Eiskristall

Frostiges Kunstwerk

Dies ist eine zugefrorene Wasserpfütze mit einer ursprünglich sehr wilden Topologie. Als sie mit Wasser volllief, ragten nur noch einige Relikte des Untergrunds aus dem Wasser heraus. Auf dem Foto ist das der hellbraune zerklüfte Teil. Der ihn umgebende dunkelbraune Bereich bildet eine Art Tableau, das vom Wasser gerade noch bedeckt war bevor der Frost einsetzte. Und als das Wasser dann gefror und die gesamte Pfütze bis auf den hellbraunen Teil mit einer Eisschicht überzog, war der dunkelbraune Bereich fest mit der transparenten Eisschicht überdeckt und verbunden. Unter der übrigen Eisschicht konnte man den noch mit Wasser gefüllten tieferen Teil des Pfützenbodens sehen, der eine ähnliche Braunfärbung aufwies wie das Tableau. Soweit die Szenerie einige Stunden nach Einbruch des Frostes.
Am nächsten Tag zeigte sich dann die im Foto dargestellte Szenerie. Der helle Bereich besteht aus einer Eisschicht, die keine Berührung mehr mit dem Wasser hat, auf der sie ursprünglich entstanden ist. Sie kann daher auch nicht dicker werden. Vielmehr überdeckt sie einen Hohlraum über dem weitgehend im Boden versickerten Wasser. Durch die hohe Luftfeuchte unter dieser Eisschicht bildete sich auf deren innerer Seite ein Reifbelag, durch den die Eisschicht undurchsichtig wurde.
Die Strukturen in dieser weißen Eisschicht sind darauf zurückzuführen, dass das Wasser wegen unterschiedlicher Wassertiefen und demzufolge unterschiedlich langer Versickerungszeiten andere Verläufe der Reifbildung bewirkt wurden.
Wegen der Unförmigkeit der dreidimensionalen Pfützenmorphologie entstand keine einheitliche Eisfläche, die vielleicht zum Glitschen geeignet gewesen wäre, sondern ein zweidimensionales Natur-Kunstwerk (Oxymoron!), das es meines Erachtens wert war fotografiert und hier gezeigt zu werden.

Eiskunst auf der Wasserpfütze

So manche zugefrorene Wasserpfütze (hier ein Ausschnitt) besticht durch oft naturkünstlerische (ich weiß – ein Oximoron) Muster, die in einer ziemlich direkten Weise das visualisieren, was schon vorher irgendwie da war, bevor die Temperatur unter den Gefrierpunkt sank. Will man dennoch beschreiben, was bei der Übersetzung der Beschaffenheit der Pfütze von einer hohen in eine tiefe Temperatur passierte, so muss man sich auf wesentliche Aspekte beschränken. Dazu zählen die Beschaffenheit des matschigen Untergrunds der Pfütze, die Geschwindigkeit, mit der Wasser versickert (vermutlich an den verschiedenen Stellen unterschiedlich), die Temperaturschwankungen, die Luftfeuchte, die Bedeckung des Himmels… Und selbst wenn man diese Aspekte alle in Betracht zieht, könnte wohl kein Computerprogramm die Entwicklung dieses Musters vorherberechnen. Wir kennen zwar die Naturgesetze, die bei dieser Entwicklung im Spiel sind, aber Details und insbesondere sensitive Punkte, bei denen es durch winzige Unterschiede zu qualitativ völlig anderen Strukturbildungen kommen kann, haben wir grundsätzlich nicht im Griff. Um es etwas pauschaler zu sagen: Der Zufall spielt oft mit dem Zünglein an der Waage.
Dennoch, einige typische Entwicklungen beim Zufrieren der Pfütze können zumindest im Prinzip physikalisch beschrieben werden. Wer sich dafür interessiert, sei auf frühere Beiträge verweisen, z.B. hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier)

Auf dünnem Eis

Als Kinder freuten wir uns über zugefrorene Pfützen, um darauf zu glitschen bzw. zu schlittern. Pfützen mit weißen Eisschichten waren weniger geeignet, weil diese so dünn waren, dass man meist schon beim vorsichtigen Betreten einbrach.
Aus Ärger darüber und des schönen Geräusches wegen haben wir dann oft auch noch den Rest der Pfütze zertrampelt, sodass unsere Schuhe und manchmal auch noch die Hosen danach völlig verdreckt und damit Ärger zu Haus vorprogrammiert waren. Denn unter dem dünnen Eisbelag war meist noch feuchter Schlamm vorhanden, den der Frost noch nicht erreicht hatte.
Das Eis ist in manchen Pfützebn deshalb so dünn, weil das Wasser schneller versickert als die Eisschicht dicker wird. Schließlich reißt der Kontakt zur Wasseroberfläche. Auf diese Weise entsteht zwischen dem sinkenden Wasserniveau und der Eisschicht ein Hohlraum mit großer Luftfeuchte. Die reichlich vorhandenen Dampfmoleküle docken an der Unterseite der nunmehr frei gewordenen Eisschicht an und bilden eine Reifauflage. Wegen der Lufteinschlüsse des Reifs geht die Transparenz zugunsten eines Milchglasaussehens verloren. Deshalb gehören dünnes Eis und Intransparenz zusammen.
Aber ehrlich gesagt habe ich das Foto nicht nur deshalb gemacht um dies zu dokumentieren. Vielmehr fand ich die Eisschicht in ihrer reichhaltigen Strukturierung und der darin implizit enthaltenen Entstehungsgeschichte einfach naturschön. Leider werden wir solche Ansichten in Zukunft in unseren Breiten wohl immer seltener zu Gesicht bekommen.

Die Nebensonnen

Drei Sonnen sah ich am Himmel steh’n,
Hab‘ lang und fest sie angeseh’n;
Und sie auch standen da so stier,
Als wollten sie nicht weg von mir.

 Ach, meine Sonnen seid ihr nicht!
Schaut ander’n doch ins Angesicht!
Ja, neulich hatt‘ ich auch wohl drei;
Nun sind hinab die besten zwei.

Ging nur die dritt‘ erst hinterdrein!
Im Dunkeln wird mir wohler sein.*

* Wilhelm Müller (1794 -1827)

Das Gedicht von Wilhelm Müller wird der einen oder dem anderen durch den Liederzyklus Winterreise bekannt sein, der von Franz Schubert (1797 – 1828) vertont wurde. Daran wurde ich vor ein paar Tagen erinnert, als ich die tiefstehende Sonne mit zwei Nebensonnen erleben durfte.
Im Englischen heißen Nebensonnen auch „sundogs“, womit wohl zum Ausdruck kommen soll, dass die Sonne ihre beiden Hunde ausführt. Wie dem auch sei, ich sitze im Garten betrachte das Himmelsschauspiel, lausche „gedanklich“ Schuberts Vertonung und bin nur dadurch etwas beunruhigt, dass ich um diese Jahreszeit bei bereits tiefstehender Sonne und einer Temperatur von 20°C im Garten sitze.

Wer sich u. A. für die physikalischen Hintergründe und andere Aspekte des Phänomens interessiert, sei auf frühere Blogbeiträge verwiesen (z.B. hier und hier und hier).

Ein Stein schafft sich ein naturschönes Ambiente

Wo bislang eine unansehnliche Wasserpfütze den Wanderweg blockierte, hatte sich gestern mit Hilfe des nächtlichen Frosts ein naturschöner Anblick entfaltet. Ausschlaggebend für die Entwicklung dieser individuellen Eisstruktur ist ein Stein, der beim Zufrieren der Pfütze ganz zu Beginn die entscheidenden Strukturimpulse gibt. Sie sind hier als radial vom Stein ausgehende Eiskristalle zu sehen, die gewissermaßen das Fachwerk abgeben, dessen Zwischenräume ganz zum Schluss zufrieren. Weiterlesen →

Eisstrukturen zwischen Mangel und Überfluss

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 2 (2022)

Es waren Myriaden im Erstarren zu ebenmäßiger Vielfalt kristallisch
zusammengeschossener Wasserteilchen.
Thomas Mann (1875–1955)

In kalten Nächten wachsen oft weit verzweigte Eiskristalle heran. Wo und wie sie genau entstehen, hängt vor allem von den lokalen Gegebenheiten ab.

Zwar verlieren Pflanzen im Winter ihre Blütenpracht, doch dafür sprießen an ihnen filigrane, dendritische Eiskristalle und bieten einen schönen und physikalisch interessanten Ersatz. Damit solche Strukturen entstehen können, ist neben tiefen Temperaturen aber auch Wasser nötig.

In einer trockenen und wolkenfreien Nacht kann reichlich davon anfallen. Das ist uns bereits aus den wärmeren Jahreszeiten vertraut: Nicht selten sind am frühen Morgen Blätter und andere Gegenstände mit zahlreichen, bei Sonnenschein glitzernden Tautröpfchen benetzt. Durch Abstrahlung von Energie zum dunklen Himmel fällt die Temperatur der Objekte; Luft in deren Nähe kühlt ebenfalls ab. Damit sinkt die maximal mögliche Konzentration des darin enthaltenen Wasserdampfs (maximale Feuchte). Unterschreitet sie die aktuell vorhandene absolute Feuchte, kondensiert das überschüssige Wasser. Die Temperatur, bei der das passiert, heißt Taupunkt.

Kleinere und flachere Gebilde wie Grashalme und Blätter kühlen stärker ab. Denn einerseits ist die pro Zeiteinheit abgestrahlte Energie in etwa proportional zur Größe der Oberfläche, andererseits ist die gespeicherte innere Energie proportional zum Volumen. Wenn r für eine typische lineare Größe eines Gegenstands steht, etwa seinen Radius, dann schrumpft seine Oberfläche proportional mit r^2, sein Volumen aber mit r^3. Wird das Objekt beispielsweise um den Faktor 10 verkleinert, so verringert sich seine Oberfläche um das 100- und sein Volumen um das 1000-Fache. Also nimmt die zu Letzterem proportionale innere Energie stärker ab als die Oberfläche – und mit der inneren Energie ist wiederum die Temperatur verbunden.

Im Winter sind die Verhältnisse nicht grundlegend anders, nur liegt der Taupunkt gegebenenfalls unterhalb des Gefrierpunkts. Dann wird der überschüssige Wasserdampf gar nicht erst flüssig, sondern gefriert an den eiskalten kleinen Strukturen direkt zu Kristallen (Resublimation). Um vom gasförmigen in den festen Zustand überzugehen, benötigen die Wassermoleküle Unterstützung in Form von so genannten Keimen. Das sind meist winzige Partikel, an denen die Kristallisation leichter gelingt als beispielsweise im freien Raum. Der ideale Keim ist ein bereits existierender Eiskristall, und daher wachsen eher vorhandene Exemplare als neue entstehen.

Auf einem Blatt entwickeln sich die ersten Eisstrukturen bevorzugt an dünnen Härchen und anderen winzigen Auswüchsen (siehe »Sprießende Spitzen«). Sie sind nicht nur besonders kalt, sondern ragen oft außerdem ein Stück weit in die Umgebung hinein, die von Wasserdampfmolekülen wimmelt. Deren Verfügbarkeit ist zudem einer der Gründe dafür, dass die entstehenden Eisnadeln meist nicht in beliebige Richtungen wachsen, sondern von ihrer Basis weg ins Freie. Dabei spielt ein weiterer Aspekt eine wichtige Rolle: Bei der Resublimation fällt Energie aus Kondensationswärme und Kristallisationswärme an. Nur, wenn sie genügend schnell weggeschafft wird, kann Dampf tatsächlich erstarren.

Haben die Spitzen eine bestimmte Länge erreicht, können Seitenzweige schräg nach oben austreiben, weil ihre Flanken jetzt genügend weit von der Basis entfernt sind. So ergeben sich die dendritischen Strukturen gewissermaßen zwangsläufig.

In der Natur sind vielfältige Eiskristallmuster zu beobachten. Das spiegelt die zahlreichen Möglichkeiten wider, die sich durch die Geometrie der Objekte, die jeweils herrschenden Temperaturverhältnisse, den Nachschub an Wasserdampfmolekülen sowie die Entsorgung der Abwärme ergeben.

Die bislang erläuterten Strukturen entsprechen Verhältnissen mit eingeschränkter Versorgung mit Material und begrenztem Abführen der Kristallisationswärme. In Situationen, in denen reichlich Wasserdampf vorhanden ist und die Wärme optimal abtransportiert wird, gibt es eine ganze Klasse weiterer Eisstrukturen. Sie sind großflächig und dicht. Bei ihnen schlägt sich der Einfluss der hexagonalen Symmetrie der mikroskopischen Wassermoleküle auf die makroskopischen Muster besonders deutlich nieder.

In einem Fall (siehe »Hexagonale Blättchen«) war der Ausgangspunkt der Strukturbildung eine Schneedecke, die sich großflächig über niedriges Buschwerk gelegt hatte. Tagsüber heizte die intensiv strahlende Sonne den dunklen Raum darunter auf – eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre entstand. In der anschließenden sternklaren Nacht kühlte sich die obere Schneeschicht stark ab. Von unten stiegen verhältnismäßig warme Luft und Wasserdampf auf. Letzterer schlug sich im Bereich des Schnees nieder und erstarrte. Bei so einer Konstellation wird die Kristallisationswärme leicht in den kalten Nachthimmel abgestrahlt. So füllen sich beim Emporwachsen selbst die Zwischenräume problemlos. In nur einer Nacht können auf diese Weise lamellenartige Strukturen entstehen, die teilweise wie nach oben offene Gefäße aussehen und an manchen Stellen wie Kühlrippen gestaffelt sind. Letztere Ähnlichkeit ist mehr als rein äußerlich, schließlich kommt es gerade bei üppiger und effektiver Produktion von Kristallstrukturen weiterhin darauf an, die Wärme optimal abzugeben. So sind auch die typischen weihnachtsbaumartigen Muster (siehe »Baumartig gestaffelt«) weniger eine ästhetisch ansprechende Laune der Natur, als vielmehr eine physikalische Notwendigkeit.

Der Winter kann auch Botanik

Diese schöne an botanische Strukturen erinnernde Ansicht ist entstanden, als das Wasser einer Pfütze fast schon versickert war. Der nasse, schlickartige Rest wurde vom Frost der Nacht erfasst und in einen Garten von Eiskristallen verwandelt. Die Freiheit der Kristallbildung ist durch die starke „Verunreinigung“ des Wassers durch Erde weitgehend eingeschränkt. Das Ergebnis ist meines Erachtens aber dennoch naturschön. Die Struktur war so fest, dass man darüber gehen konnte, ohne Spuren zu hinterlassen.

Abschied von der Stechpalme

Wie bereits früher erwähnt ist die Stechpalme der Baum des nunmehr ausklingenden Jahres 2021. Hier noch einmal zum Abschied der Jahreszeit entsprechend eine Stechpalme von üppigen Eiskristallen eingerahmt.
Eine gewisse Symbolik kann man der schönen, immergrünen aber auch giftigen Pflanze nicht absprechen und daher freue ich mich, dass im nächsten Jahr die vertraute, alteingesessene Rotbuche den Stab der Jahresbäume übernimmt. Möge mit ihr ein Teil der in der letzten Zeit verloren gegangenen Vertrautheit und des Vertrauens wieder zurückkommen!

Wünschen ist doch wohl noch erlaubt.

Grazile aber stabile Eisskulpturen

Diese Eisstruktur beobachtete ich auf einem Feld mit Wintergetreide. Hier lag ein wenig Schnee, der tagsüber bei Sonnenschein teilweise schmolz. Die Rückstände gefroren während der Nacht, sodass schließlich diese filigrane Eisskulptur entstand. Die gläserne „Ente“ (oder was auch immer) auf der linken Seite ist nur wenige Zentimeter hoch.
Obwohl das figürliche Ensemble sehr zerbrechlich aussieht (z.B. Hals der Ente), ist es relativ stabil. Entscheidend für diese Stabilität ist die sogenannte Flächen-Volumen-Relation, die ich früher bereits ausführlicher beschrieben habe (siehe z.B. hier). Als Beispiel denke man sich ein Insekt. Unter Beibehaltung seiner Proportionen auf die Größe eines Menschen vergrößert, würde es unter dem eigenen Körpergewicht zusammenbrechen.
Auffällig sind weiterhin die (schwachen) Farbeindrücke der an sich transparenten Eisskulpturen. Wie bereits in früheren Beispielen gezeigt (z.B. hier) sind sie auf die Wirkung des polarisierten Lichts des Himmels zurückzuführen. Da die Polarisationswirkung des Himmels im Vergleich zu einer Polaroid-Brille schwach ist, sind die Farben hier nur andeutungsweise zu erkennen. Auch frische Risse in einer Eisschicht können sich farblich bemerkbar machen.

Eine echte Eiskristallgirlande zu Heiligabend

Ich kann mich noch gut erinnern, dass in meiner Kindheit unser Weihnachtsbaum u.A. mit Lamettagirlanden geschmückt wurde, die genauso aussahen wie die Eiskristallbänder, die ich in unserem winterlichen Gewächshaus vorfand (siehe Foto). Es war damals eine Art Alleinstellungsmerkmal, weil derartig geschmückte Weihnachtsbäume in der Nachbarschaft nicht vorkamen. Die Girlanden hatte – wenn ich mich recht erinnere – jemand aus Amerika mitgebracht. Ein Blick ins Internet zeigt, dass sie immer noch oder wieder erhältlich sind.
Obwohl sich die hier gezeigten echten Eiskristallbänder auf einer Glasscheibe befanden, zeigte sich, dass auch in diesem Fall auf den ersten Blick nicht zu sehende Bänder die gefrorenen Kristalle zusammenhalten. Dabei handelt es sich um ausgediente Spinnfäden, die sich noch auf der Scheibe befinden. Diese enthalten offenbar geeignete Keime, an denen die Wasserdampfmoleküle in der kalten Nacht vor der Aufnahme des Fotos angedockt und dann seitliche „Kristalltriebe“ ausgebildet haben. Die Tendenz sich radial vom initialen Spinnfaden zu entfernen ist dadurch bedingt, dass beim Übergang der Wassermoleküle vom dampfförmigen in den festen Zustand sowohl Kondensationswärme als auch Kristallisationswärme abgegeben werden muss. Das gelingt wie man sieht am besten, wenn sich die Kristalle vom Ursprung weg in den kalten Außenbereich orientieren. Schaut man sich das Foto genauer an, so kann man erkennen, dass sich die so entstehenden Seitentriebe einander „ausweichen“, wenn sie sich gegenseitig in die Quere kommen.

Das zweitletzte grüne Blatt des Korkenzieherhasels

Obwohl der Korkenzieherhasel wie es sich gehört seinen Blättern das Chlorophyll entzogen und als braun verschrumpeltes Herbstlaub abgeworfen hat, sind ihm zwei strahlend grüne Blätter geblieben. Warum diese beiden Blätter sich solange gehalten haben, konnte ich nicht in Erfahrung bringen. Vielleicht wollten sie nur die Regel bestätigen, dass es immer auch eine Ausnahme von der Regel gibt. Wie dem auch sei, nach der letzten sehr frostigen Nacht bieten sie nunmehr ein sehr trauriges Bild, jedenfalls gemessen am „Überlebenswillen“ den sie bislang bewiesen haben.
Die leuchtenden Eiskristalle und das vom durchscheinenden Licht der frühen Sonne entflammte Grün verleiht ihnen jedoch eine letzte Grazie, bevor auch sie für die nächste Blattgeneration Platz machen..

Gestrickter Schnee?

Vor einigen Jahren begegnete ich beim Wandern immer mal wieder eingekleideten Bäumen und identifizierte diese Aktivitäten als Guerilla-Knitting. Mit den Jahren haben Wind und Wetter den teilweise sehr schönen Kunstwerken den Garaus gemacht. Die Stellen, die ich im Blick hatte, verschwanden mit der Zeit wieder und ich dachte, dass diese Aktivitäten der Vergangenheit angehörten. Weiterlesen →

Zaghafte Annäherungen des Winters

Der Winter unternimmt immer mal wieder einen Versuch, Fuß zu fassen und sei es nur in Form von kleinen Eiskristallstrukturen, die eher an Spuren von Vogelfüßen erinnern als an Eis und Schnee.
Dennoch ist dieses Foto einer Fensterscheibe Zeugnis der fantastischen Metamorphose: Unsichtbarer Wasserdampf, der uns meist unmerklich umgibt, zeigt sich in weißen Kristallstrukturen, die das düstere Grau in Grau des Winters ästhetisch konterkarieren.
Die Verteilung der einzelnen Kristallbüschel richtet sich nach sogenannten Keimen, die auf der Glasfläche in Form von kleinen Staubpartikeln statistisch verteilt vorhanden sind. Denn aller Anfang ist schwer: Um vom dampfförmigen in den festen Zustand überzugehen benötigen die frei umherdriftenden Wassermoleküle einen Ausgangspunkt, an den sie andocken können. Dazu sind auch übrig gebliebene Spinnfäden willkommen. Die Eiskristalle verschaffen ihnen eine Sichtbarkeit in völlig neuem Gewand. Nach gelungenem Anfang docken die nachfolgenden Wassermoleküle bevorzugt an bereits bestehenden Kristallen an, sodass diese nach dem Prinzip: „Wer da hat dem wird gegeben“ ein zügiges Wachstum an den Tag legen.

Rätselfoto des Monats Februar 2020

Warum ist einer der Kondensstreifen rot? Weiterlesen →

Kristallin überzuckertes Eisfachwerk

Nachdem ich nach der „Regenzeit“ und zu Beginn der ersten frostigen Nächte die Bildung von Eisstrukturen (hier und hier und hier und hier) beobachten konnte, muss ich nunmehr nach anhaltend kaltem Wetter mit den Eisstrukturen vorlieb nehmen, die die Pfützen zurückgelassen haben, nachdem das restliche Wasser versickert ist und das Eis auch den Pfützenboden erreicht hat. Auch da gibt es noch viel zu sehen. Weiterlesen →

Froststrukturierte Pfützensedimente

Eine Pfütze, die kurz davor ist auszutrocknen, wird in der Nacht vom Frost überrascht. Das feuchte bräunliche Sediment spendet immerhin so viel Wasser, dass es zu diesen kunstvollen Eiskristallmustern kommt.
Merkwürdigerweise bleibt das Muster fast so wie es ist erhalten, obwohl die reinen Eiskristalle dabei sind, sich in der Sonne zu verflüchtigen (sublimieren) und zum Zeitpunkt der Aufnahme schon gar nicht mehr zu sehen sind.
Die ziemlich homogene Beigefärbung kommt dadurch zustande, dass sich während der wässrigen Phase der Pfütze zuerst die groben und dann die ganz feinen Teilchen der lehmhaltigen Erde auf den Boden abgesetzt und diesen lückenlos belegt und gleichsam lackiert haben.

Pfützen und Teiche sind auch an anderen Stellen in der einen oder anderen Hinsicht Gegenstand dieses Blogs (siehe z.B. hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier) und ideale „Spielwiesen“ für künstlerisch und physikalisch Interessierte – und für Kinder.

Lichtgestalten: die Untersonne

Wenn die Sonne auf einer glatten Wasseroberfläche gespiegelt wird, sieht es so aus, als würde eine Spiegelsonne aus den Tiefen des Sees heraus leuchten. Dabei ist sie im virtuellen Raum unter der Wasseroberfläche genauso weit unter wie die reale Sonne über der Wasseroberfläche. Dass man das meist nicht so zu sehen vermeint, liegt daran, dass unser Verstand scheinbar korrigierend eingreift.
Eine ähnliche Situation liegt vor, wenn wir aus großer Höhe, zum Beispiel von einem Berg oder einem Flugzeug aus die Sonne auf flachen, in der Luft driftenden Eisplättchen gespiegelt sehen, die wir selbst gar nicht wahrnehmen. Nimmt man den Horizont als Orientierungslinie hinzu, so kann man feststellen, dass diese sogenannte Untersonne, genauso weit darunter wie die reale Sonne darüber liegt (siehe unteres Foto). Dabei sind natürlich keine absoluten Entfernungen gemeint, sondern die Winkelhöhe.
Diese Untersonne zählt zu den Haloerscheinungen, die durch Brechung und Spiegelung an  Eisplättchen hervorgerufen werden. Die Lichtsäule über einer Laterne gehört ebenso dazu wie die Nebensonne. Während bei der Lichtsäule die Sonnenstrahlen an der Unterseite reflektiert werden, erfolgt die Reflexion bei der Untersonne an der Oberseite der sinkenden Eisplättchen (siehe Skizze). Und weil die Eisplättchen während ihres lansamen Sinkens leicht um die Gleichgewichtslage schwanken, variiert der Reflexionswinkel ein wenig. Das macht sich visuell in einer in die Länge gezogenen Form bemerkbar.
Die Schwankungen der Plättchen haben einen ganz ähnlichen Effekt wie die statistisch verteilten Wellen auf dem Meer beim Zustandekommen des Schwerts der Sonne: Das reflektierte Sonnenlicht erreicht die Augen des Beobachters aus einem gewissen Winkelbereich.

Kalte Kunst auf der Regentonne

Das Wasser in dem Fasse hier
Hat etwa Null Grad Reaumur*.
Es bilden sich in diesem Falle
Die sogenannten Eiskristalle.

Wilhelm Busch (1832 – 1908)

* Reaumur ist eine veraltete Einheit für die Temperatur. Sie galt etwa bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Westeuropa. Ich erinnere mich, dass bei meinen Großeltern noch ein Thermometer mit der Aufschrift Reaumur hing. Keinem fiel auf, dass die Einheit nicht mit der seit langem ausschließlich geltenden Einheit Celsius übereinstimmte. Dazu mag beigetragen haben, dass in beiden Skalen der Gefrierpunkt von Wasser als Nullpunkt gilt. Auch wenn der Siedepunkt von Wasser in der Reaumurskala auf 80° statt wie in der Celsiusskala auf 100° festgesetzt ist, spielte das im häuslichen Alltag kaum eine Rolle: Wenn das Thermometer 20° R anzeigte, waren es in „Wirklichkeit“, will sagen: in der inzwischen geltenden Celsiusskala, 25° C. Ich vermute, dass der Unterschied damals deshalb kaum auffiel, weil man insbesondere im Winter mit niedrigeren Zimmertemperaturen auskam als heute. Es ist durchaus denkbar, dass in zahlreichen Haushalten eine Zimmertemperatur von 20° C damals so empfunden wurde wie heute 25° C.

Geometrie, Ästhetik und Poesie

… es waren Myriaden im Erstarren zu ebenmäßiger Vielfalt kristallisch zusammengeschossener Wasserteilchen (. . . ) und unter den Myriaden von Zaubersternchen war nicht eines dem anderen gleich; eine endlose Erfindungslust in der Abwandlung und allerfeinsten Ausgestaltung eines und immer desselben Grundschemas, des gleichseitig-gleichwinkligen Sechsecks herrschte da, aber in sich selbst war jedes der kalten Erzeugnisse von unbedingtem Ebenmaß und eisiger Regelmäßigkeit.

Thomas Mann (1875 – 1955), aus: Der Zauberberg

Rätselfoto des Monats September 2016

Frage: Woher kommt der senkrechte Lichtstrahl?

Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2016

Stimmt da was nicht?
Frage: Wie lässt sich diese Situation physikalisch erklären?
Antwort: Da betrachtet jemand erstaunt das optische Rätsel, das sich vor ihm auftut. Es ist so, als ob zwei ganz unterschiedliche Gebäude miteinander verschmelzen würden. In gewisser Weise tun sie es auch, jedenfalls optisch. Und das aus folgendem Grund. Vor dem Betrachter steht ein rundum verglastes Gebäude, die Fahrradstation vor dem Münsteraner Hauptbahnhof. Teilweise blickt man durch sie hindurch, teilweise blickt man von unten gegen die Decke des Gebäudes. Die Decke ist links oben deutlich zu erkennen, wo sie von einem Pfeiler unterstützt wird.
Glasscheiben haben die Eigenschaft, das Licht gleichzeitig durchzulassen und zu einem geringen Teil zu reflektieren. Daher kommt das Licht von dem hinter der Fahrradstation gelegenen Gebäude nahezu unvermindert hindurch: Man sieht dieses Gebäude in großer Deutlichkeit. Das von dem (nicht zu sehenden) Bahnhofsgebäude ausgehende und an den Scheiben reflektierte Licht, fällt dagegen kaum ins Gewicht. Anders ist es dort, wo man schräg von unten auf die im Dunkeln liegende Decke der Fahrradstation blickt. Von dort kommt nur sehr wenig Licht, sodass an diesen Stellen, das reflektierte Licht des Bahnhofs ausreicht, deutlich zu sehen ist. Denn es wird kaum durch Gegenlicht überlagert. An den Stellen, an denen der Bahnhof auch noch von der tiefstehenden Sonne beleuchtet wird, ist die Intensität des reflektierten Lichts fast so groß wie das direkte Licht vom gegenüberliegenden Gebäude. Hier kommt es zu einer Überlagerung beider Lichteffekte und zu einer Störung der optischen Information.
Das scheinbar in der Radstation stehende Auto ist ebenfalls eine Reflexion, nämlich eines Autos, das in etwa auf der Höhe des Beobachters parkt und in der Scheibe der Radstation gespiegelt wird.
Das komplexe optische Szenario zeigt, wie stark spiegelnde Reflexionen des Lichts an Glasscheiben in Erscheinung treten und die Transparenz des Glases beeinträchtigen können, wenn entsprechende Lichtverhältnisse herrschen.

Frühlingsanfang mit winterlichen Relikten

Offiziell ist heute der astronomische Frühlingsanfang. Was sich genau berechnen und messen lässt, ist auf den Tag genau jedoch nicht ohne Weiteres festzustellen geschweige denn zu spüren. Die Weidenkätzchen nehmen es auch nicht so genau. Mal sind sie ein paar Tage früher, mal etwas später dran. Vor zwei Jahren waren zu dieser Zeit bereits die gelben Pollen zu sehen. Vor ein paar Tagen noch haben sie einen eisigen Hut aufgesetzt bekommen. Ein letztes Rückzugsgefecht des Winters. Auch einige Schneeflocken waren gefallen, denen die Sonne aber schnell den Garaus bereitete.

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Paradiesgarten fraktaler Kristallmalerei

Nachdem der Winter nun doch noch Einzug gehalten hat, zeigt er sich auch gleich von seiner schönen Seite. Die einfach verglasten Fenster nichtgeheizter Räume borden nur so über von Eisblumen, die insbesondere in den Farben des Sonnenaufgangs von besonderem Reiz sind. Mit ihren organischen Formen stehen sie den entlaubten Bäumen, die ebenfalls auf dem Foto zu sehen sind in nichts nach. Vielmehr passen sie gut zusammen. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats April 2015

Welche physikalisch interessanten Phänomene sind zu sehen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Stall-in-Flammen

Der gestirnte Baum

Es ist die Zeit, in der Bäume, Sträucher und andere Gegenstände mit feinen Eisnadeln verziert werden. Raureif entsteht vor allem in kalten, feuchten Sommernächten und überzieht die entblätterten Pflanzen mit einer kristallinen Pracht. Der Anblick hat schon den Barockdichter Barthold, Hinrich Brockes fasziniert und zu einem längeren Gedicht angeregt, in dem der ästhetische Eindruck in Poesie umgesetzt wird. Dabei beeindruckt, wie auch in seinen zahlreichen Naturgedichten, die akribisch genaue Beobachtung: Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Dezember 2013

Wie kommt es zu diesen weihnachtsbaumartigen Strukturen?

Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2013

Frage: Dunkelblaues und türkisblaues Wasser zwischen und auf dem Packeis sind charakteristisch für das arktische Eismeer. Wie kommt es zu diesen Farbunterschieden?
Antwort: Blickt man aus dem Flugzeugfenster aus großer Höhe auf das Packeis des Nordpolarmeeres, so entdeckt man ein selbstähnliches Muster von Eisschollen verschiedener Größenordnungen. Jedenfalls sieht ein Ausschnitt aus dem Foto ganz ähnlich aus wie das Foto selbst und auch ein Ausschnitt des Ausschnitts aus dem Ursprungsbild ist auf den ersten Blick von letzteren nicht zu unterscheiden. Es ist zu vermuten, dass das Eisschollenmuster skaleninvariant ist und einem Potenzgesetz genügt.
Die weißen Flächen auf den Schollen rühren vom Schnee her, der sie weitgehend bedeckt. Die fein ziselierten Muster auf den Schollen sind hauptsächlich das Werk von Winden, die den Schnee ihren wechselnden Richtungen entsprechend verwehen. Zwischen den Eisschollen ist das Meer zu erkennen, auf dem sie schwimmen. Die Farbe des Meeres ist dunkelblau, fast schwarz, weil fast alles Licht, das in das tiefe Wasser eindringt, absorbiert wird.
Was jedoch besonders ins Auge fällt, sind die hellblauen Flecken auf den Eisschollen, die das Schwarz-Weiß-Szenario mit intensiven Farbtupfern zu einem künstlerisch wirkenden Tableau gestalten. Dabei handelt es sich um mehr oder weniger große Wassertümpel, die durch die Sonne in den Sommermonaten in die Eisschollen eingeschmolzen werden. Da die Eisschollen weitgehend aus Süßwasser bestehen enthalten diese Tümpel ebenfalls Süßwasser.
Das erscheint zunächst erstaunlich, denn das Meerwasser enthält einen Salzgehalt von 3,5 %. Doch da das Salz beim Gefrieren nicht in die Kristallgitter des Eises eingebaut werden kann, entstehen reine Süßwasserkristalle, während das Salz außen vor bleibt und sich in einer flüssigen Salzsole anreichert. Die so entstehenden Eisschollen bestehen daher zunächst aus Süßwasserkristallen, die von einem Netzwerk von Kanälen durchzogen sind, in das die Sole abgegeben wird. Weil die Salzsole jedoch eine größere Dichte als das Eis hat, sickert sie allmählich aus den Eisschollen heraus, so dass diese im Laufe der Zeit immer weniger salzhaltig werden. Hinzu kommt, dass der Schnee auf den Schollen aus Süßwasser besteht, der während der Schmelze in den Sommermonaten in die Solekanäle eindringt und die Verdrängung des Salzwassers noch beschleunigt. Das Eis ist schließlich so salzarm, dass man es als Trinkwasser benutzen kann. Das wussten schon die Seefahren des 16. und 17. Jahrhunderts, die in den Süßwassertümpeln ihre Trinkwasservorräte nachfüllten.
Aber der unterschiedliche Salzgehalt zwischen dem Meerwasser und Schmelzwasser der Tümpel kann nicht der Grund für den deutlichen Farbunterschied sein. Reflektiertes Himmelslicht kommt als Ursache auch nicht Frage, weil aufgrund des fast senkrechten Blicks aus dem Flugzeug den Fresnelschen Gleichungen entsprechend die Reflexivität nur sehr gering ist. Außerdem wäre damit der Unterschied zur Farbe des Meerwassers nicht zu erklären.
Farbgebend ist vielmehr die Eigenfarbe der Eisschollen, die man auch von Eisbergen und Gletschern kennt. Das Licht dringt durch das Wasser der Schmelzwassertümpel in die Eisschicht ein. Lediglich das typische Blau des Eises wird reflektiert und führt zu der typischen Kolorierung der Tümpel.
Es sollte nicht unerwähnt bleiben, dass diese schönen Tümpel eine hässliche Kehrseite haben. Ihr massenhaftes Auftreten in jüngster Zeit trägt in nicht unerheblichem Maße zur Erwärmung des Nordpolarmeeres bei. Denn an diesen schneefreien Stellen wird verhältnismäßig viel Sonnenenergie absorbiert, während sie an den schneebedeckten Teilen weitgehend reflektiert wird.

Hilfe, mein Auto scheidet Schnee aus!

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 44/6 (2013), S. 272-273

An kalten Wintertagen kann der Wasserdampf in den Abgasen eines Autos schneeweiße Raureifbeläge auf dem kalten Pflaster hervorrufen.

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