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Absorption

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Wie macht der Kohlweißling sein Weiß?

Immer wenn ich den Kohlweißling (Pieris rapae) beobachte, bin ich von seinem makellosem Weiß und dem effektvoll kontrastierenden schwarzen Punkt auf seinen Flügeln beeindruckt. Nachdem ich mir an einigen anderen Beispielen (z.B. hier und hier) klar gemacht habe, dass hinter der Weißheit meist keine Licht absorbierenden Pigmente, sondern andere physikalische Vorgänge stehen, bin ich der Sache etwas auf den Grund gegangen.
Farben von Gegenständen entstehen dadurch, dass sie von weißem Licht, z.B. Sonnenlicht, bestrahlt werden, mit dem Licht in Wechselwirkung treten und die nicht absorbierten Anteile wieder ausstrahlen. Die Wechselwirkungen bestehen zum einen darin, dass Pigmente einzelne Wellenlangen des weißen Lichts absorbieren und die Komplementärfarbe als Farbe des Gegenstands wieder aussenden. Zum anderen können sie aber auch von der Struktur des Gegenstands mitbestimmt werden, indem das einfallende Licht durch Interferenz, Beugung und/oder Streuung modifiziert wird. Dabei spielen strukturelle Variationen der Materialien eine entscheidende Rolle.
Bei der Farbentstehung der Schmetterlingsflügel spielt die Struktur der Schuppen, die nach einem allgemeinenen Bauplan in einem mehr oder weniger regelmäßigen Muster angeordnet sind, eine wichtige Rolle.  Die Struktur der weißen Flügelschuppen des Kohlweißlings unterscheidet sich in charaktereistischer Weise von der anderer Schmetterlinge. An rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen* erkennt man, dass die Kreuzrippen dicht mit eiförmigen Perlen verziert sind. Diese Perlen streuen das einfallende Licht in alle Richtungen und erhöhen das Reflexionsvermögen der Flügel für alle Wellenlängen, sodass ein kräftiges Weiß entsteht (siehe untere Abbildung rechts). Im Bereich des charakteristischen schwarzen Flecks des Schmetterlings fehlen diese Perlen, sodass das einfallende Licht weitgehend absorbiert wird und er schwarz erscheint (untere Abbildung links).
Weitere Mechanismen für die Erzeugung der Farbe Weiß in der Natur findet man z.B. beim Schnee, der Blüte des Buschwindröschens und der Schneebeere.


Quelle
* Stavenga D.G., Stowe S., Siebke K., Zeil J. und Arikawa K.. Butterfly wing colours: scale beads make white pierid wings brighter. Proc. Roy. Soc. Lond. B 271 (1548), 1577–1584 (2004)

Die Blaue Stunde aus der Sicht der Physik

Ich bin öfter darauf angesprochen worden, was es aus physikalischer Sicht mit der Blauen Stunde auf sich hat. Damit ist das Phänomen gemeint, dass kurz nach dem Sonnenuntergang die Gelb- und Rotfärbungen des Himmels verschwinden und einem erstaunlich kräftigen Blau Platz machen.
Doch der Reihe nach. Wenn die Sonne untergeht, nimmt sie bekanntlich eine rote Farbe an und ihr Licht ist dann meist so schwach, dass man bedenkenlos hineinblicken kann. Bei besonders farbenprächtigen Sonnenuntergängen sind nicht nur die Sonne und von ihr beleuchtete Wolken in intensive Gelb- und Rottöne getaucht, sondern auch mehr oder weniger große Teile des ansonsten blauen westlichen Himmels. Weiterlesen

Kürbiskernöl – kulinarisch und optisch beeindruckend

Kürbiskernöl ist eine kulinarische Spezialität der Steiermark und wird aus dem Steirischen Ölkürbis (Cucurbita pepo var. styriaca) hergestellt (unteres Foto). Dieser hat anstelle der verholzten Samenschale bei anderen Kürbissen nur ein dünnes Häutchen, sodass es vergleichsweise leicht gepresst werden kann.
Interessant ist allerdings nicht nur der kulinarische Aspekt des Öls, sondern auch der physikalische, der sich in einem interessanten optischen Verhalten der Flüssigkeit äußert: In der Flasche oder als dickere Schicht ist das Öl dunkelrot bis braun, während es als dünne Schicht, wie sie beispielsweise beim Anrichten von Salat oder auf einem Uhrglas auftritt, eine grüne Färbung annimmt (oberes Foto). Das ist erstaunlich, weil man durch die Veränderung der Schichtdicke einer Substanz normalerweise lediglich eine Änderung in der Helligkeit und Farbsättigung erwartet aber keine völlig andere Farbe. Weiterlesen

Blau wie das Meer

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 3 (2020), S. 66

Mit tausend Augen blickte der Fluß ihn an,
mit grünen, mit weißen,
mit kristallnen, mit himmelsblauen
Hermann Hesse (1877–1962)

Im Alltag erscheint uns Wasser völlig transparent. Tatsächlich hat es eine blaue Eigenfarbe – doch die bemerkt man erst beim Blick durch dicke Schichten. Zusätzlich verändern Reflexionen und Schwebeteilchen den optischen Eindruck.
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Dreiblättrige Hohlräume im Eis bringen Glück

Vierblättrige Kleeblätter sollen Glück bringen, weil sie sich Mutationen verdanken, die nur sehr selten vorkommen. Doch wie sieht es mit mit dreiblättrigen luftgefüllten Hohlräumen im Eis eines zugefrorenen Teichs aus? Da sie sicherlich noch seltener vorkommen als vierblättriger Klee gehe ich davon aus, dass sie erst recht Glücksbringer sind.
Diese „Mutation“ ist dadurch zustande gekommen, dass die auf einem Teich in Eis eingefrorene dreiblättrige Pflanze ungeduldig wurde und die jüngsten sonnigen Tage nutzte, so viel Sonnenenergie wie möglich zu absorbieren. Das Eis ist ja ansonsten weitgehend transparent und reflektiert einen Teil des Sonnenlichts. Das eingefrorene dunkelgrüne Blatt jedoch nimmt vor allem die zum Grün komplementären Rotanteile des Sonnenlichts auf und erwärmt sich dadurch. Je stärker infolgedessen seine Temperatur über die der Umgebung ansteigt, desto mehr Energie gibt das Blatt an diese ab. Und wenn das Eis auch schon kurz vor dem Schmelzen ist, reicht es aus, nach und nach ein dreiblättrigen Loch in das Eis zu schmelzen. Das haben wir auf dem Foto vor Augen.
Die Eisschicht über dem Loch ist bereits sehr dünn. Ein kleiner Druck mit dem Finger reichte aus, ein Loch hineinzubrechen. Dadurch konnte ich sehen, dass das „Kleeblatt“ etwa 1,5 cm unter der Eisschicht beim Zufrieren des Teichs kalt erwischt wurde. Ich hoffe mal, dass es nicht mehr lange warten muss, bis es mit dem weiteren biologischen Wachstum so richtig loslegen kann.

Steine: Schön strukturierte Pflastersteine

Beim Flanieren in Städten ist meine Aufmerksamkeit nicht nur auf Menschen und Gebäude gerichtet. Auch der steinerne Belag von Fußböden und Bürgersteigen gehören dazu. Es ist erstaunlich, wie viele Informationen in diesen Nebensächlichkeiten stecken, ganz abgesehen davon, dass man ihnen nicht selten auch ästhetische Aspekte abgewinnen kann (siehe auch hier und hier und hier und hier und hier). Weiterlesen

Reines Wasser ist blau

Wasser ist transparent und farblos. Das ist der Eindruck, den man gewinnt, wenn man ein Glas Wasser trinkt oder unter der Dusche steht.
Vom Strand aus betrachtet sieht es so aus, als sei das Wasser blau oder blaugrün.
Angesichts dieser Diskrepanz beruhigt man sich vielleicht damit, dass das Meerwasser an sich ebenfalls farblos ist und nur durch die Reflexion des Himmelslichts blau wird oder bei Sonnenuntergang auch mal rot.
Was ist nun richtig? Weiterlesen

Ausgetrickst

In diesem Jahr sah ich in der Nähe von Pferdewiesen immer wieder zeltartige Vorrichtungen mit einem großen schwarzen Ball darunter (siehe Foto). So harmlos und rätselhaft zugleich dieses Gebilde auch aussehen mag, für einige Insekten, vor allem Bremsen wird es zur tödlichen Falle. Dabei wird  einerseits die Verhaltensweise von Bremsen ausgenutzt, sich bei Warmblütern wie etwa Pferden eine Blutmahlzeit zu verschaffen. Da sie andererseits mit ihren Facettenaugen nicht feststellen können, ob es sich bei körperwarmen Gegenständen tatsächlich um Lebewesen handelt, landen sie oft auch auf den falschen Objekten, in diesem Fall auf dem warmen schwarzen  Ball. Weiterlesen

Leonardo da Vinci (6) – Farbiges Licht

Wenn du ein Licht nimmst und es in eine mit grüner Farbe oder mit einer anderen Transparenzfarbe gestrichene Laterne stellst, so wirst du erfahrungsgemäß sehen, daß alle Gegenstände, die von diesem Licht beschienen werden, in der Farbe dieser Laterne schimmern.
Du hast wohl in Kirchen auch schon gesehen, daß das Licht, das durch die bunten Glasfenster fällt, in der Farbe dieser Glasfenster schimmert. Wenn dir auch das noch nicht genügt, dann beobachte einmal, wie die Sonne beim Untergang, wenn sie rot durch den Dunst scheint, alle jene Wolken rötet, die ihr Licht von dieser Sonne erhalten*.

Auf dem Foto sieht man die Spiegelung des durch ein farbig verglastes Fenster der Kirche Santa Maria Novella (Florenz) gefilterten Lichts auf einer Bank. Aufgrund der Glätte der holzernen Oberfläche der Bank wird ein Teil des Lichts nach dem Reflexionsgesetz (Einfallrichtung = Reflexionsrichtung) in die Kamera reflektiert. Theoretisch hätte Leonardo da Vinci eine solche Spiegelung in eben dieser Kirche mit eigenen Augen sehen können.


*Leonardo da Vinci. Tagebücher und Aufzeichnungen. Leipzig 1940 , S. 150

Rätselfoto des Monats Juli 2019

Wie kommt es zu den sechs verschiedenen Schattierungen?


Erklärung des Rätselfotos des Monat Juni 2019

Frage: Wie kommt es zu der Karomusterung der Wasseroberfläche?
Antwort: Die Strukturen setzen sich aus senkrechen und waagerechten Streifen zusammen. Die hellen Streifen, die vom Horizont her in Richtung des Betrachters zeigen, kann man rasch den Lücken in den Baumkronen zuordnen. Zu denken gibt nur, warum sie derart in die Länge gezogen erscheinen. Bewegt man sich zudem am Ufer entlang, so scheinen die Streifen mitzulaufen und bleiben auf den Beobachter gerichtet.
Das erinnert an ein anderes Phänomen, das »Schwert der Sonne« im Meer oder auf überfrorenen Schneeflächen. Dieses Ensemble von Lichtreflexen entsteht an allen passend ausgerichteten Stellen, welche die Strahlen der tief stehenden Sonne ins Auge des Beobachters werfen. Im vorliegenden Fall nehmen die hellen Partien zwischen den dunklen Bäumen die Rolle der Sonne ein. Daher gibt es nicht nur eine Lichtbahn, sondern viele.
Die hellen quer zu den Lichtschwertern verlaufenden Streifen verdanken sich stärkeren Störungen der Wasseroberfläche durch lokal wirkende Windböen, durch die die Lichtschwerter durchbrochen werden. Dass diese Störstellen so schmal aussehen, ist auf die perspektivische Verkürzung zurückzuführen. Auf diese Weise bekommt man insgesamt ein nahezu kariertes Muster zu Gesicht.

Frohe Weihnachten!

Zunächst wünsche ich allen meinen „Besuchern“ Frohe Weihnachten und unbeschwerte Festtage. Bei einem Blog, der Physik im Titel trägt, kommt ihr mir nicht so leicht davon. Denn eine Frage hätte ich noch: Der Baum ist offenbar mit zwei verschiedenen Arten von Weihnachtsbaumkugeln geschmückt. Worin unterscheiden sie sich? Um sich einen besseren Eindruck von den Unterschieden zu verschaffen, habe ich zwei verschiedene Kugeln vergrößert herauskopiert (rechtes Bild).
Bevor ihr weiterlest, solltet ihr versuchen, die Frage selbst zu lösen. Dabei ist es hilfreich sich klarzumachen, dass eine spiegelnde Weihnachtskugel bis auf den Bereich, der sich direkt hinter der Kugel befindet, die gesamte „Welt“ abbildet – wenn auch verzerrt. Diese Eigenschaft wird ja bekanntlich ausgenutzt, um bei Einfahrten durch Wölbspiegel einen größeren Bereich einsehbar zu machen, als mit bei einem Flachspiegel möglich wäre.
Die Antwort ist überraschend einfach: Die Kugeln unterscheiden sich darin, dass die eine nur „versilbert“ ist wie ein normaler Spiegel und die andere auch noch die „Eigenfarbe“ Rot besitzt. Dieser Unterschied macht sich darin bemerkbar, dass die rote Kugel zwar auch auftreffendes weißes Licht zurückwirft, aber aufgrund der Rotfärbung (Absorption eines Teils des weißen Lichts (die Komplementärfarbe von Rot) und Ausstrahlung von rotem Licht), dieses mit Rot überlagert. Dass die versilberte Kugel dennoch so aussieht als wäre sie zweifarbig liegt daran, dass der Weihnachtsbaum auf einer roten Unterlage steht, die auch – natürlich anamorphotisch verzerrt – abgebildet wird. Bei der roten Kugel erkennt man, dass dieser Bereich wesentlich stärker rot ist als der übrige Bereich.
Aber nun feiert schön weiter und lasst euch davon nicht beirren!

Ein Blatt schmilzt durchs Eis

eisschmelze_dsc08556rvNachdem der Teich zugefroren ist, weht ein frischer Wind einige Blätter auf die Eisfläche. In den folgenden Tagen scheint hin und wieder die Sonne. Die Lufttemperatur bleibt indessen etwa 1 bis 2 Grad unter Null. Offenbar schmilzt unter dem Blatt das Eis und es sinkt immer tiefer in die Eisschicht ein. Weiterlesen

Durchleuchtung

Am Rande einer Silvesterfeier ist die Rede von der Durchleuchtung, jener vor allem auf die Diagnose der Tuberkulose und Herzerkrankungen ausgerichteten Röntgenuntersuchung, die noch vor wenigen Jahrzehnten ein Jeder über sich ergehen lassen musste. Als Kind war ich fasziniert von dieser Möglichkeit, das Knochengerüst des Menschen sichtbar zu machen. Später erfuhr ich, dass dies mit einer kurzwelligen Strahlung gelingt, die durch den menschlichen Körper mehr oder weniger ungehindert hindurchgeht und eine dahinter aufgestellte Fotoplatte je nach der Stärke der Absorption durch das unterschiedliche Material  (Gewebe, Knochen) mehr oder weniger stark belichtet wird. Ein typisches Bild, das man vor Augen hat ist die Knochenhand. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats November 2017

 

Warum läuft die Tinte nicht aus?


Erklärung zum Rätselfoto des Monats Oktober 2017
Frage:
Sonne oder Mond?

Antwort: Wenn man nicht auf den Kontext achtet, könnte es sowohl der Mond als auch die Sonne sein. Vom Mond sind die Strukturen nicht zu erkennen, und die Sonne ist bei diesigem Wetter oft so gedimmt, dass sie wie der Mond aussieht. Aber es gibt Hinweise auf die Antwort. Im Vordergrund erscheinen die Blätter eines Baumes in einem roten Licht. Insbesondere die Blätter, deren Seite so zum Betrachter/zur Kamera  hin gerichtet ist, dass Einfallswinkel des Sonnenlichts gleich Reflexionswinkel gilt, reflektieren spiegelnd rotes Sonnenlicht. Neben der spiegelnden Reflexion, die an der Oberflächenschicht der Blätter vieler Pflanzen auftritt, reflektieren alle Blätter das auftreffende Sonnenlicht diffus. Genauer: Sie absorbieren im blauen und hellroten Bereich und emittieren das komplementäre Grün. Da ihnen in der Abenddämmerung vorwiegend rot angeboten wird, können sie so gut wie kein Licht mehr aussenden und erscheinen schwarz. Wie man sieht.

Beobachten und beobachtet werden

abend_dsc07491_rvDer am Fenster sitzende Beobachter ist fast sprichwörtlich. Er zieht sich wie ein roter Faden durch die Literaturgeschichte. Man denke nur etwa an die Erzählung E. T. A. Hoffmanns (1776 – 1822) Des Vetters Eckfenster. Die Eignung des Fensters zum Beobachten hat mehrere Gründe, auch physikalische. Wenn ein Fenster durch keine Gardine verschleiert wird, ist der Beobachter am Tage weitgehend vor Blicken von außen geschützt – es sei denn, er hockt unmittelbar hinter der Scheibe. Weiterlesen

Lavendel im Regen

Sie sind kaum wiederzuerkennen, die Lavendelblüten. Sie wirken etwas unnatürlich großzügig gerundet, aber auch ungewöhnlich kräftig in der Farbe. Regentropfen haben die feinen Zwischenräume überbrückt und leuchten nun ihrerseits wie kleine Lampen im typischen Blau-violett des Lavendel. Die Farbe wirkt kräftiger und gesättigter als im Normalfall. Weiterlesen

Von realen und gespiegelten Welten

Spiegelsymmetrie_rvSchaut man sich das Bild einer Treppe in einem Bahnhof an, so könnte man auf dem ersten Blick meinen, es handele sich um einen fast symmetrischen Aufgang. Erst die Unvollkommenheiten auf der rechten Bildhälfte überzeugen uns davon, dass es sich hier um eine Kombination aus realer und Spiegelwelt handelt. Sogar die Zeit ist gespiegelt. Während die Uhr auf der linken Seite 9:30 h anzeigt, ist es auf der rechten Seite bereits 14:30 h zu sehen. Auch andere Hinweise entlarven die Täuschung des flüchtigen Blicks.
Wenn die Wand des Treppenaufgangs mit einem guten Spiegel versehen wäre, würde man sich vermutlich über die Täuschung nicht wundern, kommt es doch oft genug vor, dass Menschen oder Tiere gegen einen Spiegel laufen, weil sie die Spiegelwelt für real halten. Weiterlesen

Nebel – halbdurchsichtige Schärpen matten Lichts

nebel_rv„Es stimmt, daß die neblige Atmosphäre alle Gegenstände verdunkelt, es stimmt aber auch, daß die Natur, die unseren Augen keinen Genuß vorenthalten will, eine reiche Entschädigung für diese Beschattung der Farbtöne bereithält: bei feuchter Luft werden sie lebhafter. Jede Farbe glänzt in feuchtem Zustand doppelt so sehr wie in trockenem; und wenn die klaren Fernen von dichtem Nebel versdüstert werden, wenn die klaren Farben des Himmels verschwinden und die Glanzlichter des Sonnenscheins von der Erde, dann nimmt der Vordergrund seine lieblichsten Farben an, das Gras und das Laub leben in ihrem satten Grün wieder auf, und jeder sonnenverbrannte Fels glimmt auf wie Achat.“

John Ruskin (1819 – 1900): Modern Painters.

Im Jahr des Lichts (26) – Eins, zwei, drei…unendlich

KerzenunendlichkeitMit dem 1. Advend beginnt die Zeit der Lichter insbesondere in Gestalt von Kerzenflammen und damit zumindest im christlichen Kulturkreis eine imaginierte Verbindung von Diesseitigem und Jenseitigen, von Endlichem und Unendlichem. Das symbolisieren die in dem Foto abgelichteten drei Teelichter, indem sie uns auf ziemlich unspektakuläre Weise zugleich einen Blick  in die Virtualität und Unendlichkeit bzw. virtuelle Unendlichkeit erlauben. Möglich wird dies durch ein Design-Objekt, das zum Beispiel unter dem Namen „der unendliche Teelichthalter“ erhältlich ist und im Wesentlichen aus zwei parallelen Glasscheiben besteht, zwischen denen einige Teelichter platziert werden. Weiterlesen

Wandelnde Minispiegel

AmeisenspiegelAuch Lebewesen können zu Spiegeln werden, nicht nur im übertragenen Sinne. Bei der Beobachtung der schwarzen Ameisen (siehe Foto), die bei mir im Garten aktiv sind, stellte ich fest, dass deren Panzer so glatt ist, dass die Umgebung darin gespiegelt wird. Gespiegelt werden vor allem grüne Pflanzen, die selbst gar nicht im Bild sind. Mich erinnerte das ein wenig an die blanken Karosserien von Autos, deren Glanz letztlich ja auch durch die  gespiegelten Gegenstände der Umgebung hervorgerufen wird. Weiterlesen

Die Nebel der Aufklärung

Nebel„Die Aufklärung. Dieses höchste Werk der Vernunft, dessen Nahme sogar uns neuerlich einige seichte aber eben deßwegen beliebte Phraseskünstler, haben lächerlich machen wollen, die zu eingeschränkt waren bey ihren Frömmeleyen, zu bedenken, zu was für Misbräuchen nicht selbst Religion und Liebe, diese Grundfesten der moralischen und physischen Welt, geführt haben, hat bis jetzt noch kein allgemeiner verständliches allegorisches Zeichen, (vielleicht weil die Sache selbst noch neu ist) als die aufgehende Sonne. Es wird wohl auch lange das schicklichste bleiben, wegen der Nebel, die immer aus Sümpfen, Rauchfässern, und von Brandopfern auf Götzenaltären aufsteigen werden, die sie so leicht verdecken können. Indessen wenn die Sonne nur aufgeht, so schaden Nebel nicht. -“

Lichtenberg, Georg, Christoph: Göttinger Taschen Calender 1792, S. 212-213

Rätselfoto des Monats Dezember 2012

083_Weihnachtskugeln_C

Weihnachtskugeln in der Auslage in einem Blumenladen.

Woher stammen die gelben Girlanden zwischen den Kugeln?

Erklärung des Rätselfotos des Vormonat: Einzugsgebiete – dendritische Strukturen in der Natur

Die Unendlichkeit ist grün

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 41/6 (2010), S. 306

Ein beliebtes Phänobjekt in Science Centern ist der Unendlichkeitsspiegel. Man blickt durch ein in der Rückwand eines Spiegels angebrachtes Loch in einen vermeintlich unendlich langen Schacht. In Wirklichkeit rufen zwei nahezu parallel und mit der Spiegelseite zueinander aufgestellte Spiegel diese Illusion hervor. Erstaunlich ist bei genauem Hinsehen, dass die Unendlichkeit grün zu sein scheint

Steine: Glänzende Ansichten feuchter Steine

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 36/1, 47 (2005).

Feuchtigkeit auf Steinen führt zu kräftigen, dunklen und glänzenden Farben. Der Wasserfilm wirkt wie eine vorübergehende Lackschicht und verändert dadurch das optische Verhalten der Oberfläche.

PDF: Glänzende Ansichten feuchter Steine

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