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diffuse Reflexion

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Blaue Wolken

Wenn man mit einem Flugzeug über den Wolken fliegt, sehen diese von oben meist weiß aus. Das weiße Sonnenlicht der über den Wolken strahlenden Sonne wird hier gestreut und zwar für alle Wellenlängen gleichermaßen (Mie-Streuung). Es sei denn, die Sonne steht bereits so tief, dass sie nicht mehr von oben, sondern von der Seite oder bereits von schräg unten strahlt. Wie man auf dem Foto sehen kann, ist diese Situation hier eingefangen. Die Wolken werden auf ihrer vom Flugzeug zu sehenden Oberseite nicht mehr vom Sonnenlicht aber wohl vom Licht des blauen Himmels darüber beleuchtet (die blaue Stunde). Sie erscheinen daher – wie auf dem Foto zu sehen ist – blau.

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

Was der Natur so alles zufällt…

Dieser Paradolie begegnete ich auf einer Wanderung. Das durch das Blätterdach kunstvoll geformte Sonnenlicht projizierte dieses Bild auf einen Baum. Oder war es ganz anders? Zeichnete das vom beleuchteten Baum diffus reflektierte Licht das Bild in meinem Kopf? Dass ich in diesem natürlichen Bild (gr. eidolon) etwas sah, was völlig daneben (gr. para) ist, macht den Reiz der Suche nach derartigen Bildern aus. Da eine natürliche Pareidolie definitionsgemäß auch von anderen Menschen wahrgenommen werden kann, zeige ich sie hier, um das zu überprüfen.

Eine leuchtende Düne

Bei tiefstegender Sonne kann man zuweilen das Glück haben, einzeln beleuchtete Dünen in einer Dünenlandschaft am Strand oder in der Wüste zu finden. Der Anblick ist m. E. sehr bemerkenswert, weil er den Eindruck vermittelt aus sich selbst heraus zu leuchten.

Rätselfoto des Monats März 2022

Geht hier alles mit rechten Dingen zu?


Dieses Bild hat ein leeres alt-Attribut; sein Dateiname ist 193_eiszapfen_img_6670rv.jpg.

Erklärung des Rätselfotos des Monats Februar 2022

Frage: Wie kommt es zu den Strukturen im Eiszapfen?

Antwort: Dieses reichlich strukturierte Muster besteht aus Lufteinschlüssen, die sich meist in der Mitte eines Eiszapfens bilden. In Wasser ist unter normalen Bedingungen – und das heißt u.a. bei Kontakt mit der Atmosphäre – stets mehr oder weniger viel Luft gelöst. Die Löslichkeit nimmt mit abnehmender Temperatur zu.
Doch wenn es so kalt wird, dass das Wasser gefriert, nimmt die Löslichkeit plötzlich drastisch ab und die überschüssige Luft wird während der Erstarrung des Wassers abgegeben. Die Eiszapfen frieren von außen nach innen zu, weil sie die bei der Kristallisation freiwerdende Wärme umso besser abgeben können, je näher sie der kalten Außenwelt sind. Wenn die Temperatur sehr niedrig ist und der Kristallisationsvorgang sehr schnell abläuft, kann die beim Erstarren zurückbleibende gelöste Luft nicht schnell genug nach außen abgegeben werden und sie bleibt daher in der Mitte des Zapfens als Luftblasenmuster zurück. Brechung und Reflexion beim Übergang des Lichts zwischen Eis und Luftblasen sorgen dafür, dass die „Luftseele“ trotz der Transparenz von Eis und Luft deutlich sichtbar wird.
Beim langsamen Gefrieren hat die Luft oft Zeit genug, an die Umgebung zu entweichen, sodass manchmal auch Zapfen ohne eingeschlossene Luftblasen entstehen und völlig klar erscheinen.



Rätselfoto des Monats September 2021

Warum ordnet sich der lockere Split allein infolge der Benutzung der Straße wellenförmig an?


Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2021

Frage: Warum ist die Spiegelung im Schatten besser?

Antwort: Das schräg von links einfallende Sonnenlicht wird im hinteren Teil der Wasseroberfläche sowohl spiegelnd als auch an den braunen Schwebstoffen im Wasser diffus reflektiert bzw. gestreut. Aus unserer Position bzw. der des Fotografen sehen wir aber nur die diffuse Reflexion, durch die das Sonnenlicht in alle Richtungen gestreut wird – also auch in unsere Augen. Und obwohl die Intensität des gespiegelten Lichts auf der Wasseroberfläche wesentlich größer ist, bekommen wir davon nichts mit, weil nach dem Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel das Licht nach schräg rechts reflektiert wird. Wenn man dort stünde und auf das Wasser in Richtung Sonne blickte, würde einem das gespiegelte Licht blendend in die Augen fallen.
Der (bezüglich des Sonnenlichts) beschattete Bereich im Vordergrund wird lediglich vom Streulicht des Himmels und anderer Objekte wie etwa der Bäume und der Häuser im Hintergrund beleuchtet. Dabei wird es im Wasser ebenfalls spiegelnd und diffus reflektiert. Diesmal kommt das Licht jedoch aus Richtungen, aus denen es spiegelnd in unsere Augen gelangt. Das auch in diesem Fall an den Streuteilchen im Wasser diffus reflektierte Licht ist jedoch von so geringer Intensität, dass es kaum störend in Erscheinung tritt.
Schaut man sich die Szenerie genauer an, so erkennt man, dass ein Teil des in der Sonne liegenden rechten Brückenbogens hell genug ist, um die diffuse Reflexion des Sonnenlichts wenigstens teilweise zu überstrahlen.

Schatten und Spiegelung

In diesem auf den ersten Blick surreal wirkenden Ausschnitt aus einem Hafenbecken beobachtet man zwei Abbildungen der von der Sonne beschienenen Gegenstände auf dem Wasser. Man ist vielleich geneigt, sie als Schatten abzutun. Schaut man sich die Dinge genauer an, so erkennt man, dass die Treppe und das Geländer einerseits eine Abbildung direkt unter dem Original aufweist und eine weitere aus anderer Perspektive rechts daneben. Aber ein Foto kann die Dinge nicht zugleich aus zwei Perspektiven zeigen. Vielmehr handelt es sich im ersteren Fall um keinen Schatten sondern um eine Spiegelung der Brücke und im letzteren um einen Schatten, der von der links strahlenden Sonne hervorgerufen wird.
Genau genommen kann auf dem Wasser kein Schatten entstehen. Wenn aber das Wasser wie im vorliegenden Fall mit Schwebstoffen verunreinigt ist, an denen das Sonnenlicht gestreut wird, erscheinen die von den schattenwerfenden Gegenständen ausgeblendeten Bereiche dunkel, weil uns von dort kein bzw. wesentlich weniger Licht erreicht.
Entsprechendes beobachtet man bei den beiden Pfählen. Aus der Perspektive des Fotos erscheint die Spiegeung wie eine Verlängerung der Pfähle und man muss schon genau hinschauen, wo der reale Pfahl endet und die Spiegelung beginnt. Von dieser Stelle gehen die horizontal orientierten „Schatten“ der Pfähle im Wasser aus. Sie haben einen deutlichen Blaustich, weil zwar das Sonnenlicht ausgeblendet wird, das blaue Himmelslicht diese sonnenlichtfreien Streifen aber erreicht und von dort diffus reflektiert wird.

Rätselfoto des Monats August 2021

Wodurch und warum wird die spiegelnde Reflexion auf Teilen des Wassers verhindert?



Erklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2021

Frage: Was hält die Burg zusammen?

Antwort: In trockenem Zustand rinnt Sand durch unsere Finger. Kaum gerät Sand jedoch mit Wasser in Berührung, fließt er nicht mehr und lässt sich in nahezu beliebige feste Gestalt bringen. Wenn sich trockener, also von Luft umgebener Sand mit Wasser verbindet, wird dabei verhältnismäßig viel Grenzflächenenergie an die Umgebung abgegeben. Und da die Natur bestrebt ist, soviel Energie wie unter den gegebenen Bedingungen möglich ist, an die Umgebung abzugeben, werden so viel Sand wie möglich mit Wasser benetzt und dabei so viele Sandkörner wie möglich miteinander verbunden. Wollte man die Körner wieder voneinander trennen und damit die energiereicheren Grenzflächen zwischen Luft und Sand wieder herstellen, müsste man die bei der Benetzung abgegebene Energie wieder zurück in das System stecken. Die dazu nötige Kraft ist Ausdruck der Steifigkeit und Festigkeit des nassen Sands. Durch die z.B. von der Sonne geförderte Verdunstung des Wassers wird der Sand allmählich wieder trocken und die Burg zerfällt.

…und unter mir die Spiegelwelt

Als ich dieses Gebäude betrat (oberes Foto), wunderte ich mich weniger über die nahezu perfekten Spiegelungen im glatten Fliesenboden als über die Menschen, die darüber gingen als wäre es nichts oder vielmehr ein normaler Boden. Ich selbst hatte längst die Unschuld verloren und musste das Gehirn einschalten, um die Tiefen in die Spiegelwelt, die sich da vor mir auftaten als begehbar und nur von virtueller Tiefe anzusehen. Dabei erwies es sich als äußerst günstig, dass ich nicht vorausschauend in diese glitzernde Mischung aus Realität und Virtualität ging, sondern direkt nach unten blickte. Denn in diesem Fall sah man statt einer Tiefe einen zwar glänzenden aber soliden Fußboden mit schwarzen Marmorfliesen (unteres Foto). Andere Menschen, die hier aus und eingingen machten sich überhaupt keine Gedanken vor allem nicht solche, die mich beschäftigten.
Alice hinter den Spiegeln hatte es da einfacher, sie ging durch einen normalen, also vertikal aufgestellten Spiegel. Dort drohte kein Sturz in die Tiefe. Allerdings waren die Abenteuer, die sie in der Spiegelwelt durchleben musste, nicht ganz ohne.

Ab heute begebe ich mich für einige Tage in eine netzfreie Region, sodass ich erst später auf evtl. Kommentare reagieren kann. Ich habe aber mit einigen Beiträgen vorgesorgt. 🙂



Impressionen aus der Krümmhörn 6 – Morgenstimmung

Als ich am frühen Morgen einen meiner Krummhörn Spaziergänge unternehme, ist die Sonne noch nicht aufgegangen. Die tieferen Gefilde sind noch in ein weitgehend monochromes Dunkel gehüllt. Der heutige Weg verläuft in westliche Richtung, sodass hinter mir alle Vorbereitungen für den Sonnenaufgang ablaufen. Auf einmal bemerkte ich, dass die dunkle Wolke vor mir am oberen Ende einen schwachen Rotschimmer annimmt. Der Sonnenaufgang steht also unmittelbar bevor, obwohl die Sonne noch nicht zu sehen ist. Die Röte erfasst nach und nach auch die unteren Partien der Wolke, wobei sich an einigen Stellen die dominanten Blautöne mit dem roten Licht der Sonne teilweise zu einem zarten Purpur überlagern. Das ganze Geschehen wird begleitet von der zunehmenden Aufhellung der Landschaft. Schließlich ist die Sonne so hoch gestiegen, dass ihre Strahlen das noch vom Vorjahr vergilbte Schilf am Rande des Kanals zur Reflexion ihrer immer noch rot angehauchten Strahlen veranlasst.
Die grünen Wiesen und frisch belaubten Bäume werden von diesen Aufhellungen kaum berührt. Denn im Unterschied zu den Wassertröpfchen in den Wolken und den hellen Schilfhalmen absorbieren diese weitgehend das rote Licht – Grün ist die Komplementärfarbe von Rot. Diese selektive Beleuchtung schafft die typische Morgenstimmung, mit der ein neuer Tag beginnt. 

Blasenwesen aus dem Geist der Fantasie

Das ständige Nieselwetter hat wenigstens eines für sich. In dem Brunnenring, den wir als Reservoir für das Wasser vom Dach nutzen, entstehen durch das hineinlaufende Wasser Blasen und die haben nichts Eiligeres zu tun als unter Missachtung der Abstandsregeln sich zu größen Blasenteppichen zusammenzuschließen. Dabei bilden sie immer wieder kreative Figuren, die die Fantasie auf Reisen schickt. Manchmal denke ich, die tun das nur für mich. Denn meist ist wieder eine neue Gestalt zu bewundern, wenn ich einige Zeit später wieder mal vorbeigehe. So groß kann die Wahrscheinlichkeit doch nicht sein, etwas Figürliches zu schaffen. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Januar 2021

Wie kommt es zu Form und Farbe des Sonnenreflexes?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Dezember 2020

Frage: Wie kommt es zu der doppelten Abbildung der Fenster?

Antwort: Obwohl das Phänomen durch kluge Kommentare bereits im letzten Monat weitgehend geklärt wurde,  fasse ich noch mal zusammen und vertiefe in einigen Aspekten.
Die Aufnahme wurde im Flur eines altehrwürdigen Gebäudes gemacht. An den Abbildern der Fenster kann man erkennen, dass sie noch einfach verglast sind. Doppelt verglaste Scheiben liefern im Allgemeinen Lichtkreuze im Lichtkreis.
Von jeder durch die tiefstehende Sonne beleuchteten Scheibe wird ein Teil auf die Wand und eines auf den Fußboden projiziert, sodass das Licht durch diffuse Reflexion in unserer Augen gelangt. Der auf die Wand projizierte Teil wird außerdem vom glatten Fußboden spiegelnd reflektiert. Es sieht so aus, als würde der vom Fußboden gespiegelte Teil den diffus an der Wand reflektierten Teil zu einem Bild des gesamten Fensters ergänzen. Das ist jedoch nicht der Fall. Denn das Spiegelbild unterscheidet sich von einer Projektion dadurch, dass es je nach dem Standpunkt des Beobachters eine andere Lage annimmt. Außerdem ist zu erkennen, dass das Spiegelbild sich in der Spiegelwelt unterhalb des Bodens befindet.
Der Fliesenboden ist offenbar so glatt, dass er wie ein Spiegel wirkt. Er ist allerdings kein perfekter Spiegel. Denn ein solcher würde nicht als Projektionsfläche taugen – es würden also keine Projektionen der Fenster auf dem Boden auftreten. Der Boden ist aber gleichzeitig auch so matt, dass das auffallende Licht außerdem diffus reflektiert wird. Letzteres erkennt man auch an der gelblichen Farbe des Fußbodens.

Reflektierende Hände

Ich sitze am Fenster und lese. Ich halte das Buch so, dass das strahlende Sonnenlicht nicht direkt auf die Seiten fällt (oberes Foto). Die Helligkeit wäre zu intensiv und zu anstrengend. Beim Umblättern stelle ich jedoch fest, dass die im Schatten liegenden Seiten plötzlich aufgehellt werden (unteres Foto).
Meine nun gar nicht mit einem Spiegel zu vergleichende Hand reflektiert das auftreffende Licht auf die Buchseiten. Auch wenn meine Hände das Licht nicht spiegelnd reflektieren, so reflektieren sie es dennoch diffus in alle Richtungen wie jeder andere Gegenstand auch. Obwohl mir der Effekt bekannt ist, erstaunte er mich durch seine Deutlichkeit, die im Foto nur schwer wiederzugeben ist.
Einen ganz ähnlichen Effekt habe ich früher schon einmal beschrieben und dabei auf Gemälde von George de la Tour (1593 – 1652) verwiesen, der die diffuse Reflexion von Händen und Gesichtern mit malerischen Mitteln in geradezu fantastischer Weise ausnutzt.

Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 51/3 (2020), S. 149

Was man beim Blick in eine Wasserpfütze zu sehen bekommt, hängt vor allem davon ab, aus welcher Richtung man in die Pfütze schaut.

Wasserflächen von weitem gesehen, nehmen teilweise die Farbe des Himmels an, weil diese in ihnen spiegelnd reflektiert wird. Ein (flacher) See erscheint deshalb blau, weil der Himmel blau ist. Und wenn der Himmel bedeckt und grau ist, kann der See nicht anders, als es ihm gleichzutun.
Auch die abgebildete Wasserpfütze (Abbildung 1) gibt das Blau des Himmels und das Weiß der Wolken wieder. Nähert man sich jedoch der Pfütze, so verblasst die Farbe zunehmend. Steht man direkt davor (Abbildung 2), so wird die Pfütze unversehens nahezu transparent. Man sieht den darunter und im Randbereich befeuchteten Asphalt teilweise in noch kräftigeren Farben als ohne die Wasserschicht darüber.
Die Ursache für diesen Wechsel ist darin zu sehen, dass der Anteil des reflektierten Lichts umso größer ist, je flacher man auf die Wasseroberfläche blickt (Einfalls- und Reflexionswinkel bezogen auf das Lot zur Wasseroberfläche sind groß) und minimal wird, wenn man senkrecht hineinschaut (Einfalls- und Reflexionswinkel sind Null) (mittleres Foto). Zwar ist von den Wolken noch etwas zu erkennen, aber wegen des geringen Kontrasts zwischen Himmelslicht und feuchtem Asphalt sieht man von den Blauanteilen nichts mehr.
Dieses optische Verhalten beobachtet man nicht nur bei Wasserflächen, sondern auch bei anderen transparenten Medien wie etwa bei Fensterscheiben. Wenn das Licht senkrech einfällt, reflektiert die Grenzfläche zwischen Glas und Luft nur etwa 4%. Dieses hier nur qualitativ angesprochene Phänomen wird quantitativ durch die sogenannten Fresnelschen Gleichungen beschrieben.
Das untere Foto wurde ebenfalls aus größerer Entfernung aufgenommen, allerdings aus umgekehrter Richtung gegen die Sonne. Auch hier sieht man das Himmelsblau und einige Wolken reflektiert. Einen auffälligen Unterschied zeigt der Randbereich, in dem die raue Oberfläche der befeuchteten Splitteilchen ihr dunkles Aussehen (oberes Bild) in ein blendend helles Leuchten gewechselt hat. Da hier dieselbe Pfütze nahezu gegen die Sonne fotografiert wurde, reflektieren die befeuchteten Flächen der Splittteilchen das Sonnenlicht auch noch aus Winkeln in die Kamera, die vom Reflexionswinkel der horizontalen Wasseroberfläche geringfügig abweichen. Es besteht somit eine enge Beziehung zum Phänomen des Schwerts der Sonne [1], bei dem das Sonnenlicht nicht nur an einer Stelle, sondern aus einem mehr oder weniger breiten Nachbarbereich gesehen wird. Beim Foto in Abbildung 1 wurde hingegen mit der Sonne im Rücken fotografiert; die Splittteilchen reflektierten das Sonnenlicht daher hauptsächlich vom Fotografen weg. Hinzu kommt dass dort die diffuse Reflexion im feuchten Randbereich geringer ausfällt als in der trockenen Nachbarschaft, weil das einfallende Licht in der dünnen Wasserschicht einige Male hin-und her reflektiert und dabei stärker absorbiert wird als im trockenen Bereich. Dieses Phänomen kennt man von den kräftigen Farben und dem Glanz feuchter Steine (Physik in unserer Zeit 36/1, 47 (2005)).
An der unterschiedlichen Helligkeit des Grases ist ebenfalls zu erkennen, dass man im einen Fall auf die beleuchtete Seite und im anderen Fall auf die Schattenseite der Gräser blickt.

Literatur

[1] H. J. Schlichting, Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 1998, 51 (7), 387; 1999, 52 (6), 330.

Dies ist die Einreichversion der Publikation.

PDF: Reflexionen in und über eine gewöhnliche Wasserpfütze.

Weiße Blüten durch Totalreflexion

Buschwindröschen erfreuen uns vor allem in der Zeit, in der die Bäume noch kein Laub haben und die Sonne den Waldboden erreicht, wo sie vornehmlich wachsen und blühen. Später, wenn das Blätterdach der Bäume so dicht ist, dass nur noch wenig Licht zu ihnen vordringt, verziehen sie sich in die dunkle Unterwelt des Rhizoms, in dem die während der kurzen Vegetationsperiode erworbenen Nährstoffe für das nächste Frühjahr gespeichert werden. Weiterlesen

Reflektierende Marienkäfer

Wenn ich Marienkäfer erblicke, zähle ich gewohnheitsgemäß ihre Punkte. In den meisten Fällen finde ich solche mit 7 Punkten – 3 Punkte auf dem einen und symmetrisch dazu 3 auf dem anderen Deckflügel (siehe Foto). Der 7. Punkt befindet sich direkt hinter dem Kopf je zur Hälfte auf dem einen oder anderen Deckflügel – die Symmetrie bleibt gewahrt. Die Punktzahl variiert mit unterschiedlicher Häufigkeit. Interessanterweise ist die Anzahl nicht beliebig, sondern kann Werte zwischen 2, 4, 5, 7, 10, 11, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 22 und 24 Punkten annehmen. (Eine mathematische Gesetzmäßigkeit vermag ich nicht darin zu erkennen). Weiterlesen

Eiskügelchen auf dem Gras

Nach einer kalten Nacht findet man häufig die Pflanzen in weißem Reif gekleidet vor. Diesmal war es offenbar anders. In dieser Nacht wurde noch eine Zwischenstufe eingeschaltet. Indem es sich relativ langsam abkühlte, sank die relative Feuchte bei positiven Temperaturen unter den Taupunkt, sodass der überschüssige Wasserdampf zunächst an den Pflanzen zu Wassertropfen kondensierte. Nachdem die Temperatur dann unter den Nullpunkt sank, gefroren die Tropfen zu kleinen Eiskugeln, so wie sie auf dem Foto zu sehen sind. 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

Merkwürdige Lichtstreifen hinter nicht ganz heruntergelassenen Rolläden

Wenn man einen normalen Kunststoffrolladen nur soweit herunterlässt, dass die Schlitze in den Lamellen zu sehen sind, bietet sich einem manchmal ein rätselhafter Anblick – sofern man gewillt ist, ihn überhaupt zur Kenntnis zu nehmen bzw. Lust hat, Ordnung in das an einen Barcode erinnernde Muster von Lichtstreifen zu bringen. Das obere Foto vermittelt einen Eindruck, wie man ihn vom verdunkelten Zimmer aus gewinnen kann. In der unteren Ausschnittvergrößerung wurden die Details heraukopiert auf die es im Folgenden ankommt. Darin betrachten wir die untere Reihe von Lichtschlitzen. Weiterlesen

Ein gefrorener Teich mit blauen Augen

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 50/6 (2019), S. 305

Ein harmloser Blick in einen zugefrorenen Teich bei Sonnenlicht wirft einige physikalische Fragen auf, die sich erst mit Hilfe von leicht zu übersehenden Indizien beantworten lassen.

Indem uns der Winter den festen Aggregatzustand des Wassers in unterschiedlichen Formen präsentiert, bietet er oft ungewohnte physikalische Situationen. Im oberen Foto sind gleich mehrere bemerkenswerte Phänomene zu beobachten. Man blickt durch die transparente Eisschicht auf den vom Sonnenlicht erhellten Grund eines Teiches. Dicht unter der Oberfläche zeigen sich einige Blasen, von denen die größte einen Durchmesser von etwa 3 cm hat. Weiterlesen

Optische Täuschungen 2: Spiegeltäuschung

Eine der bekanntesten Täuschungen besteht darin gespiegelte Gegenstände für real zu halten. Bei einem perfekten Spiegel gibt es rein optisch-visuell kaum eine Möglichkeit die Spiegelwelt von der realen Welt zu unterscheiden. Es sei denn, man vermag beide vergleichend in den Blick zu nehmen. Erst wenn man versucht, in die Spiegelwelt einzutreten, kommt es im doppelten Wortsinn zur Kollision mit anderen Aspekten der Beschaffenheit der Welt. Wer schon einmal gegen eine verspiegelte Wand beispielsweise in Form einer Glastür gelaufen ist, kann dies nur allzu gut bestätigen. Selbst Vögel, die gegen Fensterscheiben fliegen und sich dabei oft schwer verletzen oder gar zu Tode kommen, fallen auf die Spiegelwelt herein. Man versucht, sie vor dieser Täuschung mit einer anderen Täuschung zu bewahren, indem auffällige Aufkleber in der Form von Raubvögeln auf die Scheiben geklebt werden. Dadurch wird zwar die Spiegeltäuschung nicht aufgehoben, aber – so die allerdings wohl unberechtigte Hoffnung –  neutralisiert. Weiterlesen

Doppelabbildung im Greenwicher Octogon

Bei meinen Entdeckungen und Beobachtungen von Alltagsphänomenen ist mir aufgefallen, dass besondere Zeiten und besondere Orte die Sensibilität dafür maßgeblich zu erhöhen scheinen. Dazu gehören Reisen, Exkursionen und andere nicht alltägliche Aktivitäten.
Das im Folgenden dargestellte Beispiel bezieht sich auf einen Besuch im altehrwürdigen Royal Greenwich Observatory, das heute ein Museum ist. In dem dortigen Oktogon, einem auffälligen achteckigen Gebäude, schien die Sonne durch eines der Fenster und hinterließ auf dem Boden eine entsprechende Aufhellung von der Form des Fensters. Soweit also nichts Besonderes – bis ich ein zweites „Lichtbild“ auf dem Boden entdeckte, das zumindest auf den nunmehr zweiten Blick überhaupt nicht in mein physikalisch geprägtes Interpretationsschema passte: Wir haben eine Lichtquelle, die Sonne, also können wir auch nur eine Abbildung erwarten. Aber hier sind trotzdem zwei, die sich allerdings deutlich im Aussehen und „Verhalten“ unterscheiden: Von der hellen Sonnenprojektion wird das auftreffende Licht diffus in alle Richtungen reflektiert und es ist stationär. Die quadratische Aufhellung bleibt – von der langsamen Bewegung der Sonne abgesehen – an der Stelle, auch wenn ich meinen Standort und Blickwinkel ändere.
Das andere Abbild des Fensters unterscheidet sich nicht nur in der unterschiedlichen Position, sondern auch in der Helligkeit und Färbung. Und – es ist nicht stationär. Es bewegt sich mit dem Beobachter mit und scheint außerdem aus dem virtuellen Raum unterhalb des Bodens heraus zu scheinen. Ich kann es durch mein Hin- und Herbewegen im Raum fast nach Belieben über den Boden wandern lassen.
Es handelt sich hier um eine spiegelnde Reflexion. Normalerweise bleibt das in einem Spiegel betrachtete Bild wie der gespiegelte reale Gegenstand dort wo er ist. Und wenn ich mich fortbewege, sehe ich das Spiegelbild nicht mehr. Im vorliegenden Fall scheint es anders zu sein. Ich erblicke einen gespiegelten Ausschnitt aus dem Himmel und wenn ich mich fortbewege, gerät auch dieser Ausschnitt pflichtgemäß aus dem Blick. Davon merke ich allerdings meist nichts, weil stattdessen andere gespiegelte Himmelsausschnitte in den Blick geraten, die sich kaum voneinander unterscheiden – daher der Eindruck des mitwandernden Spiegelbilds. Und wenn ich mich dahin bewege, wo sich der gespiegelte Himmelsausschnitt mit der Sonne befindet, werde ich geblendet. Denn nunmehr gerät das Sonnenlicht auch noch durch spiegelnde Reflexion in meine Augen. Wäre der Fußboden ein perfekter Spiegel, würde ich hier gar kein Bild wahrnehmen.
Wie kann der glatte Fußboden gleichzeitig als diffus reflektierende Leinwand und als Spiegel fungieren. Was hier auf den ersten Blick als Problem erscheint, ist jedoch Ausdruck des allgemeinen Falls einer alltäglichen Reflexion. Jeder nicht perfekte Spiegel ist auch eine notdürftige Leinwand. Er reflektiert das Licht teilweise diffus und spiegelnd.
Klingt kompliziert, ist aber nur komplex.

 

Vom Alltäglichen bis zum Wechselspiel von Licht und Schatten bei George de La Tour

Manchmal wird man bei profaner handwerklicher Tätigkeit in künstlerische Gefilde katapultiert, die auf den ersten Blick (auf die Fotos) abwegig erscheinen. Als ich eine Außenleuchte am Haus reparierte und zufällig mit der Hand in den Sonnenstahl geriet, wurden die Leuchte und sogar ein Teil der Wand erstaunlich stark aufgehellt. Die Innenhand wirkte also wie ein Reflektor, der das Sonnenlicht zwar nicht spiegelnd aber diffus auf den im Schatten liegenden Bereich lenkte.
Ich hätte die Sonne nicht mit ins Bild nehmen können, weil die Intensitätsunterschiede zwischen Sonnenlicht und reflektiertem Licht einfach zu groß ist.
Das erinnerte mich an eindrucksvolle Bilder von George de La Tour. Beispielsweise ist auf dem Bild „Das Neugeborene“ eine ähnliche Szenerie malerisch dargestellt und zu einer einzigartigen „Lichtinstallation“ gestaltet worden. Obwohl die Intensität des Kerzenlichts um Größenordnungen kleiner ist als die der Sonne, ist die Situation prinzipiell dieselbe. Als primäre Lichtquelle hätte de La Tour die Kerzenflamme viel heller malen müssen, als das beleuchtete Neugeborene, das ebenso wie die anderen Personen unter realistischer Perspektive nur noch sehr düster und schattenhaft gewirkt hätten und nicht zur Geltung gekommen wären. Indem er die Kerzenflamme durch eine Hand verdeckt und dadurch einen Teil des Lichts zusätzlich auf das Kind lenkt, wird nicht nur das Kind zusätzlich erhellt, sondern das unlösbare Problem, die Kerzenflamme noch heller zu malen, auf elegante Weise aus dem Weg geräumt.
Bei so viel Licht wird es dem Künstler außerdem möglich, deutliche Abstufungen in der Helligkeit und damit einen räumlichen Eindruck von den Körperformen zu vermitteln sowie die Farben der Kleidung zu differenzieren.
Das Gemälde erzählt auf diese Weise eine zweite Geschichte, in der die Personen dem Maler Gelegenheit bieten, das faszinierende Wechselspiel von Licht und Schatten zu inszenieren.

Den Fotos sind weitere optische Effekte zu entnehmen. Die Glühlampe reflektiert u.a. den Himmel spiegelnd und zwar gleich zweimal, nämlich auf der vorderen äußeren und hinteren inneren Oberfläche. Und da die Lampe nahezu Kugelform hat, ist auch gleich der ganze Himmel gespiegelt zu sehen. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass der Himmel zum Horizont hin heller ist als im Zenit. Im unteren Foto dominieren die beiden Spiegelbilder der Hand.

Schatten mit Wasser auslöschen

Auf dem Foto sieht man einen normalen Schatten bei bereits tief stehender Sonne. Merkwürdigerweise wird er durch eine Wasserfläche weitgehend ausgelöscht. Wie kommt es dazu?
Die Wasserfläche erscheint heller als die Umgebung. Sie glänzt außerdem in der Farbe des Himmels blau. Mit anderen Worten, die Wasserfläche wird durch das Streulicht des Himmels beleuchtet, das natürlich auch dahin kommt, wo das Sonnenlicht ausgeblendet wird, in den Schatten der Person. Nun könnte man gegen dieses Argument einwenden, dass nicht nur die Wasserfläche vom Himmel beleuchtet wird, sondern auch das übrige Gebiet insbesondere nicht benetzte Schatten. Während das Himmelslicht jedoch auf dem rauen Asphaltboden zum einen stark absorbiert und zum anderen diffus reflektiert wird und daher nur wenig davon ins Auge des Betrachters gelangt, kommt es auf der Wasseroberfläche zu einer spiegelnden Reflexion des Himmelslichts in voller Intensität und Farbe: Das aus einer bestimmten Richtung einfallende Licht wird nach dem Reflexionsgesetz im Bereich des Wassers vollständig in die Augen reflektiert. Im sonnenbeschienenen trockenen Bereich dominiert natürlich die diffuse Reflexion des wesentlich intensiveren Sonnenlichts.
Interessanterweise erscheint die durch die spiegelnde Reflexion des Himmelslichts bedingte Aufhellung nahezu unabhängig von der Richtung zu sein. Das liegt daran, dass der Himmel als Lichtquelle aus nahezu allen Richtungen strahlt und eine Änderung des Beobachterstandpunkts nur zur Folge hätte, dass das Licht aus einer entsprechend anderen Region des Himmels ins Auge gelangte.
Wenn die Lichtquelle auf einen kleinen Bereich beschränkt wäre, wie etwa das Licht der Sonne, würde man feststellen, dass die Aufhellung nur in einem ganz bestimmten Winkelbereich erfolgte.
Das ließ sich in dieser Situation leicht überprüfen, indem ich mich so positionierte, dass die Stelle des Himmels reflektiert wurde, an der die Sonne stand. Folglich wurde nunmehr das Sonnenlicht spiegelnd ins Auge reflektiert (siehe untere Abbildung) und ließ weger ihrer wesentlich größeren Intensität die Wasserfläche geradezu aufflammen und, sodass ich geblendet mich sofort abwenden musste.
Außerdem ist deutlich zu erkennen, dass in diesem Fall der Schatten nicht ausgelöscht wird. Denn im Schatten kann das Sonnenlicht wegen seiner lokalen Begrenzung (siehe oben) gewissermaßen definitionsgemäß nicht reflektiert werden. Doch (mindestens) eine Frage bleibt: Müsste nicht eine Aufhellung der Beinschatten in der Pfütze durch das Himmelslicht zu beobachten sein. Theoretisch ja, im Vergleich mit der Intensität des reflektierten Sonnenlichts ist die Intensität des reflektierten Himmelslichts jedoch so gering, dass man auf ein und demselben Foto davon so gut wie nichts sehen kann.
Und noch etwas ist interessant. Dass es überhaupt zu spiegelenden Reflexionen im Bereich des nassen Asphalts kommt, liegt daran, dass das Wasser die unregelmäßigen Lücken im rauen Asphalt schließt und daraus eine glatte Fläche macht.

Eine kleine extrasolide Modellerde

Ich besitze seit längerem eine fein polierte Steinkugel, die durch eine schöne Struktur besticht. Als sie kürzlich vor mir auf einem weißen Blatt Papier lag, war mir, als blickte ich auf eine unbekannte Erde, sozusagen aus dem Weltraum. Denn es zeigte sich, dass sie von einer zarten blauschimmernden Atmosphäre umgeben zu sein scheint. Dass man den Blauschimmer nur sieht, wenn man tangential auf den Rand der Kugel blickt, könnte man sich damit erklären, dass der Blick durch eine vergleichsweise lange Strecke der Atmosphäre geht, sodass sich die Lichtstreuprozesse bis zur deutlichen Sichtbarkeit aufsummieren. Weiterlesen

Zugleich diffus und spiegelnd

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 8 (2017), S. 64 – 65

Wer bei Reflexionen nur an Spiegelbilder denkt, übersieht leicht das Licht, das raue Oberflächen ungerichtet zurückwerfen. Meist treten beide Erscheinungen gemeinsam auf.

In dem, was sich mir so als Raum des Lichts darstellt,
bedeutet Blick immer ein Spiel
von Licht und Undurchdringlichkeit.
Es geht stets um ein Spiegeln
Jacques Lacan (1901–1981) Weiterlesen

Wo viel Licht ist, ist starker Schatten…

… manchmal auch dort, wo man ihn nicht erwartet.
Ein aufmerksamer Beobachter von  (physikalischen) Alltagsphänomen, Rainer Wirz, hat mal wieder ein auf den ersten Blick rätselhaftes Foto geschickt, auf dem ein Phänomen zu beobachtete ist (siehe Foto), das er folgendermaßen beschreibt: „Beim sommerlichen Frühstück um 08.00h blickte ich vom Balkon aus auf das Toilettenfenster an der Nordseite unseres Hauses und wunderte mich plötzlich über die beiden entgegengesetzt fallenden Schatten – einerseits des kleinen Überhangs der Fensterbank im Streiflicht und andererseits der beiden Gitterstäbe vor dem Fenster. Als aktive Lichtquelle war nur die pralle Morgensonne aus dem Osten vorhanden, die den dazu passenden Schatten des kleinen Fensterbanküberhangs auf die Hauswand zeichnete.“
Der nahezu streifende Einfall des Sonnenlichts zeigt, dass die der Strahlungsrichtung gegenüberliegende Seite der Fensterleibung in einem schmalen Streifen vom Sonnenlicht getroffen wird. Dieser erhellte Streifen der weißen Wand wirkt wie eine nahezu linienhafte Lichtquelle. Sie beleuchtet u.A. die gegenüberliegende Seite der Leibung, wie man an der deutlichen Aufhellung erkennen kann. Die beiden in diesem Licht liegenden Gitterstäbe blenden einen ihrer Ausdehnung und Orientierung entsprechenden Lichtstreifen daraus aus, was sich in entsprechenden Schattenlinien auf der dahinter liegenden Seite der Leibung bemerkbar macht. Dass der Effekt so deutlich ausfällt, ist auch der großen Intensität des Sonnenlichts zu verdanken, die dem schmalen beleuchteten Streifen zu einer beachtlichen Lichtintensität verhilft. Denn wie es in Goethes Götz von Berlichingen bereits heißt: „Wo viel Licht ist, ist starker Schatten.“ (Götz von Berlichingen. Erster Akt – Jagsthausen. Götzens Burg/Götz).
Dies ist übrigens ein weiteres Beispiel dafür, dass Goethes dichterische Metaphorik stark geprägt wird von seinen naturwissenschaftlichen Forschungen insbesondere im Bereich der Farbenlehre.

Reflexionen über Reflexionen in einer gewöhnlichen Wasserpfütze

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Wasserflächen von weitem gesehen, nehmen die Farbe des Himmels an, weil das Himmelslicht in ihnen spiegelnd reflektiert wird. Ein (flacher) See ist deshalb blau, weil der Himmel blau ist. Und wenn der Himmel bedeckt und grau ist, kann der See nicht anders, als es ihm gleichzutun.  Auch die im linken Foto abgebildete Wasserpfütze gibt das Blau des Himmels und das Weiß der Wolken wieder. Nähert man sich jedoch der Pfütze, so verblasst die Farbe zunehmend. Steht man direkt davor (rechtes Foto oben), so wird die Pfütze unversehens transparent. Man sieht den darunter befindlichen Asphalt teilweise in noch kräftigeren Farben als ohne die Wasserschicht darüber. Die Ursache für diesen Wechsel ist darin zu sehen, dass der Anteil des reflektierten Lichts umso größer ist, je flacher man auf die Wasseroberfläche blickt (Einfalls- und Reflexionswinkel bezogen auf das Lot zur Wasseroberfläche sind groß) und minimal wird, wenn man senkrecht hineinschaut (Einfalls- und Reflexionswinkel sind Null).
himmel_in_pfuetze_1_rvDiese Eigenschaft beobachtet man nicht nur bei Wasser, sondern auch bei anderen reflektierenden Flächen, z.B. bei Fensterscheiben. Bei senkrechtem Lichteinfall reflektiert die Grenzfläche zwischen Glas und Luft nur 4%. Dieses hier nur qualitativ angesprochene Phänomen wird quantitativ beschreiben durch die sogenannten Fresnelschen Formeln.

Das Foto unten rechts wurde ebenfalls aus größerer Entfernung aufgenommen. Auch hier sehen wir das Himmelsblau und einige Wolken reflektiert. Allerdings unterscheidet es sich mit seinem blendend hellen Rand vom dunklen Rand im linken Foto. Weil ich mich beim unteren Foto so hingestellt hatte, dass das Sonnenlicht nahezu ins Objektiv der Kamera reflektiert wurde, genügten geringfügig abweichende Reflexionswinkel, wie sie die befeuchteten Splitteilchen darboten, dass das Sonnenlicht über diese kleinen geneigten Spiegel in die Kamera gelangten.
Es besteht somit eine enge Beziehung zum Phänomen des Schwerts der Sonne. Im linken Foto hingegen hatte ich die Sonne im Rücken, sodass die Winkelabweichungen von der Ebene nicht ausreichten, Sonnenlicht ins Objektiv zu reflektieren. Die diffuse Reflexion des Sonnenlicht ist dort in dem feuchten Randbereich geringer als in der trockenen Nachbarschaft, weil das einfallende Licht in der dünnen Wasserschicht einige Male hin-und herreflektiert und dabei stärker absorbiert wird als im trockenen Bereich. Dieses Phänomen kennt man von den kräftigen Farben und dem Glanz feuchter Steine.

„Das Licht treibt sein lachendes Spiel an der Oberfläche der Dinge“*

Es ist als würde diese Palme (Foto)  auf La Palma ein überirdisches Licht in ihrem Innern zum Leuchten bringen, so unwirklich hell strahlt es aus ihr heraus. Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass es hier mit rechten Dingen zugeht. Die Stelle, an der sich die Palmwedel vereinigen, wird zufällig so wirkungsvoll vom Sonnenlicht getroffen, dass es zu dieser faszinierenden Leuchterscheinung kommt. Das Foto kann nur unvollkommen wiedergegeben, was das Auge als ein gewissermaßen aus sich heraus leuchtendes Volumen sieht. Weiterlesen

Alpenglühen in Santa Cruz

Heute bin ich mal vor der Sonne aufgestanden und sehe ihr beim Auftauchen aus dem Meer zu. Sie steigt auf den Kanarischen Inseln steiler auf als bei uns in nördlicheren Gefilden, weil wir dem Äquator ein ganzes Stück naher gekommen sind. Ebenso eindrucksvoll, weil seltener in dieser Deutlichkeit zu beobachten, flammen die Häuser von Santa Cruz de la Palma im rötlichen Sonnenlicht auf. Es ist als würden die Häuser aus sich heraus leuchten. Dabei geben sie nur das Licht gewissermaßen aus zweiter Hand weiter. Der Effekt ist vor allem deshalb so spektakulär, weil sich die in hellen Farben getünchten Häuser einen großen Anteil des fast senkrecht auf die Wände einfallenden Lichts reflektieren. Demgegenüber geben die bewaldeten Berge im Hintergrund kaum Licht zurück mit der Folge eines besonders starken Kontrasts.
Das Phänomen erinnert an das Alpenglühen, dem Leuchten der hellen Felsen im Licht der auf- oder untergehenden Sonne, wie man es vom Bergwandern kennt. Dort sind es vor allem die nackten Bergspitzen, die noch oder bereits im Sonnenlicht erglühen, wenn die Sonne noch keinen oder keinen Zugang mehr zu den tiefer gelegenen Regionen hat, die daher noch oder bereits im Dunkeln liegen.

Grenzen – immer nur tangieren nicht überschreiten

LichtränderDer Schatten, den wir manchmal bemerken, isolieren und als Schatten untersuchen, ist zumeist ein Schlagschatten. Daß unser Geist den Schlagschatten bevorzugt, hat offensichtlich verschiedene Ursachen. Der Schlagschatten bewegt sich oft schnell auf seinem Grund und fällt dadurch auf.

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Rätselfoto des Monats April 2017

Zu gestern: April, April!

Und hier kommt das echte Rätselfoto des Monats:

Frage: Wie kommt es zu der Abbildung an der Wand?

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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

Matt oder glatt, das ist hier die Frage

Matt_und_glatt_auf_PflasterDie Fotos bilden eine Glasfront ab, deren Elemente auf einem leicht konvexen Bogen angeordnet sind. Auf dem linken Foto blickt man auf die Aufhellung, die durch die spiegelnde Reflexion des Sonnenlichts auf das Pflaster hervorgerufen wird. In den meisten Fällen kann man davon ausgehen, dass Pflasterungen das auffallende Licht diffus und nicht spiegelnd reflektieren. Weiterlesen

Wo die Stadt aufhört…

Wo_die_Stadt_aufhörtWo die Stadt aufhört ( . . . ) kann man sich niederlassen
einen Augenblick und das Gesicht in die Hände geben.
Man weiß dann, daß alles war, wie es war, daß alles ist, wie
es ist, und verzichtet, einen Grund zu suchen für alles. Weiterlesen

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