Feuer

Zur Physik des Osterfeuers

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 4 (2023), S. 64 – 65

Das Feuer stirbt,
wenn es nicht tötet
Friedrich Hebbel

Feuer setzt in kurzer Zeit die Energie frei, die über Monate und Jahre in der verbrennenden Biomasse gespeichert wurde. Bei dem hitzigen Spektakel laufen einige spannende physikalische Prozesse ab.

Flammen züngeln nach oben, das brennende Holz knistert, Funken sprühen in wilden Wirbeln, die Gesichter glühen im warmen Schein. Menschen erleben bei der Betrachtung eines Osterfeuers eine der elementaren Urgewalten.

Aus naturwissenschaftlicher Sicht ist das Feuer ein Naturphänomen, das eine Vielzahl fundamentaler physikalischer und chemischer Vorgänge verbindet – insbesondere in diesem großen Format. Ein hoher Stapel festen Materials geht in flüchtigen Rauch und Flammen auf und lässt lediglich ein Häufchen staubiger Asche zurück.

Dabei macht das Spektakel rasant die langsamen biologischen Aufbauprozesse von Holz und Laub rückgängig. Deren Biomasse entsteht durch die Photosynthese, bei der sich die anorganischen Bestandteile Kohlenstoffdioxid aus der Luft und Wasser aus dem Boden unter Aufnahme von Energie aus dem Sonnenlicht zu organischen Kohlenhydraten verbinden. Das ist die rein energetische Betrachtung; weitere Stoffe sind ebenfalls am Pflanzenwachstum beteiligt, vor allem Mineralien. Sie finden sich in der deshalb oft silbrig-weiß schimmernden Asche wieder.

Der Prozess des Verbrennens unterhält und verstärkt sich selbst, sobald man das Pflanzenmaterial einmal anzündet. Dann wird in kurzer Zeit die bei dessen Wachstum gebundene Sonnenenergie wieder abgegeben, und zwar in Form von Strahlung, die teils als Flamme sichtbar und teils als Wärme fühlbar ist.

In der Hitze wandeln sich die festen Stoffe hauptsächlich in eindrucksvoll leuchtende Gase um, die in einer Säule über dem Feuer aufsteigen. Dort kühlen sie rasch ab. Dann lassen sich die Strömungen nur noch erahnen oder gelegentlich durch Funken nachverfolgen, die in ihren Wirbeln aufgetrieben werden. Dass wir es mit entzündeten Gasen zu tun haben, kommt auch zum Ausdruck, indem sich manchmal Flammenteile vom Holzstoß abspalten und fernab vom eigentlichen Ort des Geschehens für kurze Zeit eigenständig weiter leuchten. Manchmal geraten sogar bislang noch nicht brennende und daher unsichtbare Dämpfe in sehr heiße Bereiche und werden dadurch entzündet. Ein entsprechender Vorgang lässt sich im Kleinen leicht mit einer Kerze nachstellen. Nach dem Auspusten steigt noch eine Zeit lang Wachsdampf auf. Hält man einige Zentimeter über dem Docht ein brennendes Streichholz in die Gasfahne, entzünden sich die verflüchtigten Kohlenwasserstoffe sofort wieder.

Die großräumig nach oben lodernden Flammen sind der sichtbare Teil eines Konvektionsvorgangs. Hierbei steigen die heißen Gase ihrer geringen Dichte wegen auf und werden unten zwangsläufig durch seitlich zuströmende frische Luft ersetzt. Dieser Teilprozess ist keine bloße Begleiterscheinung, sondern für die Verbrennung gewissermaßen lebenswichtig. Denn die herangeschaffte Luft liefert den Sauerstoff, der für die Umwandlung der kohlenstoffhaltigen Gase in Kohlenstoffdioxid nötig ist.

Darüber hinaus bereitet die freiwerdende Energie im Reaktionsbereich des Feuers den Nachschub an Brennmaterial auf: Es wird getrocknet und bis zur Entzündungstemperatur aufgeheizt. Die großen Moleküle der organischen Verbindungen werden bei Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius ohne zusätzlichen Sauerstoff allein durch die Einwirkung von thermischer Energie in kleinere Bestandteile gespalten und schließlich vergast. Der Prozess nennt sich Pyrolyse. Holz enthält allerdings ebenso wie andere Biobrennstoffe seinerseits bereits Sauerstoffatome. Diese machen immerhin 44 Prozent seiner Masse aus. Deswegen finden bei dem Umwandlungsprozess gleichzeitig zusätzliche Oxidationsreaktionen statt, die den Zersetzungsvorgang unterstützen.

Die kräftigen, zwischen weiß, gelb und rot changierenden Farben der Flamme kommen vor allem durch eine thermische Anregung der Gasbestandteile, Rußteilchen und Aerosole zustande. Anschaulich gesprochen werden Elektronen in den Atomen auf höhere Bahnen angehoben und fallen unmittelbar danach wieder in ihren Grundzustand zurück. Dabei senden sie die Energiedifferenz in Form von sichtbarem Licht aus.

Anhand der Farben kann man sogar die beteiligten Prozesse identifizieren. Glühende Rußteilchen von der Größenordnung einiger zehn Nanometer erzeugen gelbes bis orangefarbenes Licht. Blau kann angeregten CO_2- und CH-Radikalen zugeordnet werden, während Türkis auf zweiatomige Kohlenstoffmoleküle schließen lässt. Die von den Feststoffbestandteilen wie Ruß und Asche ausgehenden Wellenlängen entsprechen dabei weitgehend dem Spektrum eines so genannten schwarzen Körpers. Das ist eine Quelle, deren ausgesandte Strahlung nur von der vorherrschenden Temperatur abhängt.

Ein weiteres optisches Phänomen bemerkt, wer durch die heiße Luft auf weit entfernte Gegenstände blickt. Sie scheinen ihre Festigkeit eingebüßt zu haben – Einzelheiten flirren regellos umher. Der Brechungsindex der Gase zwischen Objekt und Auge hängt von Dichte und Temperatur ab, und die unterscheiden sich bereits auf kleinstem Raum dramatisch. Deshalb wirkt das von einem bestimmten Punkt stammende Licht, als käme es aus sich ständig ändernden Richtungen. Ein vergleichbares Phänomen ist das Funkeln der Sterne. Deren Strahlung begegnet auf dem langen Weg durch die Atmosphäre lokalen Schwankungen des Brechungsindex. Das verursacht nicht nur Ortsunschärfen, sondern außerdem Farbwechsel.

Beim Gesamtgeschehen des Osterfeuers gewinnt man den Eindruck, alle Prozesse seien aufeinander abgestimmt, ohne dass dazu ein äußerer Mechanismus nötig wäre. Sogar die Einhaltung eines Sicherheitsabstands scheint ein Teil dieser Selbstorganisation zu sein. Mit ihrer Hitze halten die Flammen die Menschen auch ohne Verbote und Absperrungen auf Abstand.

Wärmestrahlung beim Osterfeuer

Flammen lodern züngelnd nach oben, brennendes Holz knistert, Funken sprühen in wilden Wirbeln hoch über dem Feuer, Gesichter glühen im Schein der Flammen und der Wärmestrahlung. Die Menschen erleben in der Betrachtung des Osterfeuers eine der elementaren Urgewalten und lassen sich mehr oder weniger innerlich beteiligt von den dadurch ausgelösten Gedanken und Gefühlen forttragen.

Das Osterfeuer gilt den Christen als ein Symbol für die Auferstehung von Jesus Christus. Aus einigen Quellen geht aber auch hervor, dass mit dem Licht der Winter und die dunkle Jahreszeit verabschiedet oder ausgetrieben werden.

Auf dem Foto fällt auf, dass sich die Flammen in heller Aufruhr befinden. Links oben scheint sich ein Flammenfragment selbständig zu machen und das Weite zu suchen. Daran kann man zweierlei erkennen. Zum einen wird deutlich, dass für die Flamme – zumindest für kurze Zeit – keine direkte Verbindung zum brennenden Holz nötig ist. Denn nicht das Holz an sich brennt, sondern die abgegebenen brennbaren Gase. Zum anderen sieht man nur den Teil der Flamme, der für uns sichtbares Licht abgibt. Das ist erst bei  Temperaturen oberhalb von etwa 700° C der Fall.
Beim Osterfeuer wird außerdem der Einfluss der Wärme durch Strahlung fühlbar. Es ist also weniger die erwärmte Luft, die uns zwangsläufig auf einen Sicherheitsabstand zum Feuer bringt, sondern vor allem die Wärmestrahlung. Die in der ersten Reihe zum Feuer hin stehenden Menschen, spüren dies besonders stark und wechseln bald in eine weiter hinter liegende Reihe. So bringt die Strahlungswärme zumindest die ersten Reihen in eine ständige „Konvektionsbewegung“. Erhitzte Menschen gehen nach hinten, kühle Menschen geraten nach vorn, bis auch sie wieder nach hinten wechseln und so weiter… Menschen sind eben auch nur Moleküle.

Die Sehnsucht nach Licht und Wärme

Die dunkle und kalte Jahreszeit lässt die Menschen seit Urzeiten an die Bedeutung des Lichts und des Feuers denken. Es hat für die Entwicklung zum modernen Menschen eine große Rolle gespielt. Unabhängig davon, wie der Mensch zum Feuer oder das Feuer zum Menschen kam – ob durch den göttlichen Prometheus oder durch einen vom Gewitter entfachten Brand oder… – fortan entwickelte der Mensch ganz unterschiedliche Methoden, diese chemische Reaktion der Verbrennung in Gang zu setzen, aufrecht zu erhalten und für die unterschiedlichsten Verrichtungen zu nutzen.
Obwohl die Verbrennung ein sich selbst aufrecht erhaltender Vorgang ist, solange Brennstoff zur Verfügung steht, bestand für die Urzeitmenschen eine große Herausforderung darin, erst einmal die Entzündungstemperatur zu erreichen, um das Feuer in Gang zu setzen. Zur Aufrechterhaltung musste dann nur noch geeignetes Brennmaterial beschafft werden.

Eine Methode Feuer zu machen bestand darin zwei Steine aufeinanderzuschlagen und den dabei entstehenden  Funken „einzufangen“, indem man mit ihm leicht entzündliches Material, wie etwa den Zunderschwamm, zum Glimmen brachte. Als Steine wurden der Feuerstein (sic!) und Pyrit (Schwefelkies) benutzt. Wenn der Zunder „wie Zunder“ brannte, konnte man das Feuer auf andere für den jeweiligen Zweck (z.B. Licht, Wärme…) spezifische Materialien übergehen. Wer das heute nachmachen will, wird erfahren, welche „technischen“ Schwierigkeiten unsere Altvorderen damit zu bewältigen hatten.
Eine andere, meines Erachtens einfacher zu handhabende Methode bestand darin, Reibungswärme zu nutzen. Dass es beim Reiben glühend heiß werden kann, erfährt man beispieslweise, wenn man mit einem stumpfen Bohrer versucht, ein Loch in ein Stück Hartholz zu bohren. Auf ganz ähnliche Weise wurde früher ein mit beiden Händen gedrillter Holzstab in eine passende Vertiefung eines weiteren Stücks Holz gedrückt wurde, bis es zum Glimmen kam.

Diese Vorgeschichte steckt vermutlich tief verwurzelt im menschlichen Bewusstsein. Ich kenne kaum einen Menschen, der nicht vom Feuer eines Kamins beeindruckt ist oder sich von der Flamme einer Kerze verzaubern lässt. Die heutigen Lichterketten und anderen elektrisch betriebenen Leuchtkörper sind gewissermaßen legitime Abkömmlinge dieser tiefen Sehnsucht des Menschen nach Licht und Wärme in dieser dunklen Jahreszeit, auch wenn vieles inzwischen zum bloßen Ritual erstarrt ist.
Die Begeisterung des modernen Menschen für das Licht drückt sich auch in modernen Lichtinstallationen und anderen Performances aus, oft sogar in eigens dafür eingerichteten Museen und im öffentlichen Raum.

Das kalt gebliebene Osterfeuer

Auch wenn Osterfeuer wie fast jedes Massenereignis der Umwelt schaden, erinnere ich mich gern an die vergangenen Feuer, in denen man Naturgewalt des Feuers unmittelbar zu spüren bekommt. Das Feuer sorgt durch seine intensive Strahlungsenergie, die bei hoher Temperatur abgegeben wird, dafür dass man freiwillig auf Abstand bleibt. (Was in anderen Bereichen kaum zu erreichen ist – das sage ich aus aktuellem Anlass.) Demgegenüber sind poetische, kulturelle, physikalisch u. Ä. Annäherungen gefahrlos möglich. Sie zeigen dass die Komplexität des Phänomens durchaus mit der abgestrahlten Wärme mithalten kann. Selbst die abgegebenen Gase sind so heiß, dass sie auch dann noch durch einen Funken entzündet werden können, wenn sie die Verbindung zum verbrennenden Holz bereits verloren haben.
Die Osterfeuer sind in diesem genau wie im vorigen Jahr abgesagt. Wenn ich an das Osterfeuer unserer Gemeinde denke, das mit dem liegen gebliebenen Brennmaterial des Vorjahres nunmehr die doppelte Größe erreicht hat, so hoffe ich dass es im nächsten Jahr mit dreifacher Größe, dreifacher Wärme und dreifachem Jubel über die dann hoffentlich überstandene Coronazeit ein positives Lichtzeichen in die Welt senden wird.

Das Foto zeigt den übrig gebliebenen Schornstein einer seit Jahrzehnten aufgegebenen Ziegelei. Obwohl er ziemlich zittrig aussieht und durch die Flammen des Osterfeuers hindurch gesehen den Eindruck erweckt, jeden Moment umzukippen, handelt es sich dabei nur um eine optische Täuschung. Da der Brechungsindex der Luft von der Temperatur abhängt, wird das vom Schornstein ausgehende Licht den chaotischen Bewegungen der unterschiedlich heißen Gasfragmente entsprechend mal in die eine, mal in die andere Richtung abgelenkt. Das vermeintliche Zittern von Sternen (Twinkle, twinkle, little star…) hat die gleiche Ursache.

Im Kleide von der Flammen Farbe…

So kam in einer dichten Blumenwolke,
Die aus der Engel Händen dort entströmte
Und niederregnete nach allen Seiten,
Im weißen Schleier mit Olivenzweigen
Dort eine Frau, in einem grünen Mantel
Und einem Kleide von der Flammen Farbe*.

Hat Dante (1265 – 1321) bereits an das Feuerwerk gedacht, mit dem wir in unserer Zeit das Neue Jahr einläuten? Nachdem es erstmalig im 10. bis 11.. Jahrhundert in China auftauchte, wurde es nachweislich erst in der 2. Hälfte des 14. Jahrhunderts zunächst in Italien bekannt.

Wie dem auch sei, zu Coronazeiten wird dieser Brauch wohl erstmalig sehr bescheiden ausfallen.

Ich wünsche allen Besucher*innen dieses Blogs einen guten Rutsch ins Neue Jahr und eine Normalisierung des Lebens in 2021.

*Dante Alighieri. Die Göttliche Komödie (2. Teil, 30. Gesand, V. 28-33)

Nachlese eines herbstlichen Lagerfeuers

Bei einem Lagerfeuer ist durch partiellen Luftabschluss des ansonsten verbrannten Holzes Holzkohle entstanden. Jedenfalls war sie zum Grillen geeignet. Besonders auffällig sind der Glanz und die Erhaltung der ehemaligen Holzstruktur – beides Merkmale für qualitativ hochwertige Holzkohle. Aufmerksam wurde ich allerdings durch die ästhetisch ansprechende und am nächsten Tag in der Sonne glänzende Struktur der Kohle. Wie Holzkohle hergestellt wird und wie sie zusammengesetzt ist, kann man zum Beispiel hier nachlesen. Der Glanz, d.h. die Stellen an denen das Sonnenlicht reflektiert wird, weist auf Bestandteile hin, die ähnlich wie bei glänzendem Metall zahlreich leicht anregbare Elektronen enthalten. Sie sind allerdings nicht wie ein Metall elektrisch leitend.
Das Aussehen erinnert stark an die als Ash bezeichneten Teile, die kürzlich von“Kopf und Gestalt“ präsentiert wurden.

Kalte Flammen im Walde

Wie erstarrte, kalte Flammen leuchten uns im knalligen Gelb klebrige Hörnlinge entgegen. Es handelt sich um einen Pilz von klebriger, gallertartiger Konsistenz, der in der Regel auf vermoderndem Holz im Wald anzutreffen ist. Als Kinder haben wir den Pilz als gelbe Ziegenscheiße bezeichnet. Allein dadurch verging uns die Lust das Gewächs trotz der ansprechenden gelb bis orangene Farbe anzufassen. Weiterlesen →

Osterfeuer – Verheißung von Licht und Wärme

Nicht nur das Osterei, sondern auch das Osterfeuer gilt den Christen als ein Symbol für die Auferstehung von Jesus Christus. Auch in diesem Fall wird auf vorchristliche Traditionen zurückgegriffen, wonach mit Licht und der Wärme des Feuers der Winter und die dunkle Jahreszeit verabschiedet oder ausgetrieben werden. Weiterlesen →

Blumen, die im Feuer gewachsen sind

„Ich brauche Blumen, die im Feuer gewachsen sind. Ich weiß, du hast einen geschickten Gärtner, der sie zu ziehen versteht. –
Zink, rief der König, gib uns Blumen.
Der Blumengärtner trat aus der Reihe, holte einen Topf voll Feuer und säete glänzenden Samenstaub hinein.
Es währte nicht lange, so flogen die Blumen empor…“

Novalis (1772 – 1801)

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Holz – unser inniger Bezug zur Materie

Wenn in diesen Zeiten die Stunden vor dem Kamin uns wieder in die angenehmen Seiten der kalten Jahreszeit einzustimmen beginnen, rückt auch das Holz in seinen zahlreichen Aspekten wieder ins Bewusstsein. Nicht nur dass es unter körperlicher Anstrengung erst einmal kamingerecht zugerichtet werden muss, sondern auch durch die spektakulären Begleiterscheinungen der Rückverwandlung von einer komplexen Biomaterie in seine anorganischen Bestandteile, aus denen es unter Einwirkung der Sonne in den Wäldern entstanden ist. Es ist als würden bei diesem Dekonstruktionsprozess die im Holz aufgehobenen hellen und wärmenden Aspekte der Sonne zugleich lichterloh und stimmungsvoll wieder freigegeben. Dabei fielen mir die folgenden Worte von Phiippe Jaccottet ein: Weiterlesen →

Faszination Osterfeuer

Die goldenen Osterfeuer glühen,
Der Frühling kam in die Welt hinein,
Ich sehe deine Wangen glühen
In unserer Feuer rotem Schein.

Zwei Feuer nebeneinander flammen,
Wir haben lächelnd die Glut entfacht,
Die roten Flammen schlagen zusammen
Und lodern vereinigt in die Nacht.

Es lodern und leuchten und zittern und sprühen
Zwei Flammen heiß in die Nacht hinein,
Und unsere Wangen flammen und glühen
Von unserer Liebe Widerschein.

Hermann Löns (1866 – 1914) Weiterlesen →

Im Jahr des Lichts (25) – Ein Feuer, das nur Wasser war

Ich sitze am späten Abend eines warmen Tages bei offener Tür im Zimmer und lese. Es ist bereits dunkel geworden. Plötzlich höre ich das Prasseln eines heftigen Regens. Als ich mich zur Tür umdrehe, bekomme ich zunächst einen Schrecken, weil ich im ersten Moment glaube, dass das Prasseln nicht auf Regen, sondern auf ein Feuer zurückzuführen ist, das unmittelbar vor der Tür brennt.
Im zweiten Moment wird mir jedoch klar, dass beide Eindrücke eine gewisse Berechtigung haben: Regentropfen fallen auf  eine bereits reichlich benetzte niedrige Mauer und erzeugen durch ihren Aufprall kleine Wasserjets und eine aus winzigen Tropfen bestehende, nach oben spritzende Gischt. Weiterlesen →

Im Jahr des Lichts (5) – lichterlohes Osterfeuer

Flammen lodern züngelnd nach oben, brennendes Holz knistert, Funken sprühen in wilden Wirbeln hoch über dem Feuer, Gesichter glühen im Schein der Flammen und der Wärmestrahlung. Die Menschen erleben in der Betrachtung des Osterfeuers eine der elementaren Urgewalten und lassen sich mehr oder weniger innerlich beteiligt von den dadurch ausgelösten Gedanken und Gefühlen forttragen.

Das Osterfeuer gilt den Christen als ein Symbol für die Auferstehung von Jesus Christus. Aus einigen Quellen geht aber auch hervor, dass mit dem Licht der Winter und die dunkle Jahreszeit verabschiedet oder ausgetrieben werden. Weiterlesen →

Im Jahr des Lichts (1) – der Kienspan

Die UN-Generalversammlung hat das Jahr 2015 zum „Internationalen Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien“ erklärt. Damit “soll an die Bedeutung von Licht als elementare Lebensvoraussetzung für Menschen, Tiere und Pflanzen und daher auch als zentraler Bestandteil von Wissenschaft und Kultur“ erinnert werden. „Wissenschaftliche Erkenntnisse über das Licht erlauben ein besseres Verständnis des Kosmos, führen zu besseren Behandlungsmöglichkeiten in der Medizin und zu neuen Kommunikationsmitteln“ (Jahr des Lichts). Weiterlesen →

Wasserskulpturen im Licht

Vor einem Springbrunnen

Wie doch die Kraft das Wasser hebt!
Es steigt und schwindet, schwillt und schwebt,
es steht im Strahl, es kommt und fällt
in diese nasse Gotteswelt,

die zwecklos wie am ersten Tag
bloß ihrer Lust genügen mag
und von dem holden Überfluß
an keine Pflicht verstatten muß,

nur jener einen Macht sich beugt,
die sie erschuf- zum Himmel steigt
ihr Dank, ein immer, früh und spät,
unendlich rauschendes Gebet.

Das rauscht und raunt, das rinnt und rennt
im daseinsseligen Element;
es fällt empor und steigt herab –
kalt ist die Sonne, heiß das Grab.

Und da es lebt, indem es stirbt,
das Licht noch um das Wasser wirbt:
Der Geist, dem solche Lust gefiel,
dankt ihr ein Regenbogenspiel! Weiterlesen →