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Brewster-Winkel

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Strukturfarben in der Regionalbahn

Auf einer abendlichen Fahrt mit der Regionalbahn glaubte ich zunächst meiner Müdigkeit zuschreiben zu müssen, dass ich die Reflexion meines Abteils in der Scheibe durch zarte psychodelisch wirkende Farben untermalt zu sehen glaubte. Nein, nun etwas wach geworden glaubte ich es nicht nur, sondern war sicher, dass dort Farben waren, die aus ganz bestimmten Betrachtungswinkeln und vor geeigneten Hintergründen deutlich hervortraten.
Nachdem ich einige Zeit herumgerätselt und auch experimentiert hatte (zum Glück waren kaum Fahrgäste anwesend, die ich hätte nerven können), fiel mir wieder ein, wie es zu diesen Farberscheinungen kommt. Es ist vor allem eine nicht direkt wahrnehmbare Kunststofffolie, mit der die Scheiben des Zugs vermutlich aus Sicherheitsgründen überzogen sind. Sie hat die sicher nicht beabsichtigte Eigenschaft doppeltbrechend zu sein und beim Durchgang von polarisiertem Licht Farberscheinungen hervorzubringen. Ein schöner Nebeneffekt also.
Wie an anderer Stelle ausführlicher beschrieben, wird normales Licht polarisiert, wenn es unter einem bestimmten Winkel (Brewsterwinkel) reflektiert wird. Das ist hier u. A. auf der glänzenden Ablage vor dem Abteilfenster der Fall. Das so polarisierte Licht fällt durch die Folie und wird dabei in zwei Teilwellen unterschiedlicher Geschwindigkeit zerlegt. Das führt dazu, dass ihre jeweiligen Phasen nicht mehr in derselben, sondern in unterschiedlichen Ebenen gleich sind. an der Rückseite der Scheiben reflektiert. Davon würde man normalerweise gar nichts merken, wenn das in dieser Weise modifizierte Licht nicht auf die Fensterscheiben aufträfe und von diesen abermals unter dem Brewsterwinkel ins Auge des Betrachters reflektiert und auf diese Weise abermals polarisiert würde. Dabei fallen die verschiedenen Ebenen der Teilwellen wieder zusammen und überlagern sich (interferieren). Aufgrund der durch die Doppelbrechung bewirkten Phasenverschiebung, kommt es zu Verstärkungen und Abschwächungen bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts, d.h. zu einzelnen Farben.
Damit die Bedingungen für die Farbentstehung erfüllt sind, treten die Farben nur unter bestimmten Winkeln auf. Außerdem sind bestimmte Hintergründe in der Spiegelwelt besser als andere geeignet, die Sichtbarkeit der Farben zu erhöhen.
Durch die Entdeckung dieses von den Fensterkonstrukteuren unbeabsichtigten Phänomens verging der Rest der Reise durch interessante Eindrücke beim Blick durch das Fenster wie im Fluge.

Geheimnisvolle Farben im Fenster

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 52/3 (2021), S. 151

Manche Kunststofffolie kann zu intensiven Farberscheinungen führen, wenn durch sie hindurchtretendes (polarisiertes) Himmelslicht unter dem Brewster-Winkel ins Auge des Betrachters reflektiert wird.

Manche Farben sind gar keine und man sieht sie trotzdem und zwar dort, wo sie nicht sind. Das kann man mit bewusst in Kauf genommener Paradoxie an den in prächtigen Farben leuchtenden Oberlichtfenstern des oberen Fotos sehen. Bei den Fensterscheiben handelt es sich um normale Floatglasscheiben, wie man sie überall in der Umwelt vorfindet. Die bunten Farben in denen sie erstrahlen werden an einer ganz anderen Stelle „erzeugt“. Das erkennt man u.a. daran, dass die Kunststoffrahmen der Fenster das farbige Licht reflektieren.

Verantwortlich für die Entstehung der Farben ist eine Kunststofffolie, mit der das schräge gläserne Vordach (unteres Foto rechts) überzogen ist. Die Folie wurde vermutlich aus Sicherheitsgründen angebracht, um beim eventuellen Bruch der Scheiben, die Fragmente zusammenzuhalten. In dem Ausschnitt des Glasdachs (unteres Foto links) kann man die Folie infolge kleiner Aufwellungen an der Kante sogar erkennen.

Diese Folie hat die – vermutlich nicht beabsichtigte – Eigenschaft, wie manche Kristalle doppelbrechend zu sein. Das heißt, wenn sie von polarisiertem Licht durchdrungen wird, treten zwei Teilwellen unterschiedlicher Geschwindigkeit auf. Diese führen dazu, dass ihre jeweiligen Phasen nicht mehr in derselben, sondern in unterschiedlichen Ebenen gleich sind. Davon würde man normalerweise gar nichts merken, wenn das in dieser Weise modifizierte Licht nicht auf die Oberlichtscheiben aufträfe und von diesen unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Brewster Winkel, ins Auge des Betrachters reflektiert würde. Denn unter diesem Winkel wird das Licht abermals polarisiert, wobei die verschiedenen Ebenen der Teilwellen wieder zusammenfallen und interferieren. Aufgrund der durch die Doppelbrechung bewirkten Phasenverschiebung, kommt es zu Verstärkungen und Abschwächungen bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts, d.h. zu einzelnen Farben.

Die Voraussetzung, dass das auffallende Licht polarisiert ist, wird immer dann erfüllt, wenn es bei klarem blauem Himmel aus einer Region kommt, die senkrecht zur Strahlrichtung der Sonne orientiert ist. Und dass man die Scheibe nun gerade unter dem Brewsterwinkel betrachtet, ist kein Zufall. Denn bereits in der Nähe dieses Winkels ist die Polarisationswirkung bereits so stark, dass die Farben bereits schemenhaft zu erkennen sind. Sobald man aber etwas Farbiges bemerkt, dessen Intensität mit der Blickrichtung variiert, justiert man den Blick meist automatisch so, dass die Farben besonders deutlich wahrgenommen werden – und das ist unter dem Brewster-Winkel der Fall.

Ich selbst habe das Phänomen zum ersten Mal in einem Nahverkehrszug beobachtet. Dort zeigten sich die Farben auf einer gläsernen Zwischenwand, über die die Reflexionen der hell beschienenen Außenwelt huschten. Deren Licht war vorher durch das Fenster des Zuges auf der Innenseite der Scheibe angebrachte Kunststofffolie gefallen. Diese Folie, die die Scheibe gegen mutwilliges Zerkratzen schützen sollte, war ebenfalls doppeltbrechend und damit ursächlich für die Farberscheinungen verantwortlich. Das wurde mir allerdings erst einige Zeit später klar, als ich an einem Fenster das Vorhandensein einer solchen Folie dadurch erkannte, dass diese offenbar bei dem Versuch die Scheibe zu zerkratzen beschädigt worden war.

Übrigens lässt sich die Farberscheinung in großer Deutlichkeit mit einer Overheadfolie hervorrufen, die man zwischen zwei Polarisationsfolien legt. Dieses nach einem ihrem Erfinder Michael Berry „Berry Sandwich“ [1] benannte Folienset macht es möglich, das Phänomen mit jeder Lichtquelle hervorzubringen. Im polarisierten Licht (z.B. bei blauem Himmel) kann man die äußere Folie sogar weglassen.

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Literatur

[1] Michael Berry et al. Black plastic sandwiches demonstrating biaxial optical anisotropy. European Journal of Physics 20 (1999), 1–14

Originalbeitrag

Geheimnisvolle Farben

Manche Farben sind gar keine und man sieht sie trotzdem und zwar dort, wo sie nicht sind. Das kann man mit bewusst in Kauf genommener Paradoxie von der auf dem Foto in prächtigen Farben leuchtenden Oberlichtscheibe dieses (übrigens in Danzig aufgenommenen) Fotos sehen. Die Scheibe unterscheidet nichts von einer ganz normalen Floatglasscheibe, wie sie überall mit vertrauter, manchmal durch Reflexe oder Schmutz getrübter Transparenz anzutreffen sind. Weiterlesen

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