Die Welt physikalisch gesehen
Gas
Rätselfoto des Monats Dezember 2022
Warum werden die Blasen nach oben hin größer?
Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2022
Frage: Woher kommen die Farben in dem Plastikbehälter?
Antwort: Die Ursache für diese Farbenpracht ist der 1844 von Wilhelm Karl Haidinger entdeckte Effekt, dass das Himmelslicht vor allem aus einer senkrecht zur Sonnenstrahlrichtung orientierten Region teilweise polarisiert ist (Physik in unserer Zeit 2009,40 (4), S. 211). Zum anderen hat der transparente Plastikbehälter die optische Besonderheit doppelbrechend zu sein. Er erlangt diese Eigenschaft allerdings erst durch die Spannung die dem Material bei der Herstellung des Behälters aufgeprägt wurde.
Doppelbrechend heißt, dass das durch ihn hindurchgehende Himmelslicht in zwei leicht unterschiedliche Richtungen gebrochen wird, so dass es in zwei Teilstrahlen zerfällt (Physik in unserer Zeit 2009, 40 (5), S. 262). Diese unterscheiden sich in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit. Infolgedessen entsteht zwischen beiden Teilstrahlen eine unter anderem von der Wellenlänge abhängige Phasendifferenz. Sie macht sich in einer entsprechenden Drehung der Polarisationsebene bemerkbar, wenn sich die Teilstrahlen des Lichts beim Austritt aus der dünnen Plastikschicht überlagern.
Tritt dieses Licht dann durch das Polarisationsfilter der Sonnenbrille oder eines Fotoapparats, so werden den unterschiedlichen Drehungen der Polarisationsebene entsprechend die verschiedenen Wellenlängen nur mehr oder weniger gut durchgelassen. Die auf diese Weise veränderten Intensitäten der einzelnen Wellenlängen des ehemals weißen Lichts erscheinen jetzt farbig.
Hier treten die Farben allerdings auch ohne Polarisationsfilter auf. Das liegt daran, dass das teilweise polarisierte Himmellicht auf der Wasserschicht reflektiert wird. Blickt man unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Brewster-Winkel auf die Wasseroberfläche, so sieht man hauptsächlich die senkrecht zur Einfallsebene reflektierten polarisierten Anteile. Das Licht ist also linear polarisiert wie beim Durchgang durch den Filter.
Schattensäulen im Eis
Was hier wie eine feine Grafik daherkommt, ist in Wirklichkeit ein Naturphänomen. Wir blicken auf eine Eisschicht eines zugefrorenen Teichs. Die Dicke der Eisschicht lässt sich an der Länge der dunklen weitgehend senkrechten Striche abschätzen. Diese perspektivisch auf ein fiktives gemeinsames Zentrum (auch Fluchtpunkt genannt) weisenden Striche sind Schattensäulen. Sie werden hervorgerufen durch Gasblasen, die im Eis des zufrierenden Teiches steckengeblieben sind.
Das Gas entsteht durch biologische Aktivität irgendwelcher Pflanzen auf dem Grund des Teichs. Es sammelt sich zunächst an bestimmten Stellen der Pflanzen, bis die Auftriebskraft die Adhäsionskraft übersteigt und eine Blase aufsteigt. Da der Teich dabei ist zuzufrieren, bleibt sie unterhalb der Eisschicht sitzen und wird durch das tiefer in den Teich hineinwachsende Eis eingeschlossen. Je nach dem Zeitpunkt, in dem die Blasen aufstiegen, befinden sie sich in unterschiedlicher Höhe in der Eisschicht.
Die ältesten Blasen befinden sich unmittelbar unter der Oberfläche, die jüngsten an der unteren Fläche der Eisschicht. Sie sind dadurch zu erkennen, dass sie keinen Schatten haben. Denn das klare Wasser darunter streut das Licht nicht. Die Blasen haben einen Durchmesser von einigen Millimeter, sie sind als weiße Flecken zu erkennen. Das Weiß rührt daher, dass sie auf ihrer Innenseite eine Reifschicht aufweisen, die das Licht streuen.
Während des Fotografierens schien die Sonne. Die weitgehend opaken Blasen werfen Schatten. Die Eisschicht ist nicht völlig transparent, weil an Verunreinigungen (winzige Lufteinschlüsse) das Sonnenlicht diffus reflektiert wird und ihr ein leicht milchiges Aussehen gibt. In den Schattenbereichen findet hingegen keine Lichtstreuung statt, weil dorthin überhaupt kein direktes Sonnenlicht gelangt. Daher erscheinen sie in der aufgehellten Eisschicht wie dunkle Säulen.
Die Schattensäulen scheinen auf einen fiktiven gemeinsamen Punkt in der Tiefe zuzulaufen, den Fluchtpunkt.
Ein Kreis unter dünnem Eis
Wer sich auf dünnem Eis befindet, sollte vorsichtig sein. Allzu leicht kann das Eis einbrechen. Das ist in diesem völlig harmlosen Beispiel geschehen. Der Teich ist nur mit einer dünnen Eisschicht bedeckt, die zudem mit einer Temperatur über dem Gefrierpunkt dabei ist, langsam in die flüssige Phase zu wechseln. Die Eisschicht fällt durch eine fast perfekte kreisförmige Öffnung zum darunter befindlichen Wasser auf, denn alle anderen Strukturen sind eher von floraler Unregelmäßigkeit. Wie kommt zu diesem Kreis?
Nachts waren Gase der biologischen Aktivitäten am Grunde des Teichs aufgestiegen und fanden die Weg in die Atmosphäre versperrt vor. Also sammelte sich eine wachsende Gasblase – genauer: eine Halbblase unter der Eisschicht. Blasen streben die Kugelgestalt an, weil die Kugel ein gegebenes Volumen mit der kleinsten Oberfläche begrenzt. Und da der Aufbau von Oberflächen Energie erfordert, kann Energie eingespart werden, wenn ein Gas sich mit einer kugelförmigen Oberfläche ausstattet. In diesem Fall gibt es eine noch günstigere Möglichkeit, nämlich die Unterseite der Eisschicht in den Bau der Blase mit einzubeziehen und so etwas wie eine Halbblase zu bilden.
Da im Lauf des Tages die Eisschicht begonnen hat zu schmelzen, ist auch die Eisbegrenzung der Blase dünner geworden. Vermutlich hat irgendwann der Auftriebsdruck ausgereicht, die dünne Eisschicht an der schwächsten Stelle zu brechen und das Gas endlich in die Atmosphäre zu entlassen.
Die ehemalige Blase ist übrigens nicht allein. Sie ist von zahlreichen kleineren Blasen umgeben, die wohl noch einige Zeit warten müssen, bis sie ins luftige Element entlassen werden.
Die Blasen steigen übrigens in präziser Vertikalität auf. Das kann man immer dann besonders gut sehen, wenn sich unter der Eisschicht ein Blasenmuster abzeichnet, das die Umrisse des gasausscheidenden Objekts erkennen lässt. Manchmal werden sogar Fahrräder unter die Eisschicht gemalt.
Ein Geysir mitten in Deutschland
H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 6 (2010), S. 82 – 83
Dass nichts von selbst geschieht,
sondern unter dem Druck der Notwendigkeit
Leukipp (5. Jh. v. Chr.)
In tiefem Grundwasser kann sich unter hohem Druck viel Kohlendioxid lösen. Wenn sich die Mischung unter speziellen Bedingungen den Weg zur Oberfläche bahnt, kommt es zu einem spektakulären Ausbruch – und zwar immer wieder. Weiterlesen
Der weltgrößte Kaltwasser-Geysir aus dem Geist des Sprudelwassers
Vor kurzem hatte ich die Gelegenheit, den größten Kaltwasser-Geysir der Welt beim Ausbrechen und anschließenden Zusammenbrechen zu beobachten – und das aus nächster Nähe. In Andernach am Rhein ist dieses mit etwas menschlicher Nachhilfe zustande gekommene Naturschauspiel mehrmals am Tage zu erleben.
Anders als die bekannten Geysire in Island und anderswo, die mit Wasserdampf angetrieben werden, bezieht dieser Kaltwassergeysir seine Energie im Wesentlichen aus der Tendenz von Kohlenstoffdioxidgas, CO2, sich in Wasser aufzulösen. Weiterlesen
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
Rätselfoto des Monats Oktober 2016
Frage eines etwa 9 jährigen Kindes: Warum hebt der nicht ab?
Damit war der Luftballonverkäufer gemeint, der diese große Traube festhielt. Ich gebe die Frage hiermit an alle Interessierten weiter.
Physikalisch-philologische Anmerkungen zu Gas und Chaos
Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 36/7-8, 271-72 (1998).
Das ursprünglich griechische Wort „chaos“ bezeichnet die klaffende, gähnende Leere, den unendlich leeren Raum. Daß die „Leere“ nicht mit Nichts gleichgesetzt werden darf, entnimmt man u. a. den Kosmogonien, wonach die Welt aus dem Chaos geboren wurde, das Chaos also als kreativ, alle Gestaltungsmöglichkeiten in sich bergend angesehen wurde. Dem Vakuum der modernen Physik werden ähnliche Eigenschaften zugeschrieben.
Der mittelalterliche Arzt und Alchemist Theophrast von Hohenheim (1493 – 1541), der unter dem Namen Paracelsus bekannt wurde, bezeichnete ganz im Sinne dieser Bedeutung den „atmosphärischen Raum“ als Chaos, das dann „Luftraum“ und schließlich „Luft“ genannt wurde. Luft und Chaos waren für ihn synonym…
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