Licht

Zum internationalen Tag des Lichts 2023

Um auf die Bedeutung des Lichts in allen Lebensbereichen aufmerksam zu machen, hat die UNESCO den 16. Mai zum Internationalen Tag des Lichts erklärt. Das möchte ich zum Anlass nehmen, auf den ganz alltäglichen Sonnenaufgang hinzuweisen, der weder sprachlich noch physikalisch das ist, was er zu sein vorgibt. Sprachlich geht hier nichts auf, was vorher zu war. Da entsteht nichts, was später wieder verschwindet. Sowohl im geozentrischen als auch im heliozentrischen Weltbild entsteht dieser Eindruck dadurch, dass sich die Erde und die Sonne relativ zueinander bewegen. Wir gehen neuzeitlich-kopernikanisch davon aus, dass die Erde sich um die Sonne dreht und nicht umgekehrt, weil ansonsten beispielsweise die Sterne – je weiter desto schneller – kollektiv um die Erde rotieren müssten und das für weit entfernte Sterne auch noch mit Überlichtgeschwindigkeit. Trotzdem bleibt es beim Sonnenauf- und -untergang.
Was schon eher Kopfzerbrechen bereiten könnte, ist die Tatsache, dass wir die Sonne beim Auf- und Untergang nie da sehen, wo sie „in Wirklichkeit“ oder „geometrisch“ ist. Denn infolge der Brechung des Lichts bei ihrem langen Weg durch die Atmosphäre wird das Sonnenbild optisch angehoben und zwar etwa um einen Winkel, der dem Sonnendurchmesser entspricht (etwa 0,5 Grad). Wenn die Sonne beim Untergang den Horizont berührt, ist sie also „in Wirklichkeit“ schon untergegangen.
Diesen Gedanken könnte man philosophisch oder wie auch immer weiter vertiefen in Richtung auf die Frage, ob man denn ganz genau genommen (mit vielen Stellen hinter dem Komma) überhaupt je etwas dort sieht, wo es ist. Denn Lichtbrechung – und sei sie sie noch so klein – ist immer vorhanden, wenn Licht von einem Medium ins andere übergeht oder sich zum Beispiel die Dichte der Luft ändert. Überlegungen, die in diese Richtung laufen, kommen daher kaum zu einem befriedigenden Ergebnis. Eine ähnlich Spitzfindigkeit ergibt sich, wenn man wegen der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit davon ausgehen würde, dass die Gegenstände stets einen Moment später und daher möglicherweise an der Stelle anderen Stelle gesehen werden. Bei der Sonne macht diese Differenz immerhin etwas 8 Minuten aus.
Also lassen wir es und erfreuen uns am Abbild der Sonne die hier (Foto) hinter dem Geäst von Bäumen untergeht. Das Sonnenlicht hat beim Durchgang durch die Atmosphäre und den zahlreichen Streuvorgängen mit der Luft und den darin enthaltenen Aerosolen so viel an Farben und Intensität eingebüßt, dass es nicht mehr weiß leuchtet, sondern hauptsächlich in gelben und roten Farbtönen (er)scheint. Man kann dann sogar  bedenkenlos in die Sonne hineinblicken und beobachten, wie schnell sie absinkt. Wenn das Sonnenbild den Horizont „berührt“, dauert es gerade einmal 2 Minuten, bis der letzte Rest ihres Rands verschwindet. Und wenn man Glück hat, viel Glück, dann kann man auch noch erleben, dass sie sich mit einem grünen Blitz verabschiedet.
Wenn man will kann man daraus weitere tiefschürfende Gedanken schöpfen, wie beispielsweise im folgenden Text ausgeführt:
„Worum geht es? Durch den kopernikanischen Schock wird uns demonstriert, daß wir die Welt nicht sehen, wie sie ist, sondern daß wir ihre „Wirklichkeit“ gegen den Eindruck der Sinne denkend vorstellen müssen, um zu „begreifen“, was mit ihr der Fall ist. Da liegt das Dilemma: wenn die Sonne aufgeht, geht nicht die Sonne auf. Was die Augen sehen und was der astrophysisch informierte Verstand vorstellt, kann nicht mehr miteinander zur Deckung kommen. Die Erde wälzt sich im leeren Raum um sich selbst nach vorn, wobei der irreführende Eindruck entsteht, wir sähen die Sonne aufgehen. Solange das Universum besteht, gab es noch keinen Sonnenaufgang, sondern nur sture Erdumdrehungen, und dieser Befund wird nicht tröstlicher dadurch, daß wir aufgrund radioastronomischer und anderer Messungen zu der Vorstellung gezwungen sind, daß es vor einem Zeitpunkt t(x) weder die Sonne noch die Erde noch Augen gegeben hat, um deren Konstellationen zu sehen. Dann wären nicht nur die Sonnenaufgänge, sondern auch die Voraussetzungen des Scheins von Sonnenaufgängen in einem kosmischen Noch-Nicht verschwunden. Der augenscheinliche Sonnenaufgang verliert sich in einer mehrfachen Nichtigkeit, sobald wir den ptolemäischen „Schein“ zugunsten kopernikanisch organisierter Vorstellungen von „Wirklichkeit“ aufgeben. Radikaler als jedes metaphysische Vorstellen von „Wesenswelten“ dementiert das moderne physikalische Vorstellen der Körperwelt den ‚Schein der Sinne‘.“

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Sloterdijk, Peter: Kopernikanische Mobilmachung und ptolemäische Abrüstung. Frankfurt a M 1987.

Regenbogen im Spinnennetz

Wer sich das Foto des ungeordneten Spinnennetzes genauer anschaut wird vielleich einige Farben entdecken auf einem nach rechts gebogenen Streifen entdecken. Das ist kein Fake sondern Fakt – der Teil eines Regenbogens. Zwar erkennt man nur die außen liegenden rötlich und gelblich erscheinenden und die rechts innen auftretenden bläulichen Tröpfchen, aber dafür geht es hier nicht so hektisch zu wie beim „richtigen“ Regenbogen, in dem immer neue der fallenden Tropfen aufblitzen. Die in Regenbogenfarben leuchtenden Tropfen sind hier im Spinnennetz fixiert. Und dennoch, da in diesem Fall die Morgensonne ihre Bahn über den Himmel beginnt, geraten auch hier stets neue Tropfen in ihren Lichtkegel und werfen das farblich zerlegte Licht in unsere Augen – aber wesentlich langsamer als bei den fallenden Regentropfen.
Diese zusätzlich Bewegung der Sonne ist zwar auch beim „richtigen“ Regenbogen vorhanden, aber angesichts der Fallgeschwindigkeit vernachlässigbar.

Der Moment, in dem die Sonne die Erde streift

Ich liebe den kurzen Zeitraum am Morgen, wenn die Sonne gerade über den Horizont blinzelt und eine Lichttangente über das flache Land legt. Heute hatte ich Gelegenheit, diesen Moment in einer kaum zu überbietenden Feinheit zu erleben. Als ich eine Schnecke ähnlich gemächlich über den Weg rutschen sah, wie die Sonne aufstieg, flammte plötzlich der flache orangefarbene Schneckenkörper im hellen Sonnenlicht auf. Wie man an den angestrahlten Tannennadeln und Steinchen auf dem Weg erkennt, wurde hier das ästhetisch Prinzip des Ton in Ton in hervorragender Weise erfüllt.
Die Tage im Mai sind für mich in dieser Hinsicht besonders passend, weil wir – die Sonne und ich – etwas zur gleichen Zeit aufstehen.

Mondkorona – wie ein Lächeln in der Nacht

Und siehe, durch den blanken Himmel zog noch ein einsames, weißes Wölkchen. Es kam zögernd vorwärts, und es war, als würde es vom Monde angezogen. Es segelte gerade unter ihm vorbei, und siehe, sofort glitten dünne rosige, grüne und lila Farbentöne darüberhin, und es war wie ein zusammengezogener Regenbogen, der am Mond vorbeizog. Aber es glitt weiter, verlor die süßen Töne plötzlich wieder, wurde weiß und schob sich zögernd fort, allein durch die Nacht. Wie ein Lächeln der Nacht war es gewesen. *

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* Felix Timmermans. Palieter. Leipzig: Insel Verlag 1931, S. 138

Lichtblitze im Wasser

Der Blick ist auf den Wasserspiegel eines ruhig fließenden Bachs gerichtet. Auffällig sind zwei fast kreisrunde Schatten auf dem Boden des Gewässers, die von einem hellen Brennlinie (Kaustik) umgeben sind. Auslöser für dieses Phänomen sind zwei Grashalme, die mit ihrer Spitze leicht in das Wasser eintauchen ohne benetzt zu werden. Denn sie hassen das Wasser – sind hydrophob, sodass sich um sie herum eine winzige schüsselartige Vertiefung im Wasser ergibt. Diese Vertiefung ist von einem konvexen Rand umgeben, an dem das Licht wie von einer ringförmigen konvexen Linse gebrochen und auf dem Boden fokussiert wird. Auf diese Weise entsteht der zu beobachtende helle Ring (Kaustik). Das so aus der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkte Licht fehlt in der Mitte und führt dazu, dass hier ein Schatten entsteht. Ein Teil des in die konvexe Vertiefung fallenden Lichts wird reflektiert und macht sich in Form eines hellen Lichtblitzes an der Spitze des Grashalms bemerkbar.
Es sind weitere interessante Phänomen zu beobachten, die ich aber heute übergehen möchte.

Reflexionen am frühen Morgen

An einem morgendlichen Spaziergang taucht plötzlich wie an einem hell erleuchteten Baum gepinnt, mein Schattenbild auf. Auch wenn es nur ein Schatten ist, das Gefühl, dass er etwas mit mir zu tun hat, lässt sich einfach nicht vermeiden.
Schaut man genauer hin, so zeigt sich, dass die durch die Zwischenräume zwischen den Bäumen hervorgebrachten Lichtspalten nicht nur Teile anderer Bäume erhellen, sondern auch den Boden. Dadurch entsteht zuweilen der irritierende Eindruck als würden die Bäume teilweise ihre Grenzen überschreiten.
Die gelbliche Farbe des Lichts zeigt, dass die Sonne noch sehr tief steht und ihr Licht einen so langen Weg durch die Atmosphäre zurücklegt, dass infolge der sogenannten Rayleigh-Streuung die kurzen Wellenlängen (vor allem die Blautöne) zum großen Teil durch Streuung zu den Seiten verloren gegangen sind. „Verloren“ ist nicht ganz korrekt, denn das vorwiegend herausgestreute kurzwellige Licht sorgt als Himmelblau bzw. Tageslicht tagsüber für die typische indirekte Beleuchtung, ohne die wir ansonsten nur etwas im direkten Licht der Sonne sehen würden. Das wären dann optisch gesehen ähnliche Verhältnisse wie auf dem Mond, der keine Licht streuende Atmosphäre besitzt.

Fenster, Licht und Schatten

Eine Glaskugel wird vom blauen Himmel durch ein Fenster hindurch beleuchtet. Sie fokussiert das Licht auf einen Brennfleck. In diesen Brennfleck lege ich eine lichtundurchlässige Kugel (ich hatte nur eine solche aus Schokolade). Diese wirft einen Schatten. Der Schatten ist gerundet und relativ kurz. Denn das Fenster ist als Lichtquelle sowohl zu den Seiten als auch in der Höhe begrenzt.

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.

Strukturen der Lichtbrechung

Zwei sich überkreuzende Grogstäbchen auf einer gestreiften Decke tun ihre „physikalische Pflicht“ und schaffen dabei eine Art Kunstwerk. Das von den schwarzen und weißen Streifen ausgehende Licht wird in den Glasstäbchen gebrochen. Es wird zum Einfallslot hin abgelenkt, was durch die Form und die Lage der zylindrischen Glaskörper zu einer entsprechend komplexen Verteilung von Schwarz und Weiß führt. Dies ist ein Beispiel dafür, dass ein einfaches Gesetz, das Brechungsgesetz, unter Umständen zu kaum durchschaubaren Bildern führen kann.

Sand, Licht und Schatten

Obwohl der Sand von einheitlicher Farbe ist, schaffen Licht und Schatten eine beeindruckende Koloration, die den sanft geschwungenen Dünen eine Struktur verleihen, von der man sich nur schwer vorstellen kann, dass sie durch die formende Kraft der Winde geschaffen wurde.

Frühlingsanfang

Seitdem die Sonne sich wieder vermehrt blicken lässt und ihre Strahlen radial in alle Richtungen sendet – jedenfalls nach der geometrischen Optik – werden einige frühe Blüten dazu angeregt, es ihr gleich zu tun. Die Strahlen der Weidenblüte sind kürzer, dafür enden sie in kleinen gelben Proviantpaketen für die frühen Insekten.
Frühlingsanfang bedeutet, dass die Tage fortan länger sind als die Nächte. Das bedeutet, dass sich die Sonne am Tage länger über dem Horizont aufhält als darunter, auch wenn das möglicherweise infolge von Nebel und Wolkenbedeckungen nicht unmittelbar nachvollzogen werden kann. Wer in den letzten Tagen Sonnenauf- und -untergangzeiten sehr genau beobachtet oder nur auf einer Liste verfolgt hat, wird zu seinem Erstaunen festgestellt haben, dass der Tag bereits vorgestern länger war als die Nacht. Schuld daran ist die „Hebung“ der tiefstehenden Sonne durch Lichtbrechung in der dichten Atmosphäre.

Das Licht kommt zurück

Die Tage werden zwar bereits seit dem Winterbeginn wieder länger, aber davon merkt man so richtig erst etwas in der letzten Zeit. Dieser Anblick zeigt besonders eindruckvoll die Ankunft des Lichts in gleißender Weiße an dünner Bewölkung gestreut…

Optisch gebrochenes Glas

Offenbar macht es einen großen Unterschied, ob man es mit Licht zu tun hat, das durch Glas gebrochen wird oder mit gebrochenem Glas bei Licht gesehen. In dem einen Fall ist das Glas unversehrt, im anderen unwiderruflich zerstört. Außerdem erkennt man gebrochenes Glas mit Sicherheit, aber an einem Glasgegenstand gebrochenes Licht kann den Gegenstand bis zur Unkenntlichkeit (zumindest optisch) verändern. Oder wer würde auf Anhieb sagen können, welcher Gegenstand sich hinter diesem Abbild verbirgt?
Vielleicht muss man es auch gar nicht wissen, weil der im gebrochenen Licht gesehene Glaskörper eine ästhetische Wirkung vermittelt, die nach keiner weiteren Erklärung verlangt.

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.

Vorschein des Frühlings

Obwohl Kiefern immergrün sind, auch im Winter, hatte ich den Eindruck, dass dieses Exemplar eines filigran gewachsenen Baumes das Licht von weit her reflektiert und die Verheißung von Frühlingsgefühlen zum Ausdruck bringt.

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.

Transparente Kugeln im Sonnenlicht

Eine transparente Glaskugel liegt im Licht, das von rechts oben einstrahlt. An der Länge des Schattens erkennt man in etwa den Einfallswinkel des Lichts. Diese transparente Glaskugel wirft einen Schatten, weil sie das auftreffende Licht auf einen Brennfleck fokussiert. Das im Schattenbereich fehlende Licht wird hier auf eine kleine Fläche konzentriert. Es geht also kein Licht verloren (Energieerhaltung). Der Brennfleck reflektiert einen Teil des Lichts diffus in alle Richtungen. Insbesondere durchleuchtet er von schräg unten die kleinere ebenfalls halbwegs transparente Kugel (Es handelt sich um eine Vitamin D3-Pille, die irgendwie auf meinen Schreibtisch geraten ist 😉 . Sie fokussiert das Licht erneut und strahlt es nach links oben ab.

Leuchtende Blätter

Warum die Buchen zwar das Chlorophyll aus ihren Blättern herausziehen und für das nächste Wachstum im Stamm speichern, die Trennung von den nun nutzlos gewordenen Blättern aber oft sehr lange hinauszögern, kann ich nicht beantworten. Irgendwann sind sie dann doch verschwunden. Aber in dieser Situation zu Beginn des neuen Jahres übernehmen die hellbraun bis gelb verfärbten Blätter eine ermutigende Rolle. Im Unterschied zu den meisten anderen Pflanzen reflektieren sie das Sonnenlicht so effektiv, dass die Helligkeit bis ins Gemüt wirkt und es auch dort hell werden lässt. Es geht aufwärts im Neuen Jahr!

Natürliche Weihnachtskügelchen

Auf den ersten Blick käme man wohl kaum darauf, dass diese frisch-grünen Nadeln an einem Tannenbaum sprießen. Schaut man sich jedoch die kleinen Wassertröpfchen genauer an, so findet man dort einen Teil des Zweigs abgebildet.
Diese natürlichen Weihnachtsbaumkügelchen verstehen es so schön, ihre Umgebung zu reflektieren und damit auf eine subtile Weise zu vervielfältigen, ohne dass die Vielfalt eine bloße Kopie wäre.

Gerade schneidet Kreis

Beim Blick aus dem Fenster des Zuges in die verregnete abendliche Dämmerung baut sich ein imposanter Regenbogen auf. Er wird durch die Spiegelung der Leuchtstoffbeleuchtung des Zuges geschnitten und gibt mit der unvermeidlichen Überlagerung durch weiteres Störlicht aus dem beleuchteten Innenraum ein bemerkenswertes Bild ab. Ohne diese Erklärung hätte das Bild wohl auch als (mehr oder weniger gelungenes) Gemälde durchgehen können.

Origineller Doppelschatten

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 53/6 (2022), S. 289

Normalerweise treten so viele Schatten eines Gegenstands auf, wie Lichtquellen vorhanden sind, die diesen aus unterschiedlichen Richtungen beleuchten. Diese physikalische Gewissheit könnte im folgenden Beispiel arg in Zweifel gezogen werden – allerdings nur auf den ersten Blick.

Obwohl in der Abbildung nur die Sonne von schräg oben fast streifend auf die Hauswand und die etwas vorstehende Fensterbank scheint, beobachtet man an dessen Gitterstäben zwei in entgegengesetzte Richtung fallende Schatten.

Der erste Schatten ist plausibel. Seine Länge zeigt deutlich, dass die Sonnenstrahlrichtung nur geringfügig von der Ausrichtung der Hauswand abweicht. Das Zustandekommen der Schatten der Gitterstäbe erschließt sich erst auf den zweiten Blick: Das nahezu parallel zur Hauswand strahlende Sonnenlicht führt dazu, dass ein schmaler Streifen der rechten weißen Fensterleibung vom Sonnenlicht getroffen wird. Dieser erhellte Streifen reflektiert das Sonnenlicht und wird dadurch zu einer nahezu linienhaften Lichtquelle. Diese beleuchtet auch die gegenüberliegenden Seiten der Leibung und hellt diese deutlich auf.

Die beiden in diesem Licht liegenden Gitterstäbe blenden einen ihrer Ausdehnung und Orientierung entsprechenden Lichtstreifen daraus aus, was sich in entsprechenden Schattenlinien bemerkbar macht. Denkt man sich die beiden Schattenabschnitte auf der oberen Seite der Fensterleibung durch Linien verlängert, so treffen sie sich in der Lichtquelle, also auf dem beleuchteten schmalen Streifen der Fensterleibung (rote Linien auf der Abbildung). Dass der Effekt so deutlich ausfällt, ist auch der großen Intensität des Sonnenlichts zu verdanken. Denn wie es in Goethes „Götz von Berlichingen“ bereits heißt: „Wo viel Licht ist, ist starker Schatten.“

Ein Kopf aus Reflexionen

Normalerweise sollte ein Kopf reflektieren. Auf diesem Foto ist es umgekehrt: Ein Kopf wird durch Reflexionen hervorgebracht. Daher ist er auch äußerst fragil. Er wird von Reflexen an aufsteigenden und fallenden Wassertropfen eines Springbrunnens hervorgebracht und wird daher gewissermaßen von Tropfen zu Tropfen weitergereicht. Wie das? Auf die fallenden Tropfen wurde mit einem leistungsstarken Projektor das Bild eines Gesichts projiziert und umgehend zu uns dies Betrachtenden weitergegeben.
Das Foto wurde auf der Lichtsicht, einer Projektions-Biennale in Bad Rothenfelde, aufgenommen.
Rechts sieht man den Projektor, in der Mitte befindet sich der nur erahnbare Springbrunnen in einem Teich, von dessen Oberfläche das reflektierte Licht abermals reflektiert wird.

Vorauseilender Schatten

Den Schatten eines Kondensstreifens auf einer darunterliegenden Wolken-/Dunstschicht erlebte ich zum ersten Mal vom Fenster des Flugzeugs aus. Ich habe lange rätseln müssen, um den Ursprung der parallel zum Flug verlaufenden dunklen Linie herauszufinden. Die Sonne schien von schräg hinten und von den Kondensstreifen selbst war natürlich nichts zu sehen.
Aber auch von der Erde aus betrachtet, sind die Verhältnisse manchmal gar nicht so leicht zu durchschauen, weil es oft schwer ist die unterschiedlichen Höhen räumlich konsistent miteinander in Einklang zu bringen..

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)

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.

Lichtparabeln

Etruskische Vase – Sonnenuntergang

In der Absicht, den grünen Strahl zu erwischen, fotografiere ich den Sonnenuntergang. Die Sonne nähert sich dem Horizont und ist kurz davor das Wasser zu berühren. Doch kurz vorher fährt sie noch einen Sockel aus, damit sie nicht allzu sehr von dem zischenden Wasser eingetrübt wird…. 😉
Soweit eine lebensweltliche Interpretation des Gesehenen. Physikalisch sieht es etwas anders aus. Wir haben es mit der Etruskischen Vase zu tun. Zwar ist auch diese Bezeichnung äußerst lebensweltlich geprägt, weil der Anblick Jules Verne (1828 – 1905) zufolge an eine Vase erinnert, sogar an eine etruskische. Das ist zwar schwer nachzuvollziehen, weil etruskische Vasen doch etwas anders aussehen, aber der Terminus hat sich eingebürgert und zumindest jeder „atmosphärische Optiker“ weiß, was gemeint ist.
In Wirklichkeit handelt es sich um eine untere Luftspiegelung. Die Sonne wird beim Untergang durch eine Luftschicht gesehen, deren Temperatur direkt über dem vergleichsweise warmen Wasser höher ist als die kühlere Luft darüber. Dadurch wird das von der Sonne auf diese wärmere Luftschicht fallende Licht so gebrochen, dass es nach oben abgelenkt wird. Wir sehen also die Sonne daher nicht nur auf direktem Wege, auf dem das Licht nur wenig abgelenkt wird, sondern gleichzeitig den unteren Teil durch die Ablenkung in der warmen Luftschicht. Das ist ganz ähnlich wie bei einer Luftspiegelung über dem heißen Asphalt.
In dieser Jahreszeit, in der das Meerwasser noch relativ warm ist, die Luft aber bereits sehr niedrige Temperaturen annehmen kann, ist die Etruskische Vase oder die Omega-Sonne, wie sie aufgrund der Ähnlichkeit mit dem griechischen Buchstaben Omega (Ω) auch genannt wird, vergleichsweise häufig zu beobachten.

Verschiedenfarbige Schatten

Ich gebe zu, dass das Foto nicht besonders originell ist, auch wenn die Kerze etwas schief auf dem Ständer steht. Außerdem brennt sie gerade nicht. Aber darauf kommt es mir auch gar nicht an. Jeder andere Gegenstand wäre für das, was ich zeigen möchte, genauso geeignet. Die Kerze nebst Halter wird durch zwei verschiedenfarbige Schatten auf der Raufasertapete abgebildet.
Der eine Schatten ist eher bläulich, der andere gelblich getönt. Die Ursache sind zwei verschiedene Lichtquellen, die mit etwa gleich großer Intensität aus etwas anderen Richtungen die Kerze beleuchten. Zum einen ist es die Zimmerbeleuchtung, eine Glühlampe mit etwas gelblichem Licht, und zum anderen der blaue Himmel, der den Raum durch ein Fenster beleuchtet. Beide Lichtarten überlagern sich mehr oder weniger gut zu einem weitgehend weiß erscheinenden Mischlicht.
Der bläuliche Schatten entsteht dadurch, dass die Kerze das gelbliche Licht der Glühlampe ausblendet und nur das blaue Himmellicht die Tapete ungestört beleuchten kann. Beim gelblichen Schatten ist es gerade umgekehrt. Das bläuliche Licht wird ausgeblendet und das Lampenlicht kann die Wirkung ihrer gelblichen Farbe voll entfalten.
Einige andere Dinge sind interessant. Die Schatten scheinen sich auf dem dunklen Tisch fortzusetzen, obwohl dieser mit einer grünlichen Marmorplatte an diesen Stellen eigentlich eine Mischfarbe aufweisen sollte. Er tut es nicht, weil es sich gar nicht um Schatten handelt, sondern um Spiegelungen auf der glatten Tischoberfläche.
Auf der weißen Wand sehen wir zum einen einen leicht gelblichen Bereich der von der Glühlampe herrührt, während der von Lampe und Fenster beleuchtete Bereich ein Weiß mit einem leichten Blaueinschlag zeigt. Da die Farben der beiden Schatten genau meiner Erinnerung entsprechen, vertraue ich darauf, dass auch die Wandfarben so gesehen wurden.
Vielleicht wird sich der eine oder die andere die Frage stellen, warum man dem Lampenlicht das Gelb und dem durch das Fenster eindringende Tageslicht ihre gelbliche und bläuliche Farbe nicht auch ohne dieses Szenario ansieht. Ursache dafür sind unsere Augen, die durch physiologische Mechanismen dafür sorgen, dass die überwiegende Farbe jeweils als „weiß“ wahrgenommen wird. (Diesen Effekt habe ich bereits öfter im Blog beschrieben). Deshalb sieht man bei reinem Tageslicht normalerweise keine Spur von Blau und bei reinem Lampenlicht auch kein Gelb. Erst dann, wenn beide Farben gleichzeitig vorhanden sind, gelingt es nicht mehr sie zu trennen. Die Kamera empfindet diese physiologische Besonderheit technisch durch den sogenannten Weißabgleich nach. Das funktioniert aber auch nur, wenn die Situation eindeutig ist und eine Verschiebung des Spektrums in genau eine Richtung erforderlich macht.

Sonnenauf- und -untergang

Ein mit dunklen Wolken bedeckter Himmel gibt am frühen Morgen den Blick auf die aufgehende Sonne frei. Aber eine Lücke tut sich für kurze Zeit auf und es kommt kurzfristig zu einer Art Lichtexplosion, die dann innerhalb von einigen Minuten ausklingt. Die Sonne verschwindet wieder hinter den Wolken und lässt mich mit schummerigem Tageslicht zurück.

Morgens sind die Steine blau…

Hier liegt ein Stein am Sandstrand umgeben von den letzten Strömungsspuren des mit der Ebbe abfließenden Wassers. Die aufgehende Sonne hat ihn gerade erreicht, sodass er einen langen Schatten wirft, der hier allerdings nur schwach zu erkennen ist. Dasselbe gilt für die leicht rötlichen Reflexe des orangefarbenen Sonnenlichts zu beiden Seiten der Schattenbahn.
Helle Steine wie dieser haben die Eigenschaft, nahezu alle Farben des Sonnenlichts gleichermaßen diffus zu reflektieren. Wir sehen hier im Wesentlichen nur die Schattenseite des Steins, die nur vom blauen Himmellicht erleuchtet wird und daher blau erscheint.
Möglicherweise wird der Eindruck „Blau“ auch noch durch einen physiologischen Effekt verstärkt. Da unser visuelles System dazu tendiert, unter den gegebenen Lichtverhältnissen als überwiegende Farbe „Weiß“ zu sehen, wird das orangefarbene Licht der Sonne ein wenig spektral in „Richtung“ Weiß verschoben wahrgenommen. Diese chromatische Verschiebung führt dazu, dass das vom beschatteten Bereich des Steins ausgehende Licht noch intensiver blau erscheint als durch die alleinige Wirkung des Himmellichts.

Froschbadewanne im Freien

Diesen Frosch habe ich eine zeitlang beobachtet. Wenn ich ihm zu nahe kam, floh er zwar, begab sich aber immer wieder zu dieser Stelle zurück. Statt im verhältnismäßig kühlen Wasser zu chillen, macht er es sich in einer Art Badewanne gemütlich, die auf dem Sonnenlicht absorbierenden Seerosenblatt deutlich wärmer ist. Natürlich fällt auch Sonnenlicht in den übrigen Teich und wird zum großen Teil absorbiert. Aber die Wasserfläche ist im Verhältnis zum Wasservolumen deutlich kleiner als bei der Froschbadewanne. Und daher erhöht sich die Wassertemperatur wesentlich langsamer.

Ein Glas Wasser im Licht der Sonne

Ein vergessenes Glas Wasser. Die Sonne ist weiter vorgerückt, der Schatten einer Wand rückt auf das Glas vor und macht einige Lichtphänomene sichtbar, die im prallen Sonnenlicht untergehen.
Das Glas und das heißt vor allem das in Glasform gebrachte Wasser wirft trotz seiner Transparenz einen Schatten, weil das auftreffende Licht gebrochen und zu einem Brennfleck gebündelt wird und just den Bereich teilweise wieder aufhellt, dem das Licht gerade entzogen wurde. Lediglich im oberen Bereich, der vom Sonnenlicht ausgeschnitten wurde, bleibt es dunkel. Dorthin verirrt sich kein Licht.
Der heranrückende Schatten einer Wand macht das am Glasrand reflektierte Licht in Form halbkreisförmiger Aufhellungen sichtbar. Ohne Schatten hätte man von diesem Phänomen nichts gesehen. Auch der kurze Lichtstreifen, der vom Glas ein Stück weit in den Schatten läuft, sollte nicht übersehen werden. Aus nächster Nähe betrachtet erkennt man, dass er in Spektralfarben zerlegtes Licht projiziert (siehe Ausschnittsvergrößerung). Es ist das Licht, das im Glas teilweise an der Rückwand reflektiert und bei anschließenden erneuten Auftreffen auf die Glaswand teilweise aus dem Glas heraus gebrochen und dabei in Farben zerlegt wird. Dies entspricht dem Vorgang, der bei einem fallenden Regentropfen zur Entstehung des Regenbogens beitragen würde.

Schattenbäume

Einige Bäume sind hier gar keine Bäume, sondern Schattenräume im Streulicht des frühen Nebels

Selektive Wirkung von Schatten

Gebrochenes und dadurch gekrümmtes Licht

Wasser ist transparent. Glas ist transparent. Durch beides kann man fast ungestört hindurchblicken. Und dennoch passiert etwas mit dem durchgehenden Licht. Es wird gebrochen und obwohl alles mit rechten (physikalischen) Dingen zugeht, kommt man manchmal nicht umhin, über das Ergebnis zu staunen: Aus einer geraden Linie wird eine geschwungene Linie, wobei der „Schwung“ davon abhängt, von wo und wie man durch das Glas Wasser hindurch auf die Linie blickt.
Aufgefallen ist mir dieses Phänomen in einer geselligen Runde in einer Kneipe. Ich wagte es nicht, meinen Fotoapparat zu zücken und das Bild festzuhalten. Ich stellte es zu Hause so gut wie möglich nach. Und dies ist das Ergebnis (siehe Foto).