Die Welt physikalisch gesehen
Irradiation
Brennspiegel
Hier zischt nichts, auch wenn die Sonne ein Loch durch das kahle Geäst brennt und sich alles im Wasser abspie(ge)lt. Diese Täuschung kommt dadurch zustande, dass durch den großen Intensitätsunterschied zwischen dem von der Sonne und den umgebenden Objekten ausgehenden Licht unser visuelles System physiologisch und die Kamera technisch überfordert sind eine perfekte Abbildung zu realisieren: Bei sehr hellen Objekten werden die Rezeptoren über die Sättigung hinaus angesprochen und dadurch so stark erregt, dass gleich auch noch einige der benachbarten Rezeptoren reagieren (Irradiation). Dadurch entsteht dann der Eindruck, dass es auch an der entsprechenden Stelle des Netzhautbildes noch hell ist, obwohl es „in Wirklichkeit“ nicht der Fall ist. Interessanterweise führt das zu entsprechenden Wirkungen bei der Kamera (Blooming) mit der Folge, dass das Foto in etwa dasselbe zeigt, was auch das Auge sieht.
Der Mond brennt ein Loch ins Geäst
Nach all den Regentagen bekommt man endlich mal wieder den Mond zu Gesicht und zwar gleich in voller Größe und voller Kraft, sodass er sich ohne weitere Umstände durch das spröde Geäst der winterlichen Bäume brennt.
Eine Lektion der Kirschen…
Eine schöne pralle Kirsche ist wie ein Wölbspiegel, wenn man nicht allzu große Ansprüche an die Wiedergabequalität stellt. Mit etwas gutem Willen sieht man zumindest schemenhaft sein eigenes Gesicht gespiegelt (rechte Kirsche auf dem Foto).
Die Oberfläche der Kirsche reflektiert das auftreffende Sonnenlicht sowohl diffus als auch spiegelnd. Aufgrund der diffusen Reflexion, die durch Absorption des weißen Lichts und Emission des roten Anteils zustande kommt, erhält die Kirsche ihre charakteristische Farbe. Ein Teil des auftreffenden Lichts dringt jedoch gar nicht so tief in die Kirsche ein. Es wird an der glatten Oberfläche spiegelnd reflektiert. Auch wenn der Anteil des spiegelnd reflektieren Lichts so gering ist, dass es die Gegenstände, von denen das Licht ausgeht, nur schwer zu erkennen sind, machen sie den Glanz der Kirsche aus.
Blickt man aus einem Winkelbereich auf die Kirsche, aus dem das Licht der Sonne von ihr spiegelnd ins Auge des Betrachters reflektiert wird, kann das diffus reflektierte rote Licht völlig überstrahlt werden (siehe oberer Teil der linken Kirsche). Es entsteht der kugeligen Form der Kirsche entsprechend ein fast kreisförmiger weißer Fleck dessen Ränder allmählich ins typische Rot der Kirsche übergehen. Aber nicht nur das Rot wird hier ausgelöscht. Selbst der grüne Stängel der linken Kirsche erscheint weiß. Auch unterhalb der linken Kirsche ist ein weißer Fleck auf dem grünen Blatt zu erkennen, der ebenfalls der spiegelnden Überstrahlung zu verdanken ist.
Normalerweise werden die Grenzen zwischen den Bildern verschiedener Objekte auf der Netzhaut deren unterschiedlichen Farb- und Helligkeitseindrücken entsprechend gezogen. Bei sehr hellen Objekten werden die Rezeptoren aber über die Sättigung hinaus angesprochen und dadurch so stark erregt, dass gleich auch noch einige der benachbarten Rezeptoren reagieren. Dadurch entsteht dann der Eindruck, dass es auch an der entsprechenden Stelle des Netzhautbildes noch hell ist, obwohl es „in Wirklichkeit“ nicht der Fall ist. Wie die Abbildungen zeigen, treten ähnliche Überstrahlungen des intensiv belichteten Bereichs auch auf dem Foto auf.
Auf der rechten Kirsche sieht man ebenfalls einige helle Flecken. Sie sind jedoch von geringerer Intensität und haben einen schwach bläulichen Schimmer. Dafür sind Partien des durch die Blätter des Kirschbaumes hindurch leuchtenden blauen Himmels verantwortlich, die gerade so orientiert sind, dass ihr Licht zum Beobachter hin reflektiert wird.
Die Überstrahlung der diffusen Reflexion des roten Kirschenlichts durch die spiegelnde Reflexion darf nicht dahingehend missverstanden werden, dass die diffuse Reflexion unterbunden wird. Sie nimmt ebenfalls mit der Intensität des einfallenden Sonnenlichtes zu. Das kann man zum Beispiel daran erkennen, dass die Kirsche in den Bereichen intensiv rot erscheint, aus denen kein spiegelnd reflektiertes Sonnenlicht kommt. Die Intensität des diffus reflektierten roten Lichts ist sogar so groß, dass die Kirsche wie eine kleine rote Laterne wirkt. Auf diese Weise werden die in der Nähe der Kirsche befindlichen grünen Blätter nicht nur von der Sonne und dem Himmel, sondern auch von der leuchtenden Kirsche angestrahlt. An einer Stelle sieht man daher das grüne Blatt rot schimmern, weil es zufällig günstig zum Beobachter hin orientiert ist. Würde dieser seinen Blickwinkel ändern, sähe vielleicht eine andere Stelle rot gefärbt aus.
Neben den Farben rot und grün ist auch noch das durch die Lücken zwischen den Blättern hindurchschimmernde Licht des blauen Himmels zu sehen.
Reflexionen beim Blick durch ein Fenster
Der Blick durch/in ein Fenster auf die Innen- und Außenwelt offenbart einige interessante Ein- und Aussichten. In der rechten Bildhälfte blickt man durch die geöffnete Balkontür auf einen Balkon und die dahinter liegende Seitenfassade eines anderen Gebäudes, das weitgehend im Halbschatten liegt. Auf der linken Bildhälfte sieht man auf/durch die schräggestellte Balkontür. Man sieht in Durchsicht kaum etwas von dem wenig beleuchteten Zimmer, lediglich die dicht hinter der Scheibe angebrachte weiße Gardine ist deuchtlich zu erkennen. In der Spiegelung der Balkontür zeigt sich der Balkon aus etwas anderer Perspektive und vor allem ein voll in der Morgensonne liegendes Gebäude in den frischen Farben des frischen Tags. Der gespiegelte Himmel zeigt das passende Blau dazu. Beim Blick durch die offene Balkontür ist kein Himmelsblau zu sehen. Wir wissen aber durch die Spiegelung, dass uns durch die automatische Kameraeinstellung hier etwas vorenthalten wird. Weil die Kamera eine Blendeneinstellung wählt, die als Kompromiss angesehen werden kann zwischen der unterschiedlichen Helligkeit der linken und rechten Seite, haben wir rechts eine Überbelichtung, die den blauen Himmel weiß erscheinen lässt und links ein unterbelichtetes Zimmer (im linken und unteren Bereich nur Schwärze). Lediglich der in der Scheibe reflektierte Ausschnitt aus der Außenwelt wird einigermaßen korrekt wiedergegeben.
Und noch etwas fällt auf. Das diffus reflektierte Licht der halbtransparenten hellen Gardine wird im oberen Bereich von der spiegelnden Reflexion der hellen Szenerie überstrahlt und nahzu unsichtbar, während im unteren Bereich kaum Streulicht aus dem Zimmer kommt und die diffuse Reflexion voll zur Geltung kommt.
Der Mond ist keine Scheibe
Wenn man den nächtlichen Vollmond betrachtet, hat man nicht den Eindruck, dass es sich um eine Kugel handelt, obwohl wir wissen dass es so ist. Wir sehen ihn wie auch die Sonne als Kreisscheibe, weil er im Vergleich zur Umgebung so hell ist, dass seine Oberflächenstruktur auch unter günstigen Bedingungen nur schemenhaft zu erkennen ist, ansonsten aber weitgehend überstrahlt werden. Dieses Phänomen der Irradiation kennt man aus dem Alltag. So scheint sich die Sonne ein Loch durch dürres Geäst zu brennen oder der junge Mond scheint einen größeren Radius zu haben als der volle Mond. Weiterlesen
Optische Täuschungen 9: Wenn Parallelen schwanken
Irgendetwas stimmt hier mit der Fliesenwand nicht. Stimmt, sie sind nicht in der üblichen Weise verarbeitet. Vielmehr sind die einzelnen Reihen abwechselnd um eine halbe Fliesenlänge gegeneinander verschoben verlegt. Man sollte erwarten, dass das keinen großen Effekt auf die Wahrnehmung ausübt. Und doch ist es so. Sie sehen so aus, als ob sie ihre Größe verändern würden. Jedenfalls erscheinen uns die Reihen nicht parallel. Und doch sind sie es. Wenn man nämlich die Reihen Fliese für Fliese mit dem Auge abtastet oder sogar ein Lineal an das Foto anlegt, erweist sich alles parallel und in bester Ordnung. Nimmt man aber die Fliesen als Ganzes in den Blick, machen sie Spirenzchen. Wie sehr man sich auch bemühen mag, es gelingt einfach nicht hier visuell Ordnung hineinzubringen. Man fühlt sich angesichts der einander widersprechenden Wahrnehmungen genarrt. Weiterlesen
Rätselfoto des Monats April 2019
Mir schwant da was
Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2019
Was ist an physikalisch interessanten Phänomenen auf diesem (nicht manipulierten) Foto zu sehen?
Das Interessante an diesem Foto ist, dass das Gesicht einer Person mosaikartig aus kleinen Abbildern eben dieser Person zusammengesetzt erscheint. Um das zu erreichen war keine Manipulation nötig. Es ergab sich gewissermaßen von selbst, als ich spielerisch durch ein aus der Teetasse gehobenes und daher benetztes Teesieb zunächst rein spielerisch auf eine Person blickte. Indem anschließend mein Blick durch eine Fotografie ersetzt wurde, entstand dieses Bild der Bilder.
In zahlreichen Kommentaren wurde eine Antwort versucht. In der Antwort von Karl wurde das Problem nicht nur im Prinzip gelöst, sondern sogar mit Hilfe eines Nudelsiebs experimentell untermauert.
Andere waren der Lösung sehr nahe, was ich ihnen zu der Zeit aber nicht sagen konnte, um das „Spiel“ nicht vorzeitig zu beeinden. So waren die Ideen, dass es sich um Glasbausteine, Maschenzaun u.ä. handeln könnte, gar nicht so verkehrt. Nur die Größenordnung stimmte nicht. Denn die Bildchen kommen dadurch zustande, dass sich winzige Flüssigkeitsfilme zwischen den Maschen des Siebs gehalten haben, die nunmehr als winzige Linsen wirkend Ausschnitte des Gesichts der Person abbilden. Da die Bildchen alle aufrecht stehen, muss es sich um Zerstreuungslinsen handeln; bei Sammellinsen wären auf dem Kopf stehende Bildchen zu erwarten gewesen. Die Miniwasserlinsen müssen also an den Rändern dicker sein als in der Mitte, was sich schon aus der Dicke der Metallmaschen erklärt.
Da die kleinen Bildchen die ganze Fläche bedecken ist trotz der Transparenz der Wasserfilme das Originalbild nicht zu erkennen. Jede kleine Linse zeigt jedoch den Ausschnitt der Person, der ihr in Blickrichtung gegenüberliegt, sodass in der Summe, in Farbe und Struktur schemenhaft das Original sichtbar wird, insbesondere dann wenn man aus einiger Entfernung schaut und sich durch den individuellen Inhalt der kleinen Bildchen nicht ablenken lässt.
Ein Loch in der Gondel
Dröhnend verkündete der Ansager neben uns: „Letzte Fahrt des Riesenrades für diese Saison ! Wer will noch mal ! Wer . . . “ Schon hatte ich 2 Bilets erstanden; schon Ilse bei der sommersprossigen Hand genommen; schon saßen wir nebeneinander in der Gondel, die unter angemessener Sambabegleitung nach oben zu steigen begann.
Hoch; ja höher. Oben allein. Und untertauchen in Krach und Helligkeit (wie sagt Sir Thomas Browne im <Religio Medici>? : And even that tavern-music, which makes one merry, another mad, in me strikes a deep fit of devotion.“ And so on) . Neuerdings aufstiegen wir. Sanken wieder auf den Grund des Lichterteiches : in die korallenbunten Gerüste; Knaben ritten auf Seepferdchen; langbeinige Wasserjungfern quälten Würste mit spitzen Fingern, mit Zähnen…..*
Erinnert wurde ich an diese Passage von Arno Schmidt (1914 – 1979) als ich beim vergangenen Münsteraner Send beobachtete, wie die Sonne dabei war, ein Loch in eben die Gondel zu brennen, in der die beiden saßen.
Übrigens, heute ist Sommersonnenwende (Solstize) der offizielle (astronomische) Sommeranfang. Die Sonne erreicht ihre größte Höhe in diesem Jahr. Danach geht es wieder abwärts, wie im Riesenrad, nachdem der höchste Punkt überschritten ist. Der Sonnenreflex wechselt bei der Linksdrehung des Riesenrades zur reflektierenden Scheibe der nächst niedrigen Gondel usw. In der Bewegung betrachtet, sieht es für einen Moment so aus, als würde die Sonne sinken. Tut sie im Grunde auch, aber zunächst ganz langsam. Es wird einige Zeit dauern, bis wir es merken.
*Arno Schmidt. Schulausflug. In: Sommermeteor. München 1969.
Die Sonne und der volle Mond
… in trauter Nähe Zweisamkeit, so möchte man hinzufügen, wenn man die beiden wie auf dem Foto so nebeneinander sieht. Ich möchte gleich hinzufügen, dass das Foto nicht manipuliert ist. Es fragt sich also, wie das abgebildete Phänomen zustand gekommen ist. Weiterlesen
Die Sonne brennt sich durch das Geäst
Nur im Winter sehe ich von unserem Haus aus die Sonne an dieser Stelle. Denn nur im Winter lassen die im Sommer dicht belaubten Bäume die Sonne hindurch. Und wie sie die Sonne durchlassen! Selbst da, wo die Bäume die Sonne streifenweise verdecken sollten, ist es sonnenhell. Die Sonne brennt sich gewissermaßen einen Weg durch das Holz, auch wenn dieses dadurch nicht verbrennt.
Grund ist ein physiologischer bzw. auf dem Foto ein aufnahmetechnischer Effekt. Physiologisch spricht man von Irradiation. Die Bezeichnung dieser Täuschung des Gesichtssinns stammt von Hermann von Helmholtz, der das Phänomen auf die Streuung von Licht im Auge zurückführt, wodurch eine helle Lichtquelle im Gesichtsfeld einen größeren Bereich auf der Netzhaut reizen kann als eine ansonsten gleiche, aber dunklere Lichtquelle.
Man beobachtet die Irradiation besonders auffällig bei dunkler Nacht an der Lichtgestalt der Mondsichel, welche einer Scheibe von größerem Halbmesser anzugehören scheint als der Rest des Mondes.
Die Ursache dafür, dass die Kamera einen ähnlichen Eindruck wie den der Irradiation vermittelt, liegt daran, dass die einzelnen lichtempfindlichen Elemente (Pixel) des Sensors nur eine begrenzte durch das einfallende Licht hervorgerufene elektrische Ladung aufnehmen können. Bei zu starker Belichtung eines Bildelements wird die überschüssige Ladung an Nachbarelemente abgegeben, die dann so aussehen, als wären sie direkt erhellt worden. Je nach der Beleuchtungsstärke können diese Elemente ihrerseits die Ladung weitergeben usw. wodurch insgesamt der sogenannte „Blooming-Effekt“ hervorgerufen wird.
Ein Flur als Lichtleiter
In einem Flur der naturwissenschaftlichen Fakultät einer altehrwürdigen Universität schoss es mir plötzlich durch den Kopf, ich befände mich im Innern eines Lichtleiters. Der Teil des Gebäudes entpuppte sich als überdimensionales Modell eines durch die moderne physikalische Technik hervorgebrachten elektronischen Bauteils.
Das durch eine Tür eingekoppelte Licht wurde auf dem glatten Boden zur ebenfalls spiegelglatten Decke reflektiert und von dort wieder zurück auf den Boden. Aber da stand ich und wurde von dem Lichtstrom geblendet. Ich musste mich etwas außerhalb des hauptsächlichen Lichtstroms stellen, damit die Chips meiner Kamera nicht zu stark überbelichtet würden und dieses Foto gelingen konnte. Weiterlesen
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
Im Jahr des Lichts (27) – Gestreifte Sonne
Sonnenuntergänge vom Flugzeug aus gesehen sind stets etwas Besonderes. Je höher man fliegt, desto weiter ist der Horizont entfernt und desto länger kann man die Sonne sehen. Wenn man über den Wolken fliegt, kann der Sonnenuntergang besonders interessant sein.
Im vorliegenden Fall erlebte ich den Sonnenuntergang von oberhalb einer dichten Wolkendecke, hinter der die Sonne verschwand. Als anschließend die Wolkendecke löchriger wurde, trat sie jedoch erneut in Erscheinung, indem sie durch die Wolkenlöcher hindurch schien und die Ränder in intensive Rottöne tauchte. Weiterlesen
Rätselfoto des Monats Dezember 2014
Woher kommt das Rot?
Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Kunstwerke durch Kontaktarmut
Marienkäfer im Licht der Sonne
Marienvogel kleine,
Rühre deine Beine,
Kriech an meinem Finger ’nauf,
Setz dich als das Knöpflein drauf!
Ist er nicht ein hoher Turm
Für so kleinen roten Wurm?
Roten Purpur trag ich,
Flüglein viere schlag ich!
Gar kein Flüglein regst du,
Nur zwei Bein bewegst du –
Sechs Beine rühr ich,
Sieben Punkte führ ich,
Fliege höher als der Turm!
Wer ist nun der kleine Wurm? – Etsch!
Der Mond übertreibt
Wenn man den jungen Mond betrachtet und auch noch das Glück hat, das aschfahle Licht zu sehen, hat man oft den Eindruck, dass die schmale Sichel, also der direkt von der Sonne beschienene Teil des Monds mit sehr grobem Strich gezeichnet ist und über den Rand eines runden Gebildes hinwegreicht. Dieser Eindruck ist eine optische Täuschung, der nicht nur unser visuelles Wahrnehmungssystem, sondern auch die fotografische Technik erliegt.
Normalerweise werden die gesehenen Gegenstände den Gesetzen der geometrischen Optik entsprechend auf der Netzhaut des Auges farb- und helligkeitsgetreu abgebildet. Bei sehr hellen Objekten werden die Rezeptoren aber gegebenenfalls über die Sättigung hinaus angesprochen und dadurch so stark erregt, dass auch noch einige der benachbarten Rezeptoren reagieren. Dadurch entsteht der Eindruck, dass es auch dort noch hell ist, obwohl es „in Wirklichkeit“ nicht der Fall ist. Dieser physiologische Effekt wird auch als Überstrahlung oder Irradiation (Hermann von Helmholtz) bezeichnet. 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
Warum die Sonne (k)ein Loch in die Welt brennt
Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 9 (2009), S. 38
Im hellen Sonnenschein scheinen selbst solide Gegenstände durchsichtig zu werden.
Einst sah ich eine schwarz gekleidete Frau mit weißem Kopftuch;
dieses Tuch schien doppelt so breit wie ihre Schultern zu sein,
welche schwarz bekleidet waren
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)
„So bemerken wir, wenn wir die Sonne durch die kahlen Zweige des Baumes betrachten, daß alle Zweige die vor der Sonnenscheibe liegen, so dünn sind, daß man sie nicht mehr sieht…
Einst sah ich eine schwarz gekleidete Frau mit weißem Kopftuch; dieses Tuch schien doppelt so breit wie ihre Schultern zu sein, welche schwarz bekleidet waren . . .
Zwischen den Zinnen von Befestigungen gibt es Zwischenräume, die genauso breit sind wie die aufragenden Teile, und doch erscheinen erstere etwas breiter als letztere“ [1]. Weiterlesen
Die Welt physikalisch gesehen 