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Dendriten

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Bäume im Baum

Dies sind die Trümmer eines im Sturm auseinander gebrochenen Baums. Er brach ab und in zwei Teile auseinander. Schaut man sich die Bruchstelle genauer an, so erkennt man, dass bei der Trennung der beiden Teile eine klebrige Substanz auseinandergezogen wurde. Wenn sie nicht weiß wäre, würde ich auf Harz tippen. So kann ich nur feststellen, dass bei der Trennung durch den Mechanimus des viskosen Verästelns Strukturen entstanden sind – Baumstrukturen. Was kann man von einem Baum auch anderes erwarten.
Wer sich für den Mechanismus interessiert, der auch in der Kunst als Technik der Decalcomanie bekannt ist, sei auf diesen früheren Beitrag verwiesen.

Dendriten im Schneematsch

Wasserpfützen können schön sein, obwohl es nicht so klingt. Entsprechendes gilt für Schneematsch auf einer Eisfläche. Davon kann man sich anhand der beiden Fotos überzeugen, von denen das obere einen Ausschnitt des unteren darstellt. Sie zeigen Schnee auf einem zugefrorenen flachen Gewässer der teilweise mit schönen Verästelungen verziert wird. Die Fotos stammen von Wolfgang Knappmann der sie mit Hilfe einer Drohne gemacht hat. Dadurch wurde das Szenario aus einer Perspektive zugänglich, die man vom Ufer aus nicht hätte einnehmen können.
Beeindruckend sind die fraktalen Verästelungen, die situationsbedingt nicht wie auf einer früheren Aufnahme quasi symmetrisch in alle Richtungen wachsen, sondern eine Richtung bevorzugen.
Bevor es zur Entstehung der Dendriten kam, war der Teich bereits zugefroren. In dieser Situation fiel Schnee und belastete die Eisdecke, sodass durch undichte Stellen oder noch nicht zugefrorene Löcher im Eis Wasser hochgedrückt wurde. Anders als im früher diskutierten Fall, in dem die Eisdecke bei der Absenkung weitgehend horizontal ausgerichtet blieb, haben wir es hier mit einer Neigung der Schnee bedeckten Eisflächen zu tun. Offenbar hat sich der Bereich in der Mitte, der noch mit trockenem, weißen Schnee bedeckt ist, überhaupt nicht gesenkt. Von hier ausgehend haben sich die Eisflächen dann zu den Seiten hin geneigt. Das aus den Öffnungen herausgequollene Wasser hat sich daher diesem Gefälle entsprechend ausgebreitet. Dabei kann man zwei Prozesse unterscheiden.
In dem einen Fall erfolgte eine langsame Durchnässung, indem die Feuchtigkeit gewissermaßen von Kristall zu Kristall weitergegeben wurde und zu einer „Verwässerung“ der weißen Farbe des Schnees führte. Dass feuchte Objekte, zum Beispiel ein durchnässtes Kleidungsstück oder eine Straße nach dem Regen dunkler aussehen als im Falle der Trockenheit dürfte bekannt sein. Das erklärt die unterschiedlich starke Verdunklung des Untergrunds.
Im anderen Fall, der durch die Dendriten geprägt ist, strömte das Wasser stärker gegen den Schnee an und durchdrang ihn in einem nicht genau zu beurteilenden Verhältnis von Verschieben und Schmelzen. Dass dies nicht in der vielleicht erwarteten Form erfolgte, in der das Wasser den Schnee großflächig durchdringt ist typisch für fraktale Strukturbildungsprozesse. Demnach breitet sich eine dickflüssige (stärker viskoses) Flüssigkeit in einer dünnflüssigeren (weniger viskosem) Flüssigkeit auf einer ebenen Fläche radial-kreisförmig aus. Im umgekehrten Fall ist die Grenzflächenfront zwischen den Flüssigkeiten instabil und es kommt wie früher bereits beschrieben zu den astförmigen Durchbrüchen, die dann ihrerseits instabil sind und Seitentriebe entwickeln, die sich dann weiter verästeln usw. Wegen der leichten Abschüssigkeit der Eisflächen entwickeln sich im vorliegenden Fall die Dendriten einseitig in Richtung der Neigung.
Die zu den Rändern hin dunkleren Bereiche sind wie gesagt zum einen der zunehmenden Durchtränkung des Schnees mit Wasser geschuldet. Zum anderen ist das sich in den Dendriten ausbreitenden Wasser vermutlich verschmutzt, was auf ein flaches Gewässer schließen lässt. Jedenfalls macht sich eine deutliche Braunfärbung bemerkbar.

Von Federn und Raureifstacheln

Als ich am frühen Morgen auf dieses Gebilde stoße (Foto), glaube ich zunächst einen singulären Raureifkristall vor mir zu haben, obwohl alles andere dagegen spricht – die Temperatur, die raureiffreie Umgebung und die Wassertröpfchen, mit denen das Objekt bedeckt ist. Es ist nur eine Flaumfeder eines Vogels, an der sich in der kühlen Nacht Wasserdampf zu Tröpfchen kondensiert hat. Die spontane Verwechslung hat – wie ich mir schnell klarmache – folgende nicht von der Hand zu weisenden Bewandtnis: Die normalerweise dendritisch verzweigte Feder hat die Form von stachelförmigen Auswüchsen angenommen, die Raureifkristallen zum Verwechseln ähnlich sind und sie ist wie diese schneeweiß.
Den Grund dafür verraten die Tröpfchen auf der übrigen Feder. Da die filigrane Feder nur einige wenige Berührpunkte mit der Erde hat und selbst aufgrund ihrer geringen Masse nur eine geringe Wärmekapazität besitzt, führte die Abgabe von Energie durch Wärmestrahlung zu einer fast widerstandslosen Abkühlung. Demgegenüber hielten sich die Abkühlung des Bodens und andere Objekte mit einer großen Masse und Wärmekapazität in Grenzen. Daher unterschritt die Temperatur der Feder sehr schnell den Taupunkt, sodass die relative Luftfeuchte dort über 100% hinausging. Der  überschüssige Wasserdampf ließ sich in Form kleiner Tröpfchen an und zwischen den feinen Verästelungen der Feder nieder. Die Tröpfchen berührten sich schließlich und verschmolzen miteinander um gemeinsam eine kleinere Oberfläche auszubilden und die dadurch freigewordene Energie an die Umgebung abzugeben (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Mit der Verschmelzung der kleinen Tropfen wurden aber auch die feinen Dendriten der Feder an denen sie hingen zu schlanken stachelartigen Gebilden zusammengezogen.

Rätselfoto des Monats April 2020

CD-Rohling ins Gegenlicht gehalten. Wie kommen die Farbstreifen in den Schatten?


Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2020

 Frage: Wie kommt es zu den etwa metergroßen Dendriten auf dem zugefrorenen See?

Antwort: Bei dem auf den ersten Blick rätselhaft erscheinenden Foto handelt es sich um eine Aufnahme aus einer Höhe von 50 bis 90 m, aufgenommen von Wolfgang Knappmann mit Hilfe einer Drohne. Die Größenordnung der Strukturen dürfte grob geschätzt im Meterbereich liegen. Wohl jeder, der sich ein wenig auf das Foto einlässt, wird erkennen, dass es sich um eine Eisschicht handelt, in diesem Fall die eines zugefrorenen Sees. Gespickt ist die Aufnahme mit einigen dendritischen Strukturen, die weniger bekannt sein dürften und daher rätselhaft erscheinen.
Diese Dendriten sind sogenannte Fraktale, die in der Regel dadurch entstehen, dass sich ein dünnflüssiges Fluid (geringe Viskosität) in einem dickflüssigen (größere Viskosität) ausbreitet. Wie an anderer Stelle ausgeführt, kann man solche fraktalen Strukturen selbst herstellen, wenn man beispielsweise (gefärbtes) Wasser zwischen zwei Plexiglasscheiben presst.

Im vorliegenden Fall stelle ich mir folgendes Szenario der Entstehung vor:
Nachdem der See zugefroren und mit einer noch dünnen Eisschicht bedeckt wurde, schneit es und der auflastende Schnee drückt das Eis in das Wasser.

  • An dünneren Stellen im Eis entstehen Löcher, aus denen das Wasser herausquillt und sich nach allen Seiten auszubreiten versucht.
  • Da das Wasser wärmer ist als der Schnee gibt es Wärme an diesen ab und „schmilzt sich“ in die Schneefront hinein. Dadurch kommt es zur Abkühlung und Verlangsamung des Vorgangs. Für ein kreisförmiges und damit großflächiges Fortschreiten der Schmelzfront reicht das nachströmende Wasser jedenfalls nicht aus.
  • Stattdessen bricht das Wasser an einigen Stellen, an denen zufällig bereits eine winzige Einbuchtung besteht ein und bahnt schmale vom Ursprung radial nach außen gerichtete Kanäle in die Schneeschicht. Auf diese Weise dringt das nachströmende wärmere Wasser in dem bereits gebahnten Kanal bis an die vordere Front vor und „schmilzt“ sich langsam weiter voran.

Je länger die Kanäle werden, desto mehr Wärme geht im Kontakt mit dem Schnee an den Uferwänden verloren und der Vortrieb des Kanals wird langsamer. Durch den „Druck“ des nachströmenden Wassers an die Uferwände kommt es schließlich zu Durchbrüchen, die zu Seitenkanälen führen, die sich gegebenenfalls weiter verzweigen usw.

Dieser Versuch einer Erklärung stützt sich allein auf das Foto und die typischen Mechanismen, die zu dendritischen Fraktalen führen und könnte daher mit einigen Unsicherheiten in den Schlussfolgerungen verbunden sein.


Erklärung der Rätselfotos des Monats Februar 2010

Rätselfoto des Monats März 2020

Wie kommt es zu den etwa metergroßen Dendriten auf dem zugefrorenen See?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Februar 2020

Frage: Warum ist einer der Kondensstreifen rot?
Antwort: Die Aufnahme wurde kurz nach Sonnenuntergang gemacht. Obwohl auf der Erdoberfläche die Farben bereits am Verschwinden waren und dem typischen monochromen Grau Platz machten, erreichte das durch den langen Weg durch die dichte Atmosphäre rot gewordene Licht der bereits hinter dem Horizont verschwundenen Sonne noch die Kondensstreifen des in großer Höhe fliegenden Flugzeugs. Genau gesagt: Das Flugzeug und die Kondensstreifen lagen auf einer Ebene mit dem einfallenden Licht. Der rechte Kondensstreifen wurde auf diese Weise vom beleuchteten linken Kondensstreifen größtenteils verdeckt. Er wurde daher nur durch das nicht mehr ganz so helle Himmelslicht beleuchtet, was zu dem dunklen Grau führte.

Rätselfoto des Monats Februar 2020

Warum ist einer der Kondensstreifen rot? Weiterlesen

Ein verinnerlichter weißer Baum

Als ich aus dem Fenster blicke, schneit es. Die Bäume nehmen ein weißes Aussehen an. Ich esse eine Mandarine und sehe in der Schale abermals ein weißes Bäumchen. Eine seltsame Übereinkunft!

Eisfraktal

Wir blicken auf einen zugefrorenen Teich mit einer dendritischen Struktur. Sie erinnert an ähnliche fraktale Gebilde in ganz anderen Zusammenhängen. In den meisten Fällen kommt sie dadurch zustande, dass ein Fluid mit einer geringeren Viskosität ein Fluid mit einer höheren Viskosiät durchdringt. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Oktober 2017

Sonne oder Mond?


Erklärung zum Rätselfoto des Monats September 2017
Frage:
Was wächst denn hier; und wie?

Längs einer Linie wachsen Bäumchen – fast möchte man sagen sich gegenseitig reflektierend – längs einer Linie. Auf den ersten Blick würde man vielleicht auf eine Versteinerung tippen. Obwohl die Richtung richtig ist, was das Alter betrifft, so ist die Entstehungsursache völlig verschieden. Hier blickt man auf keine versteinerten Pflanzen, obwohl es sich ebenfalls um dendritische (dendrites: zum Baum gehörend) Objekte handelt. Diese Dendriten sind vor circa 160 Millionen Jahren im Solnhofener Plattenkalk gewachsen. Es handelt es sich um Eisen- und Manganabscheidungenen auf Kluftflächen des Kalks. Entstanden sind sie dadurch, dass mineralreiches Wasser mit hohen Konzentrationen von Eisen und Mangan von Ritzen im Gestein ausgehend in mikroskopisch kleine Hohlräume zwischen den Kalksteinlagen und gedrungen sind und durch sogenanntes diffusionsbegrenztes Wachstum (DLA) solche fraktalen Muster hervorgebracht haben.
Der Vorgang lässt sich übrigens in einfachen Freihandexperimenten nachvollziehen ohne Äonen auf das Ergebnis warten zu müssen.

Rätselfoto des Monats September 2017

Was wächst hier?


Erklärung zum Rätselfoto des Monats August 2017
Frage:
Wie könnte dieses Muster in einer Dünenlandschaft entstanden sein?

Antwort: Was hier fast wie eine Pareidolie eines menschlichen Oberkörpers daherkommt, ist ein Foto eines Ausschnitts aus einer Dünenlandschaft am Strand. Entstanden ist die Struktur folgendermaßen. Nach einem kräftigen Regenguss, durch den die oberen Sandschichten durchnässt wurden, sind Menschen darüber gegangen und haben den Boden an bestimmten Stellen unter ihren Tritten verfestigt. Anschließend sind die oberen Sandschichten wieder getrocknet. Der nachts aufkommende Wind hat den Sand wie gewohnt vor sich hergetrieben und neue Dünenlandschaften gestaltet.
Allerdings konnten nur die trockenen und relativ lockeren Sandkörner weggetragen werden. Folglich sind insbesondere die durch die Tritte der Menschen verfestigten Sandpartien erhalten geblieben. Die verdichtende Wirkung eines Fußabdrucks sieht man in der Mitte des Fotos: Links der Abdruck des Vorfußes und rechts der Ferse. Die Schichtung aus dunklem und hellem Sand zeigt an, dass hier durch Verdichtung höhere Schichten stehen geblieben sind als in der Umgebung. Überhaupt ist die Morphologie ein Abbild der Festigkeit des Untergrunds zur Zeit, als der Wind darüber fegte.
Die unterschiedliche Färbung des Sandes zeigt ähnlich wie die Jahresringe eines Baumes die Vorgeschichte der Sandschichtung an. Offenbar wechseln sich Schichten weißen und dunklen Sandes ab.
Wie es zu dieser Schichtung kommt ist eine weitere interessante Frage. Der Sand besteht aus Partikeln unterschiedlicher Größe, Form, Dichte, Farbe etc. von denen rein visuell vor allem die dunklen und hellen Partikel ins Auge fallen. Normalerweise treten die verschiedenen Sandarten gemischt auf und verleihen dem Sand seine charakteristische grau-gelbliche Färbung. Unter dem Einfluss mechanischer Kräfte, also im Sandsturm und bei Lawinenabgängen an den leeseitigen Dünenabhängen kommt es mindestens zu partiellen Entmischungen, die dann besonders gut zu sehen sind, wenn unterschiedliche Farben der unterschiedlichen Sandarten im Spiel sind. Diese Streifenbildung nennt man in der Physik der granularen Materie auch Stratifikation.
Die Ursachen für die Streifenbildung können verschieden sein und hängen von den jeweiligen physikalischen Unterschieden (Größe, Dichte, Form) der Teilchen ab. Einen Eindruck davon kann man sich verschaffen, wenn man eine Mischung zweier Granulate, z.B. Mohnkörner und Zucker an einer Seite in ein flaches durchsichtiges Gefäß, z.B. eine transparente CD-Hülle, fließen lässt. Es ergeben sich deutliche Streifen, wie das untere Foto zeigt.

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