschlüsse) das Sonnenlicht diffus reflektiert wird und ihr ein leicht milchiges Aussehen gibt. In den Schattenbereichen findet hingegen keine Lichtstreuung statt, weil dorthin überhaupt kein direktes Sonnenlicht gelangt. Daher erscheinen sie in der aufgehellten Eisschicht wie dunkle Säulen.
Die Schattensäulen scheinen auf einen fiktiven gemeinsamen Punkt in der Tiefe zuzulaufen, den Fluchtpunkt.

Eine Knospe als Landeplatz für Schneeflocken

Eine Knospe, in der bereits alles angelegt und vorbereitet ist für den Frühling, wird von vereinzelt fallenden Schneeflocken besucht. Sie verhaken sich ineinander und schmelzen an der Berührstelle zusammen.
Von der Statik her scheint die Situation etwas ungewöhnlich bzw. unvertraut. Denn unsere im Bereich der alltäglichen Größenordnungen geprägte Anschauung erscheinen derartige Konstrukte als äußerst fragil, wenn nicht gar unmöglich. Aber dank der Flächen-Volumenrelation handelt es sich gemessen an den in dieser Größenordnung auftretenden Kräften um eine äußerst stabile Konstruktion. Vorsichtiges Pusten auf die an den Lämmerschwänzchen anhaftenden Flocken, brachte die Schwänzchen zwar ins Schwanken, fügte aber der Schneestruktur keinen Schaden zu.

Die Form bewahren und sei es als Mumie

Die oft erhobene Forderung, die Form zu bewahren, erinnert mich an diesen armen Apfel, der es auf irgendeine für mich undurchschaubare Weise geschafft hat, sich ohne zu verfaulen vom verschmähten Fallobst in den Winter zu retten. Ich bin sicher, dass er es auch bis in die nächste Jahreszeit hinein schafft. Jedenfalls fühlt er sich hart und widerstandsfähig an. Natürlich erinnert er in seiner völlig apfelunähnlichen Farbe und Konsistenz eher an eine Apfelmumie als an eine genießbare Frucht. Und ich möchte nicht wissen, wie es in seinem Innern aussieht.
Es soll damit nicht behauptet werden, dass die Formvollendung im (mit)menschlichen Bereich mit dem Verhalten des Apfels gleichzusetzen ist, aber – wie gesagt – irgendwie werde ich manchmal an den Apfel erinnert.

Abgesehen von diesen eher metaphorischen Überlegungen würde ich allzu gerne wissen, wie es manchen gefallenen Äpfeln im Vergleich zu den vielen anderen Leidensgenossen gelingt, so formvollendet über den Winter zu kommen. Kennt sich da jemand aus?

Zum 200. Geburtstag von Rudolf Clausius – Energie und Entropie

Die Sonnenenergie wird verbraucht, die Entropie nimmt zu. Doch dadurch werden alle lebenswichtigen Vorgänge auf der Welt angetrieben.

Heute vor 200 Jahren wurde der Physiker Rudolf Clausius (2. Januar 1822 – 24. August 1888) geboren. Er ist der „Entdecker“ der Entropie, einer physikalische Größe, die nicht nur von physikalischer Bedeutung ist, sondern letztlich als zentraler Begriff für die Beschreibung wesentlicher Aspekte der Energieproblematik gelten sollte. Leider kommt das meist nicht direkt zum Ausdruck, obwohl es helfen würde, den Umgang mit der Energie besser einzuschätzen.
Das Problem ist nämlich, dass die Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann – es ist eine Erhaltungsgröße. Die lebensweltlichen Erfahrungen mit der Energie sind scheinbar andere: Demnach geht Energie verloren. Denn man muss ständig neue Energie zum Heizen, für die Fortbewegung und viele andere Hilfsfunktonen im Alltag beschaffen und dementsprechend auch dafür bezahlen. Aber geht es uns beispielsweise mit dem Wasser, das uns per Wasserleitung ins Haus geführt wird genauso? Wir sprechen von Wasserverbrauch: Wasser wird für die verschiedensten Zwecke, zum Kochen, Waschen, Klospülen usw. verbraucht, ohne dass jemand der Meinung wäre, das Wasser würde verschwinden, vernichtet werden. Im Gegenteil, meist wird die Schmutzwasserbeseitigung dadurch berechnet, dass man den Wasserverbrauch an der Wasseruhr abliest.
Ganz ähnliche Erfahrungen machen wir mit dem Energieverbrauch, bei dem die Energie mengenmäßig erhalten bleibt und insofern qualitativ verändert wird, als sie nicht noch einmal für denselben Zweck zu gebrauchen ist. Hat sich meine Tasse mit heißem Tee abgekühlt, so wurde die Energie durch Wärme an die Umgebung abgegeben. Mir ist es dann nicht ohne Weiteres möglich die jetzt in der Zimmerluft befindliche Energie wieder in den Tee zurückfließen zu lassen. Der Energieverbrauch ebenso wie der Wasserverbrauch besteht darin, dass die Energie nicht noch einmal für denselben Zweck gebraucht werden kann. Sie wird entwertet. Es ist also neben der Erhaltung der Energie ein Begriff erforderlich, der die Entwertung bzw. die darin enthaltene Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) durch eine neue Größe zu erfassen.
Genau darin besteht das Verdienst von Rudolf Clausius, indem er die Energieentwertung mit Hilfe der Größe der Entropie erfasste, die fortan mit dem Buchstaben S bezeichnet wird. In einer berühmten Arbeit aus dem Jahre 1865 schreibt er in diesem Zusammenhang: „… so schlage ich vor, die Größe S nach dem griechischen Worte , die Verwandlung, η  τροπή, die Verwandlung, die Entropie des Körpers zu nennen. Das Wort Entropie habe ich absichtlich dem Worte Energie möglichst ähnlich gebildet, denn die beiden Größen, welche durch diese Worte benannt werden sollen, sind ihren physikalischen Bedeutungen nach einander so nahe verwandt, daß eine gewisse Gleichartigkeit in der Benennung mir zweckmäßig zu seyn scheint“.
Er schließt seinen Aufsatz mit der den Worten, dass „man die den beiden Hauptsätzen der mechanischen Wärmetheorie entsprechenden Grundgesetze des Weltalls in folgender einfacher Form aussprechen kann.
1) Die Energie der Welt ist constant,
2) Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.“*
Den 2. Hauptsatz der Thermodynamik oder der Entropiesatz, wie man ihn heute bezeichnet, besagt also, dass die beim Umgang mit der Energie auftretende Energieentwertung nur zunehmen, nicht aber abnehmen kann.

Wer es etwas genauer informiert werden möchte, den verweise ich auf frühere Beiträge (z.B. hier und hier und hier).


* Rudolf Clausius. Über verschiedene für die Anwendung bequem Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Analen der Physik und Chemie Band CXXV 7, No. 7  (1865) S. 353 – 400

Haareis – eine seltene Spezies gefrorenen Wassers

Wer sich nach einer feuchten Wetterperiode bei Temperaturen etwas unterhalb des Gefrierpunts vom Wege durch ein weitgehend naturbelassenes Waldstück abweicht, hat eine Chance, Haareis zu finden. Dass die Chance nicht allzu groß ist, sollte ich selbst erleben, der ich nun schon seit Jahren durch ein geeignetes Waldstück spaziere, von dem ich meine, dass in ihm bei den passenden meteorologischen Bedingungen Haareis zu finden sei. Inzwischen hatte ich mich so an meinen Wald gewöhnt, dass ich dort auch zu anderen Jahreszeiten meines Weges ging und andere spannende Phänomene vorfand, die teilweise auch Eingang in diesen Blog gefunden haben.
Daher verdanke ich die vor wenigen Tagen gemachten Entdeckungen auch eher dem Zufall als einer zielgerichteten, systematischen Suche. Diesmal kurz nach der Wintersonnenwende war die Sonne bereits hinter dem südlichen Berghang des Hüggeld (230 m) verschwunden, sodass mein Weg im Schatten lag. Um noch etwas von der Sonne zu erwischen beeilte ich mich daher aus dieser Gegend wegzukommen. Plötzlich schienen auf dem im Schatten liegenden Waldboden gleich mehrere Stellen wie aus sich heraus aufleuchten, was meine Neugier erweckte. Zunächst dachte ich an achtlos weggeworfene Tempotaschentücher, die durch ihre optischen Aufheller manchmal eine erstaunliche Leuchtkraft entwickeln. Merkwürdigerweise kam es mir überhaupt nicht in den Sinn, dass es sich um das Objekt meiner Wünsche handeln könnte, das einmal den Anlass gab, hier zu spazieren. Erst als ich die feinen Haarbüschel vor Augen hatte, die aus den am Boden liegenden, morschen Ästen herauswuchsen, fiel der Groschen. Soweit zur Vorgeschichte, die mir schön öfter in dieser Weise passiert ist, und nun etwas zur Physik.
Die feinen Eishaare, die hier büschelartig aus den feuchten, morschen am Boden liegenden Holzstücken (Reste von Buchenästen, aber auch einige andere Bäume sind geeignet) wucherten, hatten offenbar ideale Wachstumsbedingungen vorgefunden: durchnässtes morsches Holz bei Temperaturen leicht unter dem Gefrierpunkt. Wie kommt es zu diesem Phänomen?

Wissenschaftlich nachgewiesen ist, dass Haareis durch ein im Holz lebendes Pilzmyzel verursacht wird. Diese These ist schon sehr alt und geht auf Alfred Wegener (1880 – 1930) zurück, dessen Name vor allem mit der Kontinentalverschiebungstheorie verbunden ist. Ausgehend von Wegners Ergebnissen und der Fachliteratur über Haareis und ähnliche Phänomene haben neuere Untersuchungen experimentell und theoretisch die Pilzthese erhärtet. Dazu haben die Forscher zum einen zeigen können, dass auf Holzstücken, die natürlicherweise von Haareis befallen waren, dieses in geeigneten Frostnächten erneut sprießte, wenn man vorher die alten Haare beseitigt hatte. Sobald man allerdings dem vermuten Pilzmyzel mit Hitze (Kochen), Alkohol oder einem Fungizid zu Leibe rückte, blieb der anschließende Haareisbefall ganz oder zumindest teilweise aus.
Nach Auswertung und Analyse wissenschaftlichen Beobachtungen und Experimente, ergibt sich folgende Erklärung für das Zustandekommen von Haareis:
Urheber des zur Haareisbildung führenden Prozesses ist ein im Holzkörper, vor allem in den Holzstrahlen  lebendes Myzel eines winteraktiven Pilzes. Es konnten mehrere Arten von auf Laubholz spezialisierten Asko- und Basidiomyzeten identifiziert werden.
– Der Pilz baut die in den Holzstrahlen vorhandenen organischen Nährstoffe (Kohlenhydrate, Lipoide) durch einen aeroben Dissimilationsprozess (Zellatmung) ab. Oxydative Endprodukte sind CO2 und H2O.
– Der Druck des entstehenden CO2-Gases drängt mit dem Oxydationswasser auch im Holz gespeichertes Wasser durch die Holzstrahlkanäle an die Oberfläche.
– Im ausgestoßenen Wasser befinden sich als ‚Verunreinigung’ unvollständig abgebaute organische Substanzen. Dank der als Kristallisationskeime wirkenden organischen Moleküle gefriert das Wasser beim Austritt an die Luft schon knapp unterhalb von 0° C: Am Ausgang der Holzstrahlen entstehen Eishaare.
 – Die in den Eishaaren enthaltene organische Substanz kann winteraktive Insekten (Collembolen) anziehen.
– Beim Schmelzen der Eishaare wird die organische Substanz als dünner Faden sichtbar, an dem sich perlenartig Wassertröpfchen bilden.
*


* Gerhart Wagner und Christian Mätzler. Haareis auf morschem Laubholz als biophysikalisches Phänomen. Hair Ice on Rotten Wood of Broadleaf Trees – a Biophysical Phenomenon. Forschungsbericht Nr. 2008-05-MW 2008

Ein Zickzackmuster der Natur

Noch fährt der Winter zumindest bei uns einen ausgesprochenen Zickzackkurs und visualisiert ihn auch gleich in zugleich symbolischer wie naturschöner Weise auf einem Stechpalmenblatt. Da sich diese Pflanze ohnehin weigert im Winter ihr Grün abzulegen, ist dies eine schöne Möglichkeit des Winters sich auf ihr bemerkbar zu machen. Sie hat in einigen Ländern eine länger Tradition als typische Weihnachtspflanze als der Weihnachtsbaum, was neben dem Immergrün auch durch die knallroten Früchte gut zu verstehen ist. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Christdorn.
Übrigens ist die Stechpalme der (Ilex aquifolium) „Baum des Jahres 2021“. Sie ist neben dem Efeu, Buchsbaum und Eibe eine der wenigen heimischen immergrünen verholzten Blattpflanzen.
Einen schönen Beitrag zum Baum des Jahres 2021 findet man zum Beispiel hier.

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