Flamme

Impression zum 2. Advent

Wenn Licht, Glas und Stimmung zusammenkommen, krümmt sich zuweilen die Wirklichkeit – ich denke mal – vor Lachen.

Physikalische Erklärung.

Licht im Schatten einer Flamme

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 12 (2022)

Oh kleines Licht, oh Quelle,
zarte Dämmerung
Jean Wahl

Die heiße Luft und die chemische Umgebung einer brennenden Kerze lenken Licht ab, das auf die Flamme trifft. Deswegen wirft diese in der Sonne nicht bloß einen Schatten, sondern verstärkt an einigen Stellen im Gegenteil die hindurchlaufende Strahlung.

Wenn eine brennende Kerze vom Sonnenlicht bestrahlt wird, wirft sie einen Schatten auf die Fensterleibung oder auf die Wand, vor der sie steht. Interessanterweise zeichnet sich dort nicht nur der Umriss des Wachskörpers ab, sondern auch die Flamme selbst. Haben wir es hier mit dem Schatten von Licht zu tun? Man kann den Vorgang genauer untersuchen, indem man durch die Flamme hindurch auf einen kleinen Gegenstand blickt. Dann zeigt sich: Die Flamme ist an verschiedenen Stellen unterschiedlich durchsichtig.

Im Bereich der Leuchtzone in der Mitte ist ein dahinterliegendes Objekt kaum zu erkennen. Diese Region ist am wenigsten durchlässig und maßgeblich für den Halbschatten auf der Wand verantwortlich. Der äußere Saum und der den Docht umgebende Kern der Flamme sind hingegen nahezu transparent und hinterlassen auf der Wand so gut wie keine Verdunklung.

Erstaunlicherweise gibt es in der Projektion aber nicht nur dunklere Zonen, sondern auch Aufhellungen, die sogar noch intensiver wirken als der direkte Sonnenschein. So leuchten symmetrisch zu beiden Seiten der Flamme zwei senkrechte Streifen, und im Bereich des Dochtschattens fällt ein vergleichbar heller Fleck auf. Insbesondere diese Verstärkungen deuten darauf hin, dass wir es nicht nur mit einer bloßen Schattenabbildung der Kerzenflamme zu tun haben, sondern mit einer komplexen Wechselwirkung des eingestrahlten Lichts mit der heißen Umgebung.

Dem komplexen physikalischen und chemischen Geschehen einer brennenden Kerze liegen mehrere Teilprozesse zu Grunde. Im Docht steigt flüssiges Wachs auf und verdampft zu langkettigen Kohlenwasserstoffmolekülen. Diese heizen sich beim Durchwandern des dunklen Flammenkerns auf und zerbrechen in kleinere Fragmente. Erst in der äußeren Schicht der Flamme im unmittelbaren Kontakt mit dem Luftsauerstoff verbrennen sie schließlich. Hier sind die Temperaturen am höchsten. Die starke Auftriebskraft entsorgt die Verbrennungsprodukte in einer nach oben strebenden Abgasfahne.

Der Übergang von der kühlen Luft zum Abgasschlauch ist mit einem großen Temperatursprung verbunden. Daher liegt es nahe, die hellen Linien als Folge davon anzusehen, dass Licht durch diese Grenzschicht geht. In Gasen kommt es nämlich zur Brechung, wenn sich die Temperatur und damit die Dichte ändern. Das kennt man beispielsweise von Luftspiegelungen über heißen Asphaltstraßen oder von dem Flimmern über einem Feuer.

Wie stark das Licht beim Durchgang durch die Kerzenflamme und die Abgasfahne abgelenkt wird, hängt von der jeweiligen Größe des Brechungsindex in diesen Bereichen ab. Dessen Verlauf quer durch die Abgasfahne und die Flamme haben wir experimentell ermittelt, und zwar einmal exemplarisch in einer Ebene im mittleren Bereich der Leuchtzone sowie unmittelbar über dem Docht [1].

Für beide Ebenen gilt: Nähert man sich der Flamme von außerhalb der Abgasfahne, so sinkt der Brechungsindex innerhalb eines Abstands von etwa zehn bis vier Millimetern von der Symmetrieachse zunächst sehr stark. Dann wird die Abnahme schwächer bis zu einem Minimum. Von hier an unterscheiden sich die Ebenen. Bei der Leuchtzone nimmt der Brechungsindex wieder leicht zu und bleibt schließlich bis zum Zentrum konstant. Ganz anders sieht es in der Dochtebene aus. Hier steigt der Brechungsindex nach Durchlaufen des Minimums enorm und übertrifft sogar den Wert für die Umgebungsluft.

Das beobachtete Verhalten in der weiter oben gelegenen Zone war zu erwarten, weil hier die Temperatur drastisch steigt und zur Symmetrieachse hin wieder etwas sinkt. Die Erhöhung des Brechungsindex im Bereich des Flammenkerns beim Docht lässt sich allerdings nicht allein mit dem Temperaturverlauf erklären. Vielmehr macht sich hier die Abhängigkeit von der stofflichen Zusammensetzung des Gases bemerkbar. Der dort vorhandene reine Wachsdampf bricht das Licht wesentlich stärker als die Luft oder die in der Abgasfahne befindlichen Verbrennungsgase.

Unsichtbare Gase mit sichtbarer Auswirkung

Die Variationen des Brechungsindex lenken das Licht in unterschiedlicher Weise aus seiner ursprünglichen Richtung ab. Das betrifft einerseits die Strahlen im schmalen Übergangsbereich zwischen der äußeren Luft und der nach oben strebenden Abgasfahne. Die abgelenkten Strahlen laufen anschließend auf solche zu, die unbeeinflusst geradlinig weiter vom Rand kommen. Das erhöht die Lichtintensität und erzeugt die hellen Lichtbänder auf der Projektionsfläche.

Außerdem wird das Licht im Flammenkern wegen des rapide zunehmenden Brechungsindex verhältnismäßig stark nach innen abgelenkt. Aus Symmetriegründen überlagert es sich rechts und links des Zentrums. Dadurch nimmt auch hier in einem gewissen Bereich hinter der Kerze die Lichtintensität mit wachsendem Abstand zu. Das führt zu dem beobachteten Fleck beim Schatten des Dochts.

Das heißt, das helle Muster hinter einer durchstrahlten Kerzenflamme mit seinen zwei Streifen und einem zentralen Fleck lässt sich insgesamt auf das Profil des Brechungsindex zurückführen. Dieses wiederum wird durch zwei Dinge bestimmt: die charakteristische Variation der Temperatur und den hohen Brechungsindex des Wachsdampfs in der Nähe des Dochts.

Vor allem in der von Rußpartikeln dominierten Leuchtzone ist die Flamme weniger transparent. In der Projektion lässt sich deshalb ein Schatten beobachten, der aber viel heller ist als der Kernschatten des festen Kerzenkörpers. Interessanterweise ist er nicht ganz grau, sondern eher leicht braun getönt. Für die Färbung sind ebenfalls die Rußpartikel verantwortlich. Mit ihrer Größe von zirka 20 Nanometern sind sie mindestens zehnmal kleiner als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Sie streuen daher vor allem kurzwellige, überwiegend blaue Anteile der Strahlung, ein als Rayleigh-Streuung bezeichnetes Phänomen. Hierbei werden vorwiegend die langwelligen Rottöne durchgelassen, die in der Projektion dominieren. Wir haben es also mit einer ähnlichen Situation zu tun wie bei der Morgen- oder Abenddämmerung.

Quelle: [1] W. Suhr, H. J. Schlichting. Eine Kerzenflamme im Sonnenlicht. Physik in unserer Zeit 52/6 (2021)

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 Herrschaft des Lichts zum 4. Advent

Die Flamme einer Kerze hat trotz ihrer weitgehenden Erklärung durch die Naturwissenschaften nichts an ihrer Faszination verloren. Das zeigt die vorweihnachtliche Zeit auf eindrucksvolle Weise. Ein akustischer Aspekt, der wohl eher die Stimmung der brennenden Kerze betrifft und einen Flammenträumer zum Flammendenker werden lässt, führt zu der Frage, warum das schweigsame Wesen seiner Kerze plötzlich zu ächsen beginnt. Für Franz von Baader (1765 – 1841) geht dieses Knarren, dieser Schreck, „einem jeden stillen oder geräuschvollen Anzünden voraus“. Dieser Laut wird erzeugt „durch den Kontakt zweier gegensätzlich wirkender Prinzipien, von denen das eine das andere behindert oder es sich untertan macht.“ Die Flamme muß sich beim Brennen stets neu entzünden und gegenüber einer rohen Materie die Herrschaft des Lichts bewahren. Hätten wir ein feineres Ohr, so würden wir die Echos dieser inneren Bewegung vernehmen. Der Anblick läßt zu leicht den Gedanken zu, es gäbe hier Vereinigungen. Doch ganz im Gegenteil verbinden sich die knisternden Geräusche nicht. Die Flamme spricht alle Kämpfe die es bestehen muß, um eine Einheit zu bewahren.*

In der Abbildung sehen wir eine Kerzenflamme, die auf irgendeine Weise verdoppelt (oder sogar verdreifacht?) erscheint. Ist dieser Effekt einzig dem 4. Advent zu verdanken?
(Hilfe für eine Antwort findet man hier.)

* Gaston Bachelard. Die Flamme einer Kerze. München 1988, S. 45f

Tiefenstruktur einer brennenden Kerze

Vielleicht ist es der einen oder dem anderen schon aufgefallen, dass zu einer brennenden Kerze außer dem Wachskörper plus Docht mehr gehört, als die leuchtende Flamme, der wir das in dieser Zeit so geschätzte sanfte Licht verdanken. Man muss nur die Hand über die Flamme halten, um alsbald festzustellen, dass dies nur in einer beträchtlichen Höhe auszuhalten ist. Demgegenüber sind seitliche Annäherungsversuche weniger problematisch, man gelangt schmerzlos bis dicht an die Flamme heran. Dadurch wird der Eindruck vermittelt, dass sich oberhalb der Flamme so etwas wie ein Hitzeschlauch befindet. Weiterlesen →

Ich bin Feuer und Flamme für die Kerze – 2. Advent

„Zündet man eine Kerze an,
erhält man Licht.
Vertieft man sich in Bücher,
wird einem Weisheit zuteil.
Die Kerze erhellt die Stube,
das Buch erleuchtet das Herz.“

Aus China

Lichttechnisch gesehen ist die Kerze ein Fossil, aber ein liebenswertes, das nicht mehr notwendigerweise der Beleuchtung, sondern eher der Erleuchtung und der Schaffung einer stimmungsvollen Atmosphäre dient. Die Menschen, die seinerzeit auf die Kerze als Beleuchtungsmittel angewiesen waren, sahen die Situation daher weitaus nüchterner. Selbst der Dichterfürst Goethe, sonst um keine poetische Wendung verlegen, stellt schlicht fest:

Wo Lampen brennen, gibts Ölflecken,
wo Kerzen brennen, gibts Schnuppen,
die Himmelslichter allein
erleuchten rein und ohne Makel.

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Die magnetische Kerzenflamme

Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 48/6 (2017), S.305 – 306.

Die seit einigen Jahren auf dem Markt befindlichen Supermagnete sind so stark, dass Experimente am Schreibtisch möglich werden, für die früher in Laboren einiger Aufwand getrieben werden musste. Unter ihrem Einfluss werden sogar Flammen magnetisch. Weiterlesen →

Zum 1. Advent – Die Flamme als Prozess

„Alles Anschauen geht aus von einem Einfluß des Angeschauten auf den Anschauenden…Wenn die Ausflüsse des Lichtes nicht – was ganz ohne eine Veranstaltung geschieht – euer Organ berührten, wenn die kleinsten Teile der Körper die Spitzen eurer Finger nicht mechanisch oder chemisch affizierten, wenn der Druck der Schwere euch nicht einen Widerstand und eine Grenze eurer Kraft offenbarte, so würdet ihr nichts anschauen und nicht wahrnehmen, und was ihr also anschaut und wahrnehmt, ist nicht die Natur der Dinge, sondern ihr Handeln auf euch.

1. Die Faszination muß von der Naturerscheinung selbst ausgehen. Zumindest muß sie so vorgestellt werden, daß sie die Aufmerksamkeit auf sich zieht.

2. Die Naturerscheinung muß die Organe möglichst vielseitig berühren und die Sinne affizieren. Die Hand über dem Vacuum spürt unmittelbar den Druck der Luft.

Allerdings sind die Sinne nur bedingt tauglich, das größere Feld der Naturerscheinungen auszumachen. Ein wichtiger Teil naturwissenschaftlicher Untersuchung und Lehrkunst besteht darin, immer neue Manipulationen zu erfinden, die die sinnliche Wahrnehmung erweitern und das von ihr Nicht- Erfaßte in Erscheinung treten zu lassen.

3. Die Naturerscheinung muß nicht als ein einfach Gegebenes hingenommen, sondern als Handlung vorgestellt werden. So die Flamme der Kerze als ein Prozeß„.

Aus: Friedrich Schleiermacher: Sämmtliche Werke, Berlin 1834–64

Im Jahr des Lichts (28) – Die Kerzenflamme und ihre Spiegelbilder

Auch am 3. Advent widmen wir uns einer Kerzenflamme. Eine Kerze brennt in einem rotgetönten Glas. Mehrere „Flammen“ zeugen davon auf mehr oder weniger direkte Weise. Obwohl man die weiße Kerze und die Originalflamme durch das Glas hindurch sehen kann, schauen sie durch das getönte Glas betrachtet unterschiedlich verändert aus. Die Kerze hat einen rötlichen Teint angenommen, die Flamme ist nach wie vor weiß. Ist sie dann noch original oder nur noch originell? Ich würde sagen, originell, denn auch das Licht der Flamme wurde durch das Glas gefiltert. Grund für die scheinbare Wirkungslosigkeit des Rotfilters ist ein Wahrnehmungseffekt, der mutatis mutandis auch für die Kamera gilt. Die Originalflamme ist vergleichsweise intensiv. Da sich die Pupillen- bzw. die Blendenöffnung der Kamera nicht nur auf die helle Flamme, sondern auch auf die wesentlich dunkleren Gegenstände in der Umgebung einstellt, werden die Rezeptoren so stark angeregt, dass die vergleichsweise schwache Rottönung des Glases im Vergleich zum dominierenden Weiß der brennenden Flamme keinen merklichen Einfluss mehr hat auf die Farbwahrnehmung (Irradiation, Blooming). Man erkennt auch im Vergleich zur gespiegelten weißen Flamme, dass jede Strukturierung in Form von dunkleren Partien überstrahlt wird. Beim wesentlich schwächeren Streulicht der Kerze macht sich hingegen die Rotfilterfunktion des Glases deutlich bemerkbar. Weiterlesen →

Feuerwoge jeder Hügel

Feuerwoge jeder Hügel,
Grünes Feuer jeder Strauch,
Rührt der Wind die Flammenhügel,
Wölkt der Staub wie goldener Rauch.

Wie die Gräser züngelnd brennen!
Schreiend kocht die Weizensaat.
Feuerköpfige Blumen rennen
Knisternd übern Wiesenpfad.

Blüten schwelen an den Zweigen.
Rüttle dran! Die Funken steigen
Wirbelnd in den blauen Raum –
Feuerwerk ein jeder Baum!

Georg Britting (1891 – 1964)

Die auch in diesem ausdruckstarken Gedicht bemühte Analogie zwischen dem Feuer und blühenden Pflanzen findet man sehr häufig in der Poesie. Insbesondere wird die (Kerzen-)flamme immer wieder mit Blumen verglichen, die hier mit einigen Zitaten belegt wird:

„Jede Pflanze ist eine Lampe. Der Duft ist aus Licht“

„Die blauen Lupinen glühten wie liebliche Lampen“ Weiterlesen →

Jede Kerzenflamme mit einer Korona

Zum Heiligen Abend werden tradionsgemäß in den meisten deutschen Familien Weihnachtsbäume mit mehr oder weniger ansprechendem typischen Schmuck aufgestellt. Die Variation in der Beleuchtung stagniert seit vielen Jahren. Zwar sind die Wachskerzen teilweise durch elektrische Kerzen ersetzt worden, aber der Anblick den geschmückten Baumes ist über die Jahrzehnte ziemlich gleich geblieben. Das fordert uns heraus, einen etwas anderen Blick auf den Baum zu werfen, so dass man die Kerzenflammen mit Koronen ausgestattet sieht. Wer die Seite zum 1. Advent noch vor Augen hat, der wird sofort wissen, wie es zu diesen Koronen kommt.

Eine Kerzenflamme und ihr Schatten zum 2. Advent

Hier sieht man eine brennende Kerze vor einer vom Sonnenlicht erhellten Fensterleibung. Nicht nur die Kerze, auch die Flamme ruft einen wenn auch mickrigen Schatten hervor. Aus der Erzählung: Peter Schlemihls wundersame Geschichte von Adelbert Chamisso (1781 – 1831) wissen wir, wie lebenswichtig und bedeutend der Schatten sein kann. Daher werden die Kerzenflamme und ihr Schatten  dem 2. Advent durchaus gerecht.

Bleibt die Frage, wie eine Lichtquelle, die ja selbst in der Lage ist Schatten hervorzurufen, einen eigenen Schatten haben kann. Wie man an der schlanken Form des Flammenschattens sieht, ist er nicht ganz vollständig. Der äußere fast farblose Saum der Flamme ist nämlich lichtdurchlässig und wirft daher keinen Schatten. Der innere Kern der Flamme, dem wir die Leuchtkraft der Kerze verdanken, ist paradoxerweise zumindest teilweise lichtundurchlässig. Das liegt daran, dass dieser Bereich von Kohlenstoffteilchen (Ruß) erfüllt ist, die kein Licht durchlassen und daher als Schattengeber wirken. Die Kohlenstoffteilchen glühen und strahlen daher das typisch gelbliche Licht der Kerze aus.
Bei genauerem Hinsehen entdeckt man eine Aufhellung des Schattens im Bereich des Dochts. Dies könnte daher rühren, dass das die Flamme durchsetzende Sonnenlicht fokussiert wird. Denn der Brechungsindex hängt von der Temperatur des Gases ab. Zwar wird das Licht beim Übertritt von der kalten Luft in die heißen Gase der Flamme zunächst defokussiert, dann aber zum kühleren Bereich des Dochts hin fokussiert wird.

„Der Baum ist nichts anderes als eine blühende Flamme“

sagt Novalis und verweist damit auf einen Zusammenhang zwischen, der sich rein äußerlich oft geradezu aufdrängt. Die Aussage kann leicht zu Missverständnissen führen, wenn man darin eine Gleichsetzung der Flamme mit dem Blätterkleid des Baumes sieht. Denn die in der Sonne assimilierenden Blätter sind eher das Gegenteil der leuchtenden Flamme. Denn die Flamme – beispielsweise einer Kerze – spendet Licht, während der Baum nur dann wie eine Flamme blühen kann, wenn er im Licht der Sonne steht. Sehr vereinfacht gesprochen wird in den Blättern eines Baumes der Vorgang des Verbrennens, der sich in der Flamme manifestiert, wieder rückgängig gemacht: Weiterlesen →

Physikalische Gedanken beim Osterfeuer

In den Abendstunden des Ostersonnabends oder –sonntags, in seltenen Fällen auch am Ostermontag brennen wieder die Osterfeuer und ziehen viele Menschen an, die sich dieses Schauspiel nicht entgehen lassen wollen. Weiterlesen →

Was das Feuer am Leben hält

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/12 (2011), S. 44 – 45

Damit eine Kerzenflamme ruhig brennen kann, müssen zahlreiche komplexe Vorgänge perfekt aufeinander abgestimmt sein.

In der Flamme sind alle Naturkräfte tätig.
Novalis (1772 – 1801)

Die gute alte Kerze hat alle Neuerungen der Beleuchtungstechnik überstanden. Gerade auch in der Adventsund Weihnachtszeit, wenn die Tage kürzer werden, setzt sie Zeichen der Hoffnung, der Freude und des Lebens. Was aber denkt sich der Physiker bei ihrem Anblick? Ihn beeindruckt über all das hinaus der Kontrast zwischen der Einfachheit der ruhig vor sich hin brennenden Flamme und dem, was unsichtbar bleibt: dem komplexen Zusammenspiel physikalischer, chemischer und technologischer Vorgänge, die das Phänomen erst möglich machen.
Die Kerzenflamme, so beständig sie erscheint, ist Ergebnis eines äußerst bewegten Mikrogeschehens: In jedem Moment verlassen Teilchen verglühend den klar umgrenzten Bereich der Flamme und werden durch neu erglühende Teilchen ersetzt. Rein energetisch betrachtet ist die Flamme der sichtbare Teil einer „dissipativen Struktur“ (Ilya Prigogine), eines von Energie und Materie durchströmten Systems fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Aufrechterhalten wird die Flamme durch die Dissipation von Energie: Sie nimmt hochwertige chemische Energie und Materie in Form von Kerzenwachs und Sauerstoff auf und gibt im Gegenzug Wärme und Gase an die Umgebung ab. Energie- und Materieströme bleiben dabei im zeitlichen Mittel konstant. Warum klappt das so gut? Oder etwas technischer gefragt: Wie kommt es zu dieser eindrucksvollen Selbstorganisation gut aufeinander abgestimmter Vorgänge?
In der Regel wird eine Kerze mit Hilfe einer anderen Flamme entzündet. Das im Docht enthaltene erstarrte Wachs beginnt dabei zu schmelzen und zu verdampfen. Schließlich erreicht es eine so hohe Temperatur, dass es mit dem Sauerstoff der Luft reagiert und verbrennt, wobei Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid entstehen. Außerdem wird Energie frei, die als Bewegung, Wärme und Licht der Flamme in Erscheinung tritt. Danach geht alles wie von selbst. Dank der von der Flamme ausgehenden Wärmestrahlung sorgt »das System« eigenständig für Nachschub an Brennstoff. Von der Hitze flüssig gehalten steigt das Wachs durch die Kapillaren des Dochts nach oben. Gleichzeitig schmilzt die Flamme einen schüsselförmigen Brennstofftank in das obere Ende der festen Kerzensubstanz und füllt ihn mit Vorrat. Auch der Tank erneuert sich ständig, wenngleich man ihm das nicht ansieht: Das feste Wachs, aus dem seine Wand besteht, schmilzt in genau dem Maß, in dem der Docht flüssiges Wachs ins Reaktionszentrum der Flamme transportiert. Erst dort, am oberen Ende des Dochts, verdampft und verbrennt das Wachs schließlich. Denn das flüssige Wachs im Docht liefert die zur Verdampfung nötige Wärme, wodurch seine eigene Temperatur unterhalb des Siedepunkts gehalten wird.

Der Docht neigt sich zur größten Hitze
Probleme gäbe es erst, wenn der Docht zu lang würde. Dann wäre das Gleichgewicht zwischen Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr gestört, und die Kerze begänne zu rußen. Doch auch in dieser Hinsicht organisiert sich die Flamme selbst. Weil die brennende Kerze kürzer wird und der heiße Saum der Flamme sich mit ihr nach unten bewegt, schiebt sich der Docht kontinuierlich in die Hitzeregion hinein. Dort verkohlt und verdampft seine Spitze, was seine Länge konstant hält. Zudem kippt der biegsame Docht, je länger er wird, zur Seite weg und damit genau in den bestens mit Sauerstoff versorgten Bereich der Flammenoberfläche. Hier ist die Flamme rund 1400 Grad Celsius heiß, und hier beginnt der Docht auch zu glühen.
Selbst die elegante, stromlinienförmig nach oben gezogene Gestalt der Flamme ist keine bloße Laune der Natur. In ihr wird ein Konvektionsvorgang sichtbar, der für die Funktion des Systems wesentlich ist. Die Temperatur der heißen Flamme sorgt für eine im Vergleich zur Umgebungsluft geringe Dichte der Verbrennungsgase. Der entstehende Auftrieb lässt diese zügig aufsteigen, was Platz schafft für die von unten nachströmende sauerstoffreiche Frischluft. Dieser Vorgang ist für den Fortgang der Verbrennung ebenso wichtig wie der Wachsdampf selbst. Die heißen Gase steigen in einem schmalen Schlauch auf. Das spürt man schon mit bloßen Fingern, es geht aber auch gefahrloser. Stellt man die brennende Kerze ins helle Sonnenlicht, bildet dieses den Schlauch an der dahinterliegenden Wand ab (oben). Denn beim Übergang zwischen kalter Umgebungsluft und heißen Verbrennungsgasen ändert sich schlagartig der Brechungsindex. Ein Teil des Lichts, welches durch das Innere des Schlauchs fällt, wird nach außen abgelenkt und überlagert sich mit dem nicht abgelenkten Licht zu einem schmalen, hellen Band.
Da die Konvektion in der Schwerelosigkeit nicht funktioniert, kämen Raumfahrer nie in den Genuss einer normalen Kerzenflamme. Was aber sähen sie stattdessen? Fixieren Sie einfach eine brennende Kerze in einem durchsichtigen Gefäß und werfen Sie dieses einem (guten) Fänger zu. Während des Flugs sehen Sie, wie die Flamme zu einer winzigen, blau leuchtenden Lichtkugel zusammenschrumpft. Weil unter diesen Bedingungen die Konvektion wegfällt, wird die Flamme nämlich nur über die vergleichsweise langsam ablaufende Diffusion mit Sauerstoff versorgt.
Die Hartnäckigkeit, mit der eine Kerzenflamme allen Störungen zum Trotz stets wieder dieselbe Größe einnimmt, beruht auf nichtlinearen Rückkopplungsvorgängen. Wächst die Flamme, muss ein entsprechend größeres Volumen mit Sauerstoff und Wachs versorgt werden. Da das Volumen mit der dritten Potenz der Flammengröße zunimmt, gilt dies auch für das Volumen der zu- und abgeführten Gase. Der Nachschub an Gasen erfolgt aber zwangsläufig durch die äußere Grenzschicht der Flamme, die ihrerseits nur mit dem Quadrat der Flammengröße variiert. Berücksichtigen wir nun noch, dass die Geschwindigkeit, mit der die Gase nachströmen, nicht beliebig groß werden kann, ist dem Flammenwachstum zwangsläufig eine Grenze gesetzt. Dies gilt auch umgekehrt. Verkleinert eine vorübergehende Störung die Flamme, sind auf einmal mehr Verbrennungsgase vorhanden, als benötigt werden. So kann das Gebilde wieder wachsen, bis erneut ein stationäres Gleichgewicht erreicht ist.
Doch warum leuchtet die Flamme überhaupt? Bei der Reaktion von Wachsdampf und Sauerstoff wird auf kleinstem Raum so viel Energie frei, dass die meisten Gasatome in Elektronen und Atomrümpfe – kurz: in ein Plasma – zerlegt werden. Die Natur strebt aber nach Zuständen minimaler Energie. Die Teilchen versuchen also, wieder Gasatome zu bilden, und entledigen sich ihrer überschüssigen Energie durch Aussenden von Lichtteilchen.
Weit wichtiger für die Kerze als Lichtquelle ist aber ein anderer Effekt. Im Inneren der Flamme klappt es mit dem Sauerstoffnachschub nicht mehr so gut. Wie die Farben zeigen (Foto linke Seite), nimmt die Temperatur darum allmählich ab, bis sie in unmittelbarer Dochtnähe noch lediglich 600 bis 800 Grad Celsius beträgt. Das verdampfende Wachs verbrennt dort nur unvollständig. Der nicht verbrannte Kohlenstoff lagert sich zu Rußteilchen zusammen, die mit den Abgasen nach oben steigen und in dem weiß erscheinenden Bereich der Flamme bei etwa 1200 Grad Celsius zu glühen beginnen. Vor allem diesem Glühen ist es zu verdanken, dass die Kerze so hell leuchtet! Eine chemische Unvollkommenheit – schlechte Verbrennung – trägt also wesentlich zu ihrer technologischen Vollkommenheit bei. Es sind übrigens auch genau diese Rußteilchen, die Licht absorbieren und daher der Flamme selbst zu einem Schatten verhelfen.
Ist Ihnen aufgefallen, dass die Stoffwechselvorgänge der Kerze denen von Pflanzen und Tieren überraschend ähneln? In beiden Fällen sind es die Aufnahme von Sauerstoff und Nährstoffen sowie die Abgabe von Wasser, Kohlenstoffdioxid und anderen Substanzen, welche für den Fortbestand der Systeme sorgen. Das haben schon die Dichter erkannt: »Der Baum ist nichts anderes als eine blühende Flamme«, formulierte etwa Novalis. Manchem diente die Metapher sogar als Bild für das Leben schlechthin: »Das, was sich in der Schöpfung Leben nennt«, schrieb Johann Gottfried Herder, »ist in allen Formen und allen Wesen ein und derselbe Geist, eine einzige Flamme.«

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/was-das-feuer-am-leben-haelt/1124690

Die Flamme als Prozeß und Form

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 35/11, 402 (1997).

Eine brennende Kerze ist mehr als eine Lichtquelle. Das zeigt ihre weite Verbreitung bei festlichen Anlässen. Die über den reinen Beleuchtungszweck hinausgehende, wenn man so will, poetische Wirkung geht vor allem von der Flamme aus. Schon das Zustandekommen der Flamme ist ein faszinierender Vorgang.

PDF: Die Flamme als Prozeß und Form