Kondensation

Ein Loch in den Wolken – hole-punch-cloud

Manchmal entstehen Löcher in der Wolkendecke, die den Durchblick auf den darüber liegenden Himmel erlauben, der oft wiederum bewölkt ist. Diese Löcher mögen verschiedene Ursachen haben. Aber wenn sie plötzlich auftreten, kann es sich wie im vorliegenden Fall um eine Hole-punch-Wolke handeln. Dieses Phänomen soll angeblich selten auftreten. Ich habe offenbar das Glück es schon mehrere Male erlebt zu haben. Wer sich für ihre komplizierte Entstehungsgeschichte interessiert kann sich in einem früheren Beitrag informieren. Fotos von unterschiedlichen Formen findet man hier.

Berglandschaft mit Dendriten

Diese magische Berglandschaft mit dendritischen Strukturen und blauen Gipfeln ist nichts weiter als eine mit Tropfen belegte Glasscheibe, die einerseits den blauen Himmel und andererseits Bäume spiegeln. Die Orangefärbung verdankt sich einem intensiven Sonnenaufgang, der seine Farben insbesondere den Bäumen mitteilt, die sie wiederum an die Tropfen weiterreichen.

Geheimnisvolle Gewächse

An dieser schrägen Wand sprießen Gewächse besonderer Art in allen Größen. Die inneren Mycele erinnern an sich ausbreitende Pilze, nur dass hier alles mit einer zarten Haut bedeckt zu sein scheint. Wenn es keine Pflanzen, Pilze oder Tiere sind, die uns hier durch ihre schiere Zahl und Formenvielfalt beeindrucken, fragt sich, worum es sich wirklich handelt.
Diese Gestalten sah ich auf einer mit Wassertropfen besetzten Glasscheibe, in der sich ein kahler Baum spiegelt.

Kondensstreifen – krumme Dinger

Diese krummen Dinger am Himmel irritieren die bisherige Vorstellung von schnurgeraden Kondensstreifem. Denn solche Streifen treten nur in großen Höhen (ab ca. 6000 m) auf, die typisch für den weiträumigen Flugverkehr mit Düsenflugzeugen sind. Solche Flugzeuge haben meistens ein klares Ziel und zeichnen sich daher auch durch eine entsprechende Geradlinigkeit aus. Daher tritt hier angesichts solcher Bilder (Fotos) die Frage auf, ob es sich dabei überhaupt um Kondensstreifen handeln kann. Denn welches Flugzeug kann es sich erlauben, auf diese spektakuläre Weise am Himmel herumzuwuseln? Ja, es sind Kondensstreifen und die Wuselei ist der Ausdruck von Manövern, die die Bundeswehr mit Eurofightern und Tornados über unseren Köpfen vollführt.
In diesem Blog ist bereits mehrfach über Kondensstreifen berichtet worden (z.B. hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier).

Lichtfänger in dunkler Jahreszeit

An diesem Stacheldrahtzaun halt ein Schaaf eine wenig Wolle lassen müssen, die wegen ihre Wasserliebe (Hydrophilie) in der kühlen Nacht als Träger unzähliger Kondensationskeime die Umwandlung des übeschüssigen Wasserdampfs in Wasser begünstigt haben. Auf diese Weise entstand die im Gegenlicht der noch tief stehenden Sonne zum Leuchten gebrachte Perlenkette. Es ist kaum zu glauben, dass sie das Licht nicht von sich aus spendet, sondern nur Sonnenlicht weitergibt.

Netzaktivitäten

Ich glaube nicht, dass die Spinnen um diese Jahreszeit aktiver sind als sonst. Aber ihre Bauwerke erfreuen sich bzw. uns mit größerer Sichtbarkeit. Wenn die Temperaturen sinken, steigt die relative Feuchte oft über 100%, sodass der überschüssige Wasserdampf insbesondere an kalten Gegenständen kondensiert und das sind vor allem kleinere Strukturen mit einer geringen Wärmekapazität, weil die ihre Energie schneller verlieren als größere Strukturen.
Die Spinnennetze sind auch deshalb besonders prädestiniert weil die bereits an den Fäden vorhandenen Tröpfchen ideale Keime zur Kondensation von Wasser abgeben.
An diesem Anblick finde ich besonders interessant, dass die durch Netzspannung stabilisierte Struktur einem Dreieck nahe kommt. Dreiecke und andere einfache geormetrische Gebilde in der Natur finde ich besonders ansprechend.

Reflektierende Tropfen

Normalerweise kennt man Wassertropfen als etwas plattgedrückte Kugeln, wenn sie beispielsweise auf einer ebenen Fläche hausen. Die Schwerkraft und die Oberflächenkraft machen ihnen zu schaffen, ihrer wahren Haltung als Tropfen gerecht zu werden. Aber auch der umgekehrte Fall, wenn sie durch die Schwerkraft etwas in die Länge gezogen werden, ist nicht ideal, weil präkar (siehe Foto). Denn es fehlt nicht viel und die Oberflächenkraft reicht nicht mehr aus, ihr zunehmendes Gewicht (durch Anlagerung von Wasserdampfmolekülen) zu kompensieren. Der nasse Boden zeigt, was ihren vorausgegangenen Kollegen passiert ist und auch ihnen in Kürze bevorsteht. Aber solange sie können, reflektieren sie (über) ihre Umgebung und lassen uns daran teilhaben.

Winzige Lichter sorgfältig aufgefädelt

Die unsichtbaren Klebetropfen der Spinnfäden erhaschen in der kühlen Nacht überschüssige Wasserdampfmoleküle, die schließlich zu Tropfen vereinigt, Himmelslicht einfangen um in Form filigraner Lichterketten dem frühen Beobachter einzuleuchten.

Unter Bäumen ist es mal nass mal trocken

Im Sommer sind die Blätter der Bäume so ausgerichtet, dass sie eine möglichst große Fläche bilden, mit der Sonnenlicht aufgefangen werden kann. Wenn man sich unter einen Baum stellt und nach oben blickt, sieht man nur wenige und oft überhaupt keine Öffnungen, durch die Licht bis an den Boden dringt. Unter diesem natürlichen Baldachin findet man sowahl Schutz vor der heißen Sonne als auch kurzfristig vor einem Regenschauer. Es ist erstaunlich, wie dicht das Blätterdach in einem solchen Fall sein kann. Im linken Foto ist an der hellen Färbung der Asphaltstraße gut zu erkennen, dass die Straße unter dem Baum nach einem Regenschauer trocken geblieben ist. Man kennt das aus Erfahrung; erst wenn der Regenschauer länger anhält, tröpfelt nach und nach das Wasser von den Blättern und es regnet durch.
Im Herbst, wenn die ersten Blätter fallen und die Nebel den Anblick prägen, kann es demgegenüber zu völlig entgegengesetzten Situationen kommen. Die Straße ist trocken und unter dem Baum ist es nass. Auch hier ist die Färbung der Straße wieder ein untrügerisches Zeichen. Wodurch entsteht dieser jahreszeitliche Wechsel?
Wenn die Nächte länger und kühler werden, wird so manches Mal der Taupunkt unterschritten. Das Wasser kondensiert dann an Teilchen in der Luft (Nebel) und an Stellen, die besonders kalt werden. Das sind vor allem Stellen, die einerseits so exponiert sind, dass nachts die Wärme zum kalten Weltraum gestrahlt werden kann und andererseits klein genug (geringe Wärmekapazität), um verhältnismäßig schnell und stark abzukühlen. Dafür sind die (restlichen) Blätter der Bäume ideal geeignet. An ihnen kondensiert der Wasserdampf. Und wenn erst einmal Tropfen an den Blättern entstanden sind, so bilden diese ideale Keime für die weitere Kondensation von Wasserdampf. Die Tropfen wachsen und fallen schließlich herab. Sie benetzen den Boden (rechtes Foto) und schaffen auf diese Weise auf der Straße das „Gegenbild“ zum Sommer.

Schilfrohr nach einer klaren Sommernacht

Es gibt kaum eine Situation, in der die Natur eine hässliche Gebärde an den Tag legt, selbst wenn es den ganzen Tag geregnet hat. Wenn ich mir vorgestellt hätte, wie dasblühende Schilf, der sich sanft den Stromlinien des Windes nachgebend eine äußerst elegante Form annimmt, wohl nach einer kühlen feuchten Nacht aussieht, so wäre ich kaum auf ein Bild gekommen wie auf dem Foto zu sehen. Diesmal gehorcht das Schilf der Schwerkraft, die durch die Belastung des Blüten- und Blätterwerks mit einer verhältnismäßig großen Wasserlast zu einer dominierenden Größe geworden ist, indem es sich in eindrucksvoller Gestalt dem Boden zuneigt.
In der vorausgegangenen klaren Nacht haben sich vor allem die feinen Strukturen des Blütenstands und die dünnen Blätter des Schilfrohrs sehr schnell abgekühlt. Denn aufgrund ihrer Feingliedrigkeit haben sie nur eine geringe Dichte und damit eine auf das Volumen bezogene geringe Wärmkapazität, sodass ihre Temperatur schneller sinkt als bei kompakteren Pflanzen und Gegenständen. Und weil bei großer Feuchte mit der schnell sinkenden Temperatur ebenso schnell der Taupunkt erreicht wird, kondensiert der Wasserdampf der Luft vor allem an diesen Strukturen.
Indem die wasserliebende (hydrophile) Pflanze vor allem im feingliedrigen Blütenstand Kondenswasser aufnimmt, steigt dort einerseits ihre Masse und andererseits „verkleben“ die feuchten Strukturen miteinander, weil sich die Wassertropfen vereinigen. Denn dadurch wird Oberflächenenergie gespart: Mehrere Tropfen zusammen haben eine auf das Wasservolumen bezogene kleiner Oberfläche. Durch diese Vorgänge wird das Schilfrohr kopflastig und neigt sich dem Boden zu. Die durch die Vereinigung entstandenen größeren Tropfen bewegen sich zur tiefsten Stelle und fallen ab, sobald die Schwerkraft die Oberflächenkraft (Adhäsionskraft) mit der die Tropfen an der Pflanze haften übersteigt. Man sieht auf dem Foto einige Tropfen an den Spitzen, bereit abzufallen, sobald das Maß voll ist.
Das ist die physikalische Geschichte, die eine Pflanze nach einer klaren, kühlen Sommernacht erzählen könnte. Ich habe es ihr abgenommen und es gleich versucht in Deutsche zu übersetzen.

Eine benetzte Pusteblume am Morgen…

Eine auffallend schöne Pusteblume gewährt Einblick in ihr Inneres, weil sich wie auch immer eine Öffnung im weißen Ball gebildet hat. Abgesehen von der durch die radial angeordneten Samen samt ihrer Gleitschirme gegebenen schönen Struktur zeigt sich diese in einem filigranen Tröpfchengewand. In der kühlen Nacht hat die relative Luftfeuchte die 100%-Marke überschritten, sodass sich der überschüssige Wasserdampf verflüssigte. Das passiert aber nicht einfach so – es müssen kleine Keime vorhanden sein, an denen Wassertropfen ihren Ausgang nehmen. Damit ein Tropfen entsteht, beginnend mit einem fast unendlich kleinen Radius, muss ein fast unendlich großer Druck aufgebracht werden. Wenn aber eine geeignete winzigen Fläche, ein Keim, vorhanden ist, die als Teil des sich bildenden Tropfens fungiert, sind entsprechend geringere Drucke nötig, und die Tropfenbildung schreitet zügig voran. Das ist hier an den zahlreichen kleinen Verästelungen der Schirmchen bis tief ins Innere des luftigen Balls geschehen und führt zu einer interessanten Tröpfchentextur, die den ästhetischen Reiz der benetzten Pusteblume ausmacht. In dem Maße, wie sich die Sonne blicken lässt und die Temperatur, wieder ansteigt, verdampfen die Tröpfchen wieder. Die Schirmchen nehmen ihr gewohntes Aussehen an und sind damit wieder bereit zum Start…

Einige haben diesen Beitrag gestern bereits gestern Nacht gesehen. Ich hatte ihn aus Versehen publiziert, obwohl er noch nicht ganz fertig war. Ich bitte dies zu entschuldigen.

Noch einmal Kristalle…

Wer gedacht hätte, dass die Eiskristalle erst einmal vorbei sind, sieht sich zumindest in unserer Gegend eines Besseren belehrt. Die jungen Blätter sind mit feinen Eiskristallen besetzt und vermitteln alles andere als ein Gefühl des Frühlings. Allerdings muss ich zugeben, dass zumindest die grünen Pflanzen, die einige Grad unter Null vertragen können, auf eine ästhetisch ansprechende Weise veredelt erscheinen. Einige andere Pflanzen ließen ihre Blätter traurig hängen und wie es den Obstblüten ergangen ist, wird sich spätestens bei Bildung der Früchte zeigen.

Der Reif besteht aus vielen kleinen Eiskristallen. Sie bilden sich, wenn die Temperatur sinkt und die maximale Luftfeuchte die absolute unterschreitet. Dabei kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu Tautropfen, die bei weiterer Temperaturabnahme des Blattes kristallisieren. Dieses Phänomen hat mit der Tatsache zu tun, dass kleine Körper an einer kalten Umgebung schneller auskühlen als größere.
Der Grund: Kleine Körper haben eine im Vergleich zu ihrem Volumen größere Oberfläche als größere. Die Oberfläche ist aber maßgeblich für die Abgabe von Wärme an die kältere Umgebung. Das kann man sich folgendermaßen klarmachen: die Oberfläche eines Körpers nimmt grob gesagt mit dem Quadrat seiner Größe (Länge, Radius…) das Volumen aber mit der dritten Potenz zu. Und wenn nun der Körper beispielsweise um den Faktor 10 verkleinert wird, so verkleinert sich die Oberfläche um den Faktor 100 und das Volumen sogar um den Faktor 1000. Das Volumen und damit die zum Volumen proportionale innere Energie des Körpers nehmen also um den Faktor 10 stärker ab als die Oberfläche. Daher kühlt der kleinere Körper etwa 10-mal schneller ab als der größere. Diese für den Wärmeverlust wichtige Oberflächen-Volumen-Relation spielt bei der Abkühlung der Blätter eine wichtige Rolle. Die vom Blatt abstehenden winzigen Zacken und Härchen sind besonders klein und geben daher ihre Energie sehr schnell durch Wärmstrahlung ab, sodass vornehmlich an diesen Stellen der Wasserdampf der Luft kondensiert und schließlich kristallisiert.

Wirbel in der Dusche

In einer Dusche entsteht oft Nebel, den man aber meist kaum sieht. Erst eine gute Beleuchtung macht ihn sichtbar, indem das Licht am den Tröpfchen gestreut, also diffus in alle Richtungen reflektiert wird. Dies ist auf dem Foto gut zu erkennen. Das Sonnenlicht dringt durch das Gitter des Kellerfensters und prägt den Dampfschwaden gewissermaßen ein entsprechendes Muster auf. Nur die von den Lichtstrahlen getroffenen Wassertröpfchen werden sichtbar, die anderen im Schatten liegenden sieht man nicht.
Durch die Sonnenbeleuchtung wird noch etwas anderes in den Fokus gerückt: Der Nebel ist in Bewegung, was u. A. in einem Wirbel im Zentrum des Fotos sichtbar wird.
Durch das Bewegungsverhalten der Tröpfchen werden wir auf Vorgänge aufmerksam gemacht, die sich in den unsichtbaren Gasen der Luft inklusive des Wasserdampfs abspielen. Denn sie sind es letztlich von denen die Tröpfchen aus ihrer schwerkraftsbedingten Bewegung zum Boden hin abgelenkt werden.
Auf diese Weise erhalten wir zumindest indirekt Kunde von Vorgängen in der uns umgebenden Luft, die wir nicht sehen und abgesehen von stärkeren Luftströmungen auch nicht direkt fühlen können.

Nasse Flecken wie aus dem Nichts

Bei einem morgendlichen Spaziergang auf einer schmalen Asphaltstraße durch die landwirtschaftlichen Felder sehe ich zahlreiche dunkle Flecken (siehe Foto). Bei näherem Hinsehen zeigt sich zum einen, dass die vermeintliche Färbung durch Nässe hervorgerufen wird. Das ist insofern merkwürdig als es in der vergangenen Nacht zwar kalt aber völlig trocken gewesen ist. Zum anderen ist zu erkennen, dass in der Mitte eines jeden Flecks ein helles Körnchen sitzt (Close-up oben links). Dabei handelt es sich um Mineraldünger in Granulatform, der bei der Bewirtschaftung der Felder auf die Straße gelangt ist. Die meisten Mineraldünger liegen als Salze vor. Sie sind daher hygroskopisch, d.h. sie nehmen Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, wann immer es möglich ist. Man kennt das vom Kochsalz, das bei hoher Luftfeuchtigkeit und offener Lagerung ebenfalls nass wird. Im vorliegenden Fall haben die Salzkristalle nicht nur Wasserdampf aufgenommen, sondern vielleicht auch noch davon profitiert, dass in der vorausgegangenen Nacht die Temperatur unter den Taupunkt abnahm, sodass sich auch noch kondensierender Wasserdampf auf weitgehend isolierten kalten Oberflächen absetzte, so auch auf den Salzkörnern. Diese gingen dadurch teilweise in dem Maße in Lösung, wie Wasser aufgenommen wurde. Daher floss die wässrige Lösung abgesehen von Störungen durch Inhomogenitäten des Untergrunds radial in alle Richtungen und hinterließ einen dunklen, feuchten Fleck.

Heiße Experimente – Physik in der Sauna

H. Joachim Schlichting, Christian Ucke. Physik in unserer Zeit 52/2 (2021), S. 94 – 97

In einer Sauna herrschen ungewöhnliche thermische Bedingungen. Ein Saunagang lässt sich daher leicht zu einer Experimentalsituation umfunktionieren. Thermometer, Sanduhr, Hygrometer und oft auch eine Waage stehen standardmäßig zur Verfügung. Gegenstand der Experimente ist vor allem der eigene Körper. Weiterlesen →

Eiskristalle wachsen sehen…

… klingt so ähnlich wie: Mäuse husten hören.
In diesen Tagen zeigt sich der Winter in all seinen Facetten. Jedenfalls jenen, die man dem Winter seiner Träume zuschreibt. Lässt man sich nicht zu sehr von dem Schnee blenden, kann man den Blick für das Kleine bewahren und schärfen, das sich oft im Verborgenen abspielt. In diesem Fall war ich auf ein Phänomen gefasst, als ich morgens durch die Balkontür blickend eine Temperatur von -6 °C im nicht geheizten Wintergarten ablas. Mir war klar, dass sobald ich die Tür von der mit Wasserdampf gesättigten Küche öffnete, die Scheiben im Wintergarten beschlagen würden. Sie taten es und vernebelten sofort den Blick auf den winterlichen Garten. Weiterlesen →

Eisige Kreise

Diese nur wenige Millimeter dicke, nach außen hin glatte Eisschicht bedeckt eine Wasserpfütze. Weil das Wasser teilweise im Boden versickert ist, hat sich ein Hohlraum zwischen Wasseroberfläche und der Unterseite der Eisschicht gebildet. Infolge der Sonneneinstrahlung am Tage kondensiert Wasser an der Unterseite der Eisschicht und läuft zu größeren Tropfen zusammen. Bevor sie herabfallen, gefrieren sie in der Nacht zu Eisnoppen, die hier die Größe einer 2-Euro-Münze angenommen haben. Die übrige Fläche der Unterseite wird durch die Bildung einer dünnen Reifschicht bedeckt, an der das Licht gestreut und infolgedessen der Durchblick getrübt wird.

Ein trockenes Loch im Tröpfchenbelag

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 51/6 (2020), S. 308

Ein vor einer kalten Fensterscheibe befindliches Hindernis ermöglicht eine Visualisierung der Strömung wärmerer Luft. Weiterlesen →

Herbst – Zeit der Nebel

Nebel besteht aus winzigen Wassertröpfchen. Sie werden trotz ihrer Transparenz dadurch sichtbar, dass das Licht an ihnen in alle Richtungen gestreut wird. Das Licht von Gegenständen im Nebel gelangt also nur teilweise auf direktem Wege zum Auge des Betrachters und der Gegenstand wird daher mehr oder weniger unscharf bis völlig unsichtbar. Daher kann eine Aufhellung mit einem Scheinwerfer in vielen Fällen die Sichtbarkeit nicht erhöhen. Oft wird man wegen der Rückstreuung des Lichts sogar noch geblendet. Weiterlesen →

Altweibersommer

Die Spinnennetze und vagabundierenden Spinnfäden insbesondere der Baldachinspinne, die man zurzeit zu Gesicht und manchmal auch ins Gesicht bekommt, sind nicht zahlreicher, sondern auffälliger geworden. Im Herbst werden sie häufig infolge der für die Jahreszeit in unseren Breiten typischen kalten, feuchten Nächte mit feinen Wassertröpfchen überzogen. Weiterlesen →

Das Wassertröpflein

Tröpflein muss zur Erde fallen,
Muss das zarte Blümchen netzen,
Muss mit Quellen niederwallen,
Muss das Fischlein auch ergötzen,
Muss im Bach die Mühle schlagen,
muss im Strom die Schiffe tragen,
und wo wären denn die Meere,
wenn nicht erst das Tröpflein wäre* Weiterlesen →

Ringelnde Kondensstreifen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 7 (2020), S. 82 – 83

Am Himmel zeigten sich weiße Schrammen.
Guy Helminger (*1963)

In großer Höhe erzeugen die Abgase eines Flugzeugs oft langgestreckte Bänder aus Eiskristallen. Es scheint, als lägen die Kondensstreifen ruhig in der Luft – tatsächlich sind sie voller Bewegungen. Sie rotieren in der Regel gegensinnig zueinander und zerfallen manchmal in ringartige Elemente. Weiterlesen →

Wie Tau Pflanzen tränkt

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 5 (2020), S. 60

Die Tropfen Tau schon rinnen,
Auf uns und über uns.
Achim von Arnim (1781 – 1831)

Einige Pflanzen schöpfen lebenswichtige Feuchtigkeit direkt aus der Luft, indem Wasserdampf an ihren spezialisierten Blättern kondensiert. Winzige Rillen auf deren Oberfläche lassen die wachsenden Wassertropfen verschmelzen und zu Boden fließen.

Bei einem Regenschauer suchen wir Schutz unter Bäumen, denn das Blätterdach hält den Boden trocken. Gelegentlich allerdings verhält es sich gerade umgekehrt, vor allem am Morgen – dann ist es nur rund um den Stamm nass. Dieses sonderbare Phänomen ist sogar von großer ökologischer Bedeutung. In niederschlagsarmen Gebieten der Erde trägt es maßgeblich zur Wasserversorgung mancher Pflanzen bei.
Bei Nebel kommt man den Ursachen schnell auf die Spur. Ein Teil der durchziehenden Schwaden bleibt an den Blättern der Bäume hängen. Die winzigen Tropfen vereinigen sich mit nachfolgenden und fallen schließlich auf Grund der eigenen Schwere ab.
Doch manchmal findet man frühmorgens selbst nach einer klaren Nacht ohne Anzeichen von Nebel trotzdem feuchte Stellen unter manchen Pflanzen. Dann verdankt sich die Wassergewinnung aus dem vermeintlichen Nichts einem anderen Effekt: Auf den Blättern der Bäume bildet sich Tau. Wenn es nachts kälter wird, nimmt die maximal mögliche Wasserdampfkonzentration ab. Sie sinkt dabei oft unter die tatsächlich vorhandene Feuchte – der so genannte Taupunkt wird unterschritten.
Die Blätter der Pflanzen kühlen sich schnell ab, denn sie sind von geringer Masse und haben daher eine geringe Wärmekapazität. Als Folge ihrer eigentlichen Funktion, tagsüber möglichst viel Sonnenlicht einzufangen, sind sie nachts ebenso optimal zum kalten Weltall ausgerichtet – und strahlen diesem Energie durch Wärme zu.
Damit sich Wasserdampf absetzen kann, sind zusätzlich zur Unterschreitung des Taupunkts Kondensationskeime nötig. Wegen winziger Oberflächenstrukturen und Verunreinigungen gibt es davon reichlich. Sobald an den Stellen Miniaturtröpfchen entstanden sind, wachsen diese zügig, denn sie sind ihrerseits ideale Orte für weitere Kondensation.
Schließlich neigen sich die Blätter. Meist sind sie ohnehin nicht waagerecht ausgerichtet, und selbst wenn, verbiegt sie die zunehmende Last. Die Schwerkraft lässt die Tropfen herabgleiten und zu Boden fallen. Das geschieht aber erst bei einer kritischen Größe.
Diese hängt einerseits von der Benetzbarkeit der Blätter ab, also der Adhäsionskraft, mit der Wasser daran haftet. Der Wert dafür lässt sich mit Hilfe des so genannten Kontaktwinkels bestimmen. Das ist die Neigung zwischen dem Rand der gekrümmten Oberseite eines Tropfens und der Blattoberfläche (siehe Illustration). Bei einem flachen Winkel von 0 bis 90 Grad ist der Untergrund hydrophil (wasserliebend), bei 90 bis 180 Grad ist er hydrophob (wasserabweisend). Im letzteren Fall können sich bereits relativ kleine Tropfen ablösen. Das ist der berühmte Lotoseffekt, der sich hier zu Lande beispielsweise auch bei Kapuzinerkresse oder bei Kohlrabi beobachten lässt (siehe Foto).
Andererseits ist die Voraussetzung für das Herunterfallen eine ausreichende Neigung der Blätter. Denn mit ihr wächst die Komponente der Schwerkraft, die für das Hinabkullern entscheidend ist. Da die Belastung durch das sich sammelnde Wasser das Blatt krümmt, kommt es zu einer Art Rückkopplung: Je mehr Tropfen entstehen und je größer sie werden, desto eher lösen sie sich ab.
Die Vorgänge kommen morgens zum Erliegen, wenn mit zunehmender Umgebungstemperatur die maximal mögliche Feuchte wieder zunimmt. Dann erhöht sich der Taupunkt, und die Neigung zur Kondensation nimmt ab. Schließlich überwiegt die Verdunstungsrate, so dass die letzten Wasserrückstände wieder verschwinden. Um bis dahin möglichst viel Feuchtigkeit zu den Wurzeln zu leiten, sollten die Tropfen rasch zu Boden gehen und Platz für neue machen. Falls die Pflanze auf diese Form der Versorgung angewiesen ist, sollten sie also möglichst schnell das kritische Volumen zum Abgleiten erreichen.
Zu Beginn wachsen einmal entstandene Tropfen jeder für sich. Zwei kleine verschmelzen erst dann zu einem großen, wenn sie sich zufällig berühren. Der Menge an herab rieselndem Wasser würde demnach zunehmen, wenn solche Vereinigungen öfter und zielgerichteter vorkämen. Die kanarische Kiefer etwa hat dafür besonders lange und schmale Nadeln entwickelt – eine fast eindimensionale Struktur. Die Tropfen kommen daher wesentlich rascher mit Nachbarn in Kontakt als bei einem ungerichteten Wachstum in der Fläche.
Auf den sehr biegsamen Nadeln geraten die Tropfen bald ins Gleiten und reißen auf dem Weg herab kleinere Exemplare mit. Und zwar nicht nur einige weitere, zufällig auf ihrer Bahn liegende, wie es auf einem flächenhaften Blatt der Fall wäre, sondern gleich alle, die sich unterhalb von ihnen befinden. Auch andere Pflanzen bieten eine solche anisotrope Topografie, etwa der Bambus. Dieser verfügt über in Längsrichtung geordnete Blattadern. Sie begünstigen schmale, elliptisch geformte Wassertröpfchen und führen sie gezielt hinab.
Die Idee, durch eine derartige Strukturierung Flüssigkeit effektiver aus Dampf zu produzieren, fasziniert Wissenschaftler schon länger. Sie wollen mit maßgeschneiderten Oberflächen unter anderem in Wüsten Trinkwasser gewinnen. 2019 hat eine französische Forschergruppe von einer Möglichkeit berichtet, auch kleinere Tropfen in Bewegung zu versetzen und ablaufen zu lassen, die normalerweise wieder verdunsten würden.
Das Team um Pierre-Brice Bintein von der Université Paris Diderot hat dazu mikroskopisch kleine Rillen auf Materialien aufgebracht. Daraufhin floss kondensiertes Wasser wesentlich schneller ab als auf glatten Flächen. Die kleineren Tropfen verschmelzen eher zu einer kritischen Größe, und auf dem Substrat verbleiben weniger Rückstände. Wenn es Ingenieuren gelingt, solche Strukturen großflächig und günstig herzustellen, ließe sich nicht nur mehr Nebel und Wasserdampr in Wüsten ernten, sondern außerdem die Entwässerung in anderen Systemen verbessern, bei denen die Schwerkraft eine Rolle spielt, von der Destillation bis zum Wäschetrockner.

Quelle
Bintein, P.-B. et al.: Grooves accellerate dew shedding. Physical Review Letters 122, 2019

PDF: Wie Tau Pflanzen tränkt

Rätselfoto des Monats Februar 2020

Warum ist einer der Kondensstreifen rot? Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Dezember 2019

Wie kommt es zu diesem farbigen Kranz um … ja, um was nur? Lichtspiel zum 1. Advent allein lasse ich als Antwort nicht gelten.

Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2019

Frage: Wie kommt es zu den Nebelstreifen?
Antwort: Bei dieser Art Kondensstreifen handelt es sich um sogenannte Wirbelschleppen. Sie zeigen sich manchmal kurz nach dem Start oder vor der Landung. Dann nämlich fährt der Jet die Landeklappen aus der Tragfläche (die korrekter als „Auftriebshilfen“ bezeichnet werden sollten), wodurch sich deren Anstellwinkel vergrößert und damit die aerodynamische Auftriebskraft auf eine größere Fläche wirkt. So gelingt das Abheben auch bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten.
Auf diese Weise entsteht ein enormer Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite der Tragflächen, der an ihren Seiten zu Ausgleichsströmungen von unten nach oben führt. Weil gleichzeitig die Luft von vorn nach hinten strömt, kommt es zu einer zopfartigen Aufwicklung der Strömungsfäden. Und weil der Druck in der Luftströmung stark abnimmt, sinkt die Temperatur schlagartig – nicht anders als bei einem gerade geöffneten Ventils eines Autoreifens. Denn für die mit der Druckabnahme verbundene Ausdehnung benötigt die Luft Energie, die sie aus dem Reservoir ihrer inneren (thermischen) Energie abzapft. Der Vorgang läuft nämlich so schnell ab, dass es zu lange dauern würde, bis durch Wärmeleitung Energie aus der weiteren Umgebung herangeschafft würde. Durch die Abnahme ihrer inneren Energie kühlt sich die Luft lokal stark ab. Und wenn dann auch noch die absolute Wasserdampfkonzentration größer ist als die maximale Wasserdampfkonzentration bei dieser niedrigen Temperatur, kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu Wassertröpfchen: Es kommt also zur beobachteten Nebelbildung.
Die Wirbelschleppen unterscheiden sich von den normalen Kondensstreifen auch noch durch einem interessanten Nebeneffekt: Sie treten immer paarweise mit gegenläufigem Drehsinn auf, sodass sich der Gesamtdrehimpuls zu Null summiert.
Nebelfäden über den Tragflächen treten bei genügender Luftfeuchte manchmal auch in voller Reiseflughöhe über die Tragflächen strömend auf. Sie verdanken sich dem starken Druckabfall über den Tragflächen und führen bei den ohnehin schon sehr tiefen Temperaturen die Kondensation überspringend zur Resublimation des Wasserdampfs zu feinen Eiskristallen.

Spinnennetze als indirekte Beleuchtung

O sieh das Spinnennetz im Morgensonnenschein,
Wie es vom Tau noch voll kristallner Tropfen hängt!
Im leichten Winde wiegt es seiner Perlen Pracht,
Die in den silbergrauen Maschen hier und dort
So flüchtig sich wie sanft und zierlich eingeschmiegt.
Sieh, so ist alles Glück. So hängt es flüchtig sich
In unsrer Tage schwankendes Gespinst,
Und es erschauert unter seiner köstlichen Last
Des Majaschleiers weltdurchwallendes Geweb*

An manchen Morgen in dieser Zeit, wenn es gerade hell geworden ist, scheint die vertraute Landschaft der Krummhörn verändert. Überall an den Feldrändern, den schilfgesäumten Schloten und Kanälen blitzen hell leuchtende Spinnennetze in den verschiedensten Formen auf. Sie sind nicht erst heute dort, aber sie werden erst jetzt sichtbar, weil die kühlen Nächte für reichlich Tau sorgen, der sich besonders in den Spinnennetzen niederschlägt. Diese Wassertropfen sind so klein, dass sie das Licht wie Nebeltropfen in alle Richtungen streuen und die ansonsten aus verständlichen Gründen nahezu unsichtbaren Spinnennetze zu einer erstaunlichen Sichtbarkeit verhelfen. Sie scheinen aus sich heraus zu leuchten.

*Christian Morgenstern (1871 – 1914)

Die schönen Muster des Herbstes

Zu den schönen Mustern des Herbstes zähle ich auch das im Foto dargestellte Gebilde.
Aufgrund der kühlen Herbstnächte kommt es vermehrt zur Taubildung im Gras und anderswo. Als ich vor ein paar Tagen barfuß über den morgendlichen Rasen stapfte, kam dieses einem Miniatur-Kneipp-Gang gleich. Dabei entdeckte ich im Gras Nester mit solchen schönen Tropfenmustern, die es wert waren noch einmal hin und her zu kneippen, um den Fotoapparat zu holen. Weiterlesen →

Ein Schauspiel mehrerer Hole-punch Clouds vor dem abendlichen Fenster

Vorgestern Abend  konnte ich vom Fenster meines Arbeitszimmers aus ein seltsames Himmelsschauspiel beobachten. Der Himmel war von einer Altocumulus stratiformis Bewölkung bedeckt und öffnete sich an einer Stelle, wobei eine strähnenförmige Wolke aus dem entstehenden Wolkenloch herauszuströmen schien (oberes Foto). Ich wurde an das bereits früher beobachtete Phänomen, der sogenannten Hole- punch Cloud, erinnert und ich vergewisserte mich bei der Wetterexpertin Claudia Hinz, dass ich mich nicht täuschte. Wie dort bereits beschrieben fällt die bizarre Wolkenformation gewissermaßen aus dem gleichzeitig entstehendem und – wie ich diesmal über eine längere Zeitspanne beobachten konnte – sich vergrößerndem Loch auf die Erde. Sie erreicht diese jedoch nicht, weil die Eiskristalle, aus der sie besteht, vorher sublimieren, also in Wasserdampf übergehen. Weiterlesen →

Tropfenvorhänge im Spinnennetz

Hier hat die Spinne sich einiges eingefangen, auf das sie vermutlich keinen großen Wert legt – Tautropfen. Dadurch ist das Netz einigermaßen durcheinander gebracht worden, indem  einige Abschnitte des spiralförmigen Fangfadens* mitbenachbarten „verklebten“ und damit relativ große Durchfluglöcher für potenzielle Beutetiere geschaffen wurden. Für mich ist es allerdings ein richtiger Hingucker: Im Licht der Sonne vor dem frisch grünen Hintergrund sind diese Symmetriebrüche eher eine ästhetische Bereicherung. Weiterlesen →

Physik am Flugzeugfenster

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 8 (2019) S. 52 – 53

Doch still, was schimmert
durch das Fenster dort?

William Shakespeare (1564–1616)

Über den Wolken herrschen außerhalb des Flugzeugs dramatisch andere Temperaturen und Drücke als in der Kabine. An den Scheiben, die beide Reiche voneinander trennen, kommt es zu eindrucksvollen optischen und thermodynamischen Phänomenen. Weiterlesen →

Geröstetes Brot hinterlässt Feuchtigkeitsspuren

Als ich eine Scheibe heißen, gerösteten Brots auf ein rustikales Brettchen legte und nach kurzer Zeit zur Seite schob, sah ich erstaunt, dass es einen ziemlich feuchten Abdruck hinterlassen hatte.
Merkwürdig. Sollte das der Hitze ausgesetzte Brot nicht vielmehr noch trockener sein als vor dem Rösten?
Physik sei Dank ging alles mit rechten Dingen zu. Bei höherer Temperatur ist die maximale Feuchte (also die Konzentration von Wasserdampf in der Umgebung, die nicht überschritten werden kann, ohne dass der dann überschüssige Dampf kondensiert) größer als bei niedrigerer Temperatur. Weiterlesen →

Eisvögel

Was hier wie die stilisierte Skizze von zwei Eisvögeln oder vielleicht nur wie ein abstraktes Schwarz-Weiß-Gemälde aussieht, ist die Eisschicht einer zugefrorenen Wasserpfütze. Die hellen Bereiche künden vom darunterliegenden Hohlraum, der durch das Versickern des Wassers entstanden ist und in dessen feuchter Atmosphäre sich eine Reifschicht unterhalb der zunächst transparenten Eisschicht gebildet hat. An den kleinen Kristallen wird das Licht streut wodurch die Transparenz verschwindet. Lediglich die dunklen Streifen sind gefrorene Wasserwülste über die eine Verbindung mit dem stark gesunkenen Wasserspiegel oder bereits mit dem Erdreich besteht.

Hole punch – Eine aufgeschlitzte Wolke

An einem kalten Wintermorgen entdeckte ich kurz vor Sonnenaufgang in einer flachen Schicht von Altocumuluswolken eine längliche Scharte, die einen Durchblick auf darüber liegende, bereits von der Sonne erhellte blaue Himmelspartien erlaubte. Es sah aus, als wäre ein Wolkenstreifen durch dieses Loch gleichsam hindurch gesackt. Er hing im orangenen Licht der aufgehenden Sonne und wurde seiner luftigeren Konsistenz entsprechend von diesem Licht geradezu durchglüht. Dieser Streifen hatte die typische luftige und strähnige Konsistenz von Cirruswolken (was auf dem Foto allerdings nicht gut zu erkennen ist. Aber wie man – denke ich – sehen kann, liegt dieses Wolkengebilde noch unterhalb der Altocumulusschicht. Ein schönes – aber auch kompliziertes Phänomen, das letztlich auf den Einfluss des Homo Faber zurückgeht. Wer es genauer wissen will, muss sich den folgenden Text ansehen.

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Kalte Fenster – Geburtsstätte für Wassertröpfchen

Als wir in das ausgekühlte Ferienhaus ankommen, können wir uns während des Bemühens die Zimmer warm zu bekommen, zwischenzeitlich schon einmal über ein Kunstwerk freuen (siehe Foto), das in dem Maße auf den Fensterscheiben Gestalt annimmt, wie im Zimmer die Temperatur steigt.
Durch die Tröpfchen hindurch schimmert die Struktur einer aus einzelnen Holundersträuchern bestehenden Hecke, die ihre Blätter verloren haben.
Die Gesamtstruktur dieser Büsche lächelt uns tausendfach kopfstehend in den einzelnen Tropfen entgegen. Denn diese verhalten sich wie kleine Sammellinsen. Sie bilden die Büsche auf unsere Netzhäute ab – kopfstehend. Weiterlesen →

Nasses Gras ist mehr als das

Über viele Jahre
und unter großen Kosten
reiste ich durch zahlreiche Länder,
sah die hohen Berge,
die Ozeane.
Nur was ich nicht sah,
war der funkelnde Tautropfen
im Gras gleich vor meiner Tür

Rabindranath, Tagore (1861 – 1941)