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Dispersion

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Wenn weißer Schnee in Farben funkelt

schneefunkeln_dscf9606abrvH. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 3 (2017), S. 54 – 55

Ein jedes Stückgen Eis, ein jeder kleiner Hügel
Schien recht ein klarer Sonnen-Spiegel

Barthold Heinrich Brockes (1680–1747)

Einzelne Eiskristalle sind durchsichtig. Gerade diese Eigenschaft lässt Schnee weiß erscheinen – und unter den richtigen Bedingungen sogar bunt glitzern. Weiterlesen

Eine kleine Lichtexplosion zum 2. Advent

LichtexplosionEs müssen nicht immer Kerzenflammen sein. Licht, das durch strukturierte Medien geht, kann Phänomene auslösen, die nicht minder eindrucksvoll  sind. Im vorliegenden Fall wird eine Lichtquelle durch ein unförmiges Glasgefäß hindurch betrachtet, das früher einmal sein Dasein als Aschenbecher fristete. Es war kurz davor, im  Glascontainer zu enden. Zum Glück sah ich es mir noch mal bei Licht an und wurde unversehens versöhnt durch die wunderschönen, filigranen Flammen, die mir aus dem Glas entgegenschossen.
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Nebensonne – Lichtbrechung an Eiskristallen

NebensonneDieses Naturphänomen mag auf den ersten Blick an einen Teil eines Regenbogens erinnern. Davon dass dies nicht der Fall ist, überzeugt man sich schon durch die Position des Farbstreifens, der in einem Winkel von 22° links oder rechts – manchmal auch beidseitig – neben der Sonne zu sehen ist. Man spricht daher auch von einer Nebensonne. Die Lichterscheinung kann unter Umständen so stark wirken, dass man in der Tat an die Sonne erinnert wird, insbesondere dann, wenn die „richtige“ Sonne verborgen ist.
Wissenschaftlich nennt man die Nebensonne Parhelion, was auf altgriechisch dasselbe besagt. Im englischen Sprachgebrauch ist auch sehr fantasievoll von „sun dogs“ (Sonnenhunde) die Rede, so als würde die Sonne mit ihren Hunden an der Leine spazieren gehen.
Lichtweg im EiskristallrvAnders als beim Regenbogen sind nicht Wassertropfen für die Entstehung der Spektralfarben verantwortlich, sondern dünne Wolken von Eiskristallen. Diese Eiskristalle wirken wie winzige hexagonale Prismen, die das Licht ihrer Geometrie und Substanz entsprechend brechen und damit aus der ursprünglichen Richtung ablenken (nebenstehende Grafik): Sichtbares Licht hat ein Minimum der Ablenkung zwischen 21,7° (rot, 656 nm) und 22,5° (violett, 400 nm). Unter kleineren Winkeln kann keine Brechung mehr auftreten. Die meisten Lichtstrahlen, die zum Betrachter gelangen, werden in Winkeln nahe beim Minimum der Ablenkung gebrochen, wodurch ein heller inneren Rand zu sehen ist.
Dass die Nebensonnen auf gleicher Höhe wie die Sonne erscheinen, ist darauf zurückzuführen, dass die flachen Eisplättchen gewissermaßen horizontal liegend sinken und daher ihre Orientierung bis auf kleine Schwankungen beibehalten.
Wenn die Eiskristalle nicht so flach und beliebig orientiert sind, tritt ein ganzer Kreisbogen um die Sonne auf, der so genannte 22° Halo. Die Nebensonnen sind im Grunde nur ein Spezialfall eines komplexen Halosystems.

Ringwellen gegen Zeitverschwendung

Stein_Ringwellen_2_rvSteine ins Wasser werfend,
beobachte die entstehenden Kreise,
sonst ist dein Treiben pure Zeitverschwendung

Kos`ma Prutkow Weiterlesen

Glas bricht Licht – ein Urphänomen

Brillierende-GlaskantenrvIm Regierungsviertel in Berlin sieht man zuweilen an sonnigen Tagen, die Kanten der gläsernen Elmente einiger Gebäude in brillanten Farben erstrahlen, deren Reflexe sich oft auch noch im leicht bewegten Wasser malerisch zu immer neuen Farbmustern zusammenfinden. Diese allenfalls als ästhetisch empfundene Phänomen (War es von den Architekten vorausgesehen oder sogar beabsichtigt?) erinnert mich einmal mehr an die Bedeutung der Brechung des Lichts im geschliffenen Glas: Weiterlesen

Ein Spinnennetz fängt einen Regenbogen ein

Regenbogen_im_SpinnennetzDraußen lag die Welt im frischen Morgenlichte,
die Tauperlen, die in den Spinngeweben hingen,
blitzten in den ersten Sonnenstrahlen.

Theodor Storm (1817 – 1888)

Manchmal gehen Spinnengeweben keine Insekten ins Netz, sondern Regenbögen. Sie kompensieren die Flüchtigkeit ihrer Existenz mit eindrucksvollen Farben. Aus dem unansehnlich grauen Gespinst wird ein ästhetisch ansprechendes Naturphänomen. Ein normaler Regenbogen leuchtet in einer „Wand“ feiner fallender Wassertröpfchen auf. Es sind in jedem Moment andere Tröpfchen, die die jeweiligen farbigen Lichtstrahlen in unsere Augen senden. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Januar 2016

119_Schnee-mit-bunten-Punkt

Woher kommen die bunten Farbtupfer?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Farben feiner Risse

 

 

 

Der grüne Blitz

Grüner StrahlabSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 3 (2015), S.56 – 57

Für den Bruchteil einer Sekunde sendet das letzte Segment der untergehenden Sonne grünes Licht aus – wenn die atmosphärischen Bedingungen stimmen!

Bald verschwand die Sonne zur Hälfte hinter der Horizontlinie. Schließlich schwebte nur noch ein schmaler oberer Abschnitt der Scheibe über dem Meer. ›Das grüne Leuchten! Das grüne Leuchten!‹, riefen die Brüder … wie aus einem Munde, denn ihre Blicke hatten eine Viertelsekunde lang diesen unvergleichlichen reinen Jadeton erhascht …«wenn die atmosphärischen Bedingungen stimmen! (Jules Verne. Das grüne Leuchten Frankfurt: Fischer 1992)

Der grüne Strahl! Und schon ist er verschwunden.
Wer ihn erblickt, steht an des Meeres Rand,
von dem uns klingen, ahndevolle Kunden.
Gerhart Hauptmann (1862 – 1946)

PDF: Der grüne Blitz

Lichtwirbel im Swimmingpool

Swimmingpool-mit-AbflussEin Blick in den Swimmingpool zeigt in der Nähe eines Abflusses einige Unruhe im Wasser an. Aus etwas entfernterer Sicht sieht man rechts neben dem Abfluss einen Wirbel mit hellen Wirbelarmen. Daran erkennt man, dass der Abfluss tatsächlich in Betrieb ist und Wasser aufnimmt. Irritierend ist dabei jedoch zweierlei. Zum einen befindet sich der scheinbare Wirbel ein ganzes Stück rechts vom Abfluss. Sollte er nicht direkt darüber sein? Weiterlesen

Der weiße Streifen im Regenbogen

Roter RegenbogenSchlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 45/6 (2014) 308

Regenbögen weisen bei Sonnenuntergang manchmal einen weißen Streifen auf. Additive Farbmischung ist hier im Spiel.

Der Mangel an Farben und die dadurch  für den Einen oder Anderen eingeschränkte Ästhetik des abendlichen Regenbogens wird für die eher an dem physikalischen Hingergrund interessierten LeserInnen vielleicht durch die weitgehenden Schlüsse, die aus dem weißen Streifen gezogen werden können, ausgeglichen.

Unterhalb des Regenbogens ist es meist hell

Regenbogen-mit-heller-ScheiMan spricht immer über den Bogen, wenn man vom Regenbogen spricht, also über den Rand einer hellen Kreisscheibe, von der auf der Erde je nach Sonnenstand aber immer nur ein Ausschnitt zu sehen ist. In dem vorliegenden Foto ist dieser Ausschnitt näherungsweise so wie er der Theorie nach sein sollte: weiß. Warum weiß? Die Antwort hängt mit der Tatsache zusammen, dass für die Sichtbarkeit des Regenbogens die Kaustik entscheidend ist, die Brennlinie, die dadurch entsteht, dass der Ablenkungswinkel der reflektierten Lichtstrahlen mit dem Einfallswinkel nur bis zu einem Maximalwinkel wächst und danach wieder abnimmt. Im Bereich dieses Richtungswechsels ist folglich die Lichtintensität besonders groß. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Juli 2014

102_Farbige Tropfen am FlugzeugfenserEin Blick durch ein Flugzeugfenster. Welche physikalischen Vorgänge haben hier Spuren hinterlassen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Kugeltropfen_hydrophil_hydrophob

Wo befindet sich der Regenbogen?

Regenbogen-ganz-nah-rvDer Regenbogen wird oft wie ein Gegenstand angesehen, der sich am Himmel wölbt und mit seinen Enden auf der Erde fußt. Bekanntlich soll ja an diesen Stellen ein Schatz verborgen sein, den bislang jedoch niemand hat heben können. Warum wohl? Weiterlesen

Sonnentaler einmal anders. Oder: Zur Umkehrung der Quadratur des Kreises

Farbiger-Sonnentaler_1Farbiger-Sonnentaler_2Seitdem ich ein gläsernes Windspiel vor dem Fenster hängen habe, laufen bei Sonnenschein farbige Kreise über die Wände. Das ist aus zweierlei Gründen erstaunlich. Erstens bewegt sich das Windspiel, auch wenn keine Luftbewegungen auf andere Weise zu erkennen sind. Besonders im Sommer, wenn keine zirkulierende Luft durch die Heizung zu erwarten ist, kann man sich über die Sensibilität des Objekts wundern. Von Windspiel zu sprechen erweist sich spätestens durch diese Beobachtung gerechtfertigt. Zweitens ist nicht sofort einzusehen, wie diese kleine Glasscheibe von rechteckiger Form, 8 cm lang und 4 cm breit und mit prismatisch abgeflachtem Rand (siehe Abbildung unten links) einen kreisförmigen Lichtfleck hervorbringen und damit eine Art Umkehrung der Quadratur des Kreises zustande bringen soll. Die Diskrepanz zwischen dem Bild und dem Verursacher des Bildes ist so groß, dass ich erst aus der Korrelation zwischen der Bewegung des Windspiels und der Lichtkreise auf der Wand darauf gekommen bin, hier einen Zusammenhang zu sehen. Weiterlesen

Roter Regenbogen

Roter-RegenbogenBei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang erreicht uns von der Sonne oft fast nur noch das rote Licht. Die übrigen kurzwelligeren Anteile des Spektrums des weißen Lichts sind auf dem langen Weg durch die dichte Atmosphäre durch Streuung und Mehrfachstreuung bereits „verlorengegangen“. Wenn nun eine Wand von Wassertropfen in dieses rote Licht der Sonne gerät, entsteht ein roter Regenbogen. Andere Farben stehen nicht mehr zur Verfügung. Der Bogen ist folglich nur auf den Bereich beschränkt, der im normalen spektralfarbigen Licht für den roten Anteil vorgesehen war und erscheint daher entsprechend schmal. In dieser Situation bildet der Bogen nahezu einen Halbkreis. Nur von Bergen oder vom Flugzeug aus, kann man einen noch weiter zum Kreis gekrümmten Bogen erleben.

„Sie schauete auf zum Rosen und Feuerregen, der die hohen grünen Tannen mit Goldfunken und Morgenrot bespritzte; und wie verklärt schien sie vom Boden aufzuschweben, und der rotbrennende Regenbogen leuchtete schön auf ihre Gestalt herunter“ (Jean Paul: Hesperus).

Qualitative „Spektroskopie“ im Alltag

Kinetische FarbenSchlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule  62/7 (2013), S. 5 – 9

Im Alltag der wissenschaftlich-technischen und natürlichen Welt treten oft Phänomene auf, bei denen es durch unterschiedliche Ursachen bedingt zur Dispersion des Lichts kommt. In vielen Fällen sind die Farben jedoch sehr unscheinbar oder nicht ohne Weiteres wahrnehmbar. Es werden anhand von Beispielen qualitative Methoden beschrieben, wie man sie dennoch auf einfache Weise sichtbar machen kann.

Nur was ich nicht sah,
war der funkelnde Tautropfen
im Gras gleich vor meiner Tür
Rabindranath Tagore (1861 –1941)

PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Glitzernde Kristalle auf dem Betonpflaster

Betonstraße mit Glassplitter2

Blendend hell funkelnde Lichtreflexe zogen meine volle Aufmerksamkeit auf sich, als ich kürzlich auf einem Bürgersteig aus Beton in Genf an der Arve entlangschlenderte. Im Licht der tiefstehenden Sonne flammten mit jedem Schritt neue Lichter auf, während andere wieder verschwanden. Der Effekt erinnerte stark an eine glitzernde Schneelandschaft, bei der Licht reflektierende und brechende Eiskristalle im Spiel sind. Vermutlich waren es im vorliegenden Fall winzige Glassplitter, die dem Beton beigegeben worden waren.    Ob es sich um einen unbeabsichtigten Nebeneffekt handelt oder ob gar die Absicht dahinter steckt, die Passanten optisch zu beeindrucken, habe ich nicht herausfinden können. Letztere Annahme dürfte allerdings eher unwahrscheinlich sein. Weiterlesen

Twinkle, twinkle, little star…

SiriusrvTwinkle, twinkle, little star,
How I wonder what you are.
Up above the world so high,
Like a diamond in the sky.

Auf dem Foto sieht man  einen Stern und zwar Sirius. Zugegeben es sieht eher wie ein farbiger Veitztanz aus. Dem Fotografen fiel eines abends im März wieder einmal auf, dass der tief am südlichen Himmel stehende Stern wie ein Diamant in allen Farben funkelte ((Szintillation oder Seeing). Dieses Funkeln war so stark und eindrucksvoll, dass das eingangs zitierte kleine englische Gedicht in Erinnerung kam. Weiterlesen

Optische Marginalien – Phänomene im Trinkglas

Schlichting, H. Joachim. In: Erb, Roger; Grebe-Ellis, Johannes (Hg.): Alles, was der Mensch ernstlich unternimmt, ist ein Unendliches. Physikalische Miniaturen. Berlin: Logos Verlag 2011, S. 157- 166

Auch wenn Georg Christoph Lichtenberg zu bedenken gibt, »wie oft ein Glas Wein ein System erzeugt« und damit auf die kreativen Möglichkeiten anspielt, die vom Genuss gewisser Getränke ausgehen können, interessierten uns hier die eher nüchternen Möglichkeiten eines physikalischen Blicks ins Glas. Es sollte deutlich werden, dass oft gerade die Randphänomene, die man meist als
»Dreckeffekte« übersieht oder beiseite lässt, zu interessanten physikalischen Untersuchungen und Einsichten führen und Physik und Alltag in eine kreative Verbindung bringen können.

Ein Regenbogen ohne Regentropfen

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 37/5 (2006), 242- 244

Einen schönen Regenbogen bekommt man nur selten zu sehen. Mit einer wassergefüllten Plexiglaswanne und einem Overheadprojektor kann man zu jeder Zeit auf einer Wand einen farbigen Bogen erstrahlen lassen. Auch wenn dieser streng genommen kein Regenbogen ist, fasziniert er durch seine spektrale Farbenpracht und die Einfachheit seiner Herstellung.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Farbenspiel im Spinnennetz

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 35/1, 28-29 (2004).

Schaut man in einem flachen Winkel gegen die Sonne auf ein Spinnennetz, so kann man die Spinnweben in leuchtenden, metallisch glänzenden und je nach Blickrichtung changierenden Farben aufflammen sehen. Die Natur zeigt an diesem Phänomen einmal mehr, dass sie in der farblichen Ausgestaltung der Welt nicht auf Pigmente allein angewiesen ist.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Natur freihand – Optische Naturphänomene in Freihandexperimenten

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften- Physik 48/7, 12- 17 + 4. Umschlagseite (1999).

Naturphänomene spielen in die Schulphysik eine untergeordnete Rolle. Als Argument wird häufig der experimentelle und mathematische Aufwand genannt. Man beschränkt sich daher auf Idealsituationen, in denen das zugrundeliegende physikalische Prinzip des Phänomens demonstriert werden kann. Dabei geht aber gerade die ästhetische und oft auch emotionale Wirkung vor allem auf nicht physikalisch ausgerichtete Menschen verloren, die als Motivation für die physikalische Auseinandersetzung dienen könnte.

Im folgenden sollen exemplarisch einige Möglichkeiten skizziert werden, wie  man sich mit Hilfe einfacher Experimente, die gewissermaßen freihand gelingen [1], wesentlichen Aspekten von Naturphänomenen anzunähern vermag. Über die Anregung, derartige Freihandexperimente in den Unterricht mit  aufzunehmen, soll auf diese Weise dafür plädiert werden, einfache physikalische Prinzipien wie die Ausbreitung des Lichtes in homogenen Medien, Schattenbildung, Brechung und Reflexion – im Rahmen von Naturphänomenen
zu diskutieren, bei denen die Verständnisschwierigkeiten weniger im  physikalischen Anspruch liegen, als vielmehr im ungewohnten Kontext. Aber nur in einem solchen Kontext machen physikalische Zusammenhänge für die meisten Schülerinnen und Schüler Sinn.

PDF: Natur freihand – Optische Naturphänomene in Freihandexperimenten