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Lichtstreuung

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Ich stand früher auf als die Sonne

In den letzten Tagen war ich noch vor der Sonne aufgestanden. Und da ich mich am Meer befand, ließ ich mir das Erlebnis der gegenseitigen Begrüßung nicht nehmen. Zugegeben, das ist im Winterhalbjahr leichter als im Sommerhalbjahr, aber der Weg zum Meer war auch noch einzurechnen.
Meistens brauchte die Sonne noch eine Strecke, um durch eine diffuse Horizontbewölkung hindurchzukommen. Je nach deren Dichte gab es dann einige Vorgeplänkel partieller Sichtbarkeit der Sonnenscheibe, bis sie dann mit praller Strahlkraft durchbrach und mich zwang, die Augen zu senken.
Dass die Sonne sich aus der Dunstschicht erhebt, ist auch an ihrer uneinheitlichen Färbung zu erkennen. Im unteren Bereich wird noch so viel Licht von der mit der Höhe sich verflüchtigenden (Warum?) Dunstschicht absorbiert, dass die Lichtintensität unseren Augen noch nichts anhaben kann. Es sind vor allem die langwelligen Anteile Rot und Gelb zu erkennen, die vom weißen Sonnenlicht nach der langen Passage schräg durch die Atmosphäre übrig bleiben. Im oberen Bereich der Sonnenscheibe ist bereits das gleißende Weiß des Sonnenlichts zu sehen ist, das kurze Zeit später die ganze Sonnenscheibe erfüllt.
Wenn man den Sonnenaufgang bewusst auf sich wirken lässt, wird man erstaunt sein, wie schnell die Sonne sich erhebt. Es dauert nur etwas mehr als 2 Minuten bis die Sonne ihren eigenen Durchmesser durchlaufen hat. Dieser Eindruck von Schnelligkeit entsteht vor allem deshalb, weil man den Horizont als Bezugslinie im Blick hat, von dem sich die Sonne entfernt.

Perspektivwechsel zwischen unten und oben

Wer kennt es nicht: Die Sonne scheint, es ist warm und man genießt das schöne Wetter. Doch plötzlich schiebt sich eine Wolke vor die Sonne. Und mit dieser temporären Eklipse geht nicht nur eine Verdunklung einher, bei nicht allzu hoher Lufttemperatur spürt man auch noch eine erhebliche Abkühlung. Wenn die Bewölkung sehr locker ist, gewinnt die Sonne schnell wieder die Oberhand und andernorts hat man das Nachsehen.
Wer sich auf einer Flugreise befindet, kann dasselbe Phänomen aus einer anderen – höheren – Perspektive erleben. Nach unten auf die locker verteilten Wolken blickend (siehe Foto) sieht sie oder er deren Schatten auf der darunter liegenden Erdoberfläche als erstaunlich abgedunkelten Bereich, in dem oft kaum noch Details zu erkennen sind. Der Kontrast zwischen den von oben erleuchteten Wolken und der wegen starker Lichtabsorption auch bei direkter Sonneneinstrahlung bereits relativ dunklen Erdoberfläche ist so groß, dass diese Schatten manchmal als dunkle strukturlose Wälder angesehen werden. Und in diesen dunklen Bereichen trägt sich zuweilen für die Dauer der Wolkenpassage (zeitlich abhängig von der Größe der Wolke und deren Geschwindigkeit) die eingangs skizzierte Geschichte aus der niedrigen Perspektiv zu.
Übrigens ist auf dem Foto die momentane Jahreszeit gut zu erkennen: Die Felder sind abgeerntet, das Grün ist den bräunlichen Erdtönen gewichen.

Noch sind viele Blätter grün

Dieses vermutlich vorzeitig gefallene auf dem Boden liegende grüne Blatt hat ein zwiespältiges Verhältnis zum Wasser. Einerseits lässt es sich vom Wasser nicht flächendeckend benetzen, ist also nicht total wasserliebend (hydrophil). Andererseits stößt es das Wasser nicht völlig ab und erlaubt einzelnen Tropfen und Tröpfchen die Blattoberfläche zu bedeckten. Lediglich in den grabenartig vertieften Bereichen der Blattadern werden größere Benetzungsgebiete dadurch erzwungen, dass die Tröpfchen infolge der Schwerkraft die Vertiefung ausfüllen.
Während die größeren Wasserflächen das Grün des Blattes kräftig hervortreten lässt, wird es in den übrigen von Tropfen bedeckten Bereichen erheblich ausgeblichen. Denn insbesondere die kleineren Tröpfchen streuen ähnlich wie Nebeltröpfchen das auftreffende Licht und „verwässern“ das Blattgrün. Dadurch und durch die selbstähnliche Struktur der unterschiedlich großen Tropfen ergibt sich insgesamt eine naturschöne Struktur, die wert ist auch einem gefallenen Blatt eines Blickes zu würdigen.

Lichtreflexionen am Strand

Es ist, als ob das Meer ein- und ausatmet. Dabei fließen Wellen den Strand hinauf und wieder hinab. In der im Foto festgehaltenen Situation hat sich das Wasser gerade zurückgezogen, bevor es wieder einen neuen Versuch startet, das Land zu erobern – im typischen Rhythmus des akustisch untermalten Auf- und Abschwellens.
Im Licht der Sonne ist die Grenze zwischen trockenfallendem Strand und dem Wasser ein mehr oder weniger breiter heller Streifen, der sich hier wie eine schwankende Diagonale durch das Bild zieht. In diesem Streifen ohne eindeutige Zugehörigkeit sind die Sandkörnchen noch so nass, dass jedes von ihnen das Licht in die Richtung reflektiert, die durch die Orientierung der spiegelnden Flächen vorgegebene Richtung wird. Bei so vielen Teilchen wird auch auf engstem Raum eine darunter sein, die Licht in unsere Augen lenkt, so dass es fast so aussieht als würde die Fläche als Ganzes spiegeln.
Auf dem nahezu trockenen Strand gibt es nach dem kurzfristigen Rückzug nur noch einzelne benetzte Flächen auf den Steinen, die zufällig so orientiert sind, dass wir das gespiegelte Licht sehen. Einen Schritt weiter würde es zwar auch nicht viel anders aussehen, aber dann sind es andere Flächenelemente, die uns das Sonnenlicht zuschicken.
Im flachen Wasser sind es zum einen wieder die benetzten Steine und einige Wellenflanken, die uns das Licht zuspiegeln. Hinzu kommen auf dem Wasser driftende weiße Schaumfladen, die das Licht diffus in alle Richtungen reflektieren (links unten).
Das Wasser ist ansonsten blau. Nicht weil Wasser an sich blau ist – dazu ist die Wasserschicht viel zu dünn, als dass man seine Farbe sehen könnte. Aus dem Alltag weiß man, dass die üblichen Schichtdicken von wenigen Dezimetern noch völlig farblos erscheinen. Vielmehr reflektiert es das aus fast allen Richtungen blaue Himmelslicht.

Streuexperimente in der Natur

In den letzten Wochen machen vermehrt morgendliche Nebel darauf aufmerksam, dass der Sommer zuende geht und der Herbst heimlich, still und leise Einzug hält. Wenn die Nebel nicht allzu dicht und hoch sind, hat die Sonne die Gelegenheit, ihrer Sichtbarkeit mit Hilfe der winzigen Wassertröpfchen, aus denen der Nebel besteht, eine besonders eindrucksvolle Form zu geben, nämlich als Sonnenstrahlen. Dieser Begriff ist ein wenig irreführend, weil er suggeriert, als würde man die Strahlen der Sonne, die an ganz anderen Stellen den Boden treffen von der Seite oder schräg von vorn sehen. Das ist so aber nicht richtig. Denn wir sehen nur Gegenstände, dessen Licht direkt in unsere Augen fällt. Allerdings gehen die von Löchern im Blätterdach der Bäume aus dem Sonnenlicht herausgefilterte Strahlen nicht ungehindert durch den Nebel. Sie treten in Wechselwirkung mit den Wassertröpfchen und werden dabei vor allem nach vor und seitlich abgelenkt (Mie-Streuung, Tyndall-Effekt). Auf diese Weise gelangt das Licht der Sonne in unsere Augen, ohne dass wir in die Sonne blicken. Wir sehen die Sonnenstrahlen also nur indirekt dadurch, dass die Tröpfchen oder auch andere Aerosole in der Atmosphäre das Sonnenlicht ablenken. Den Effekt der Vorwärts- und Seitwärtsstreuung kann man erkennen, wenn man um die „Sonnenstrahlen“ herumgeht und feststellt, dass sie von vorn gesehen am intensivsten strahlen, zur Seite hin immer schwächer werden und von hinten meist gar nicht mehr zu sehen sind.
In vielen Fällen kann man dort, wo die Strahlenbündel der Sonne auf dem Boden auftreffen, ovale Lichtflecken sehen – Sonnentaler.

Impressionen aus der Krummhörn 9

Die Dominanz des blauen Himmels macht sich in der überwiegenden Farbtönung des nebeligen Morgens bemerkbar. Die winzigen Wassertröpfchen des Nebels streuen das Himmelslicht in alle Richtungen, sodass das Blau alle anderen Farben übertönt. Damit geht eine eigenartige Stimmung einher, die noch dadurch verstärkt wird, dass Geräusche gedämpft werden und eine dumpfe Stille herrscht.

Ein Lichtblick im Schatten

H. Joachim Schlichting. Physik in unseer Zeit 52/4 (2021), S. 204

Ein Stein, der unter Wasser in einen Schatten gerät, reflektiert blaues Himmelslicht.

In der Badesaison können wir ein optisches Phänomen beobachten, über das sich genauer nachzudenken lohnt. Dazu stellen wir uns vor, dass eine Person bis zur Taille im klaren Wasser steht und auf die Kaustiken schaut, die durch die Wellen auf dem Sandboden projiziert werden.

Auf dem Foto in der oberen Abbildung sieht man den Schatten dieser Person auf dem Boden des Gewässers. Die Schattenränder erscheinen wegen der Unebenheit des Bodens und vor allem der welligen Wasseroberfläche mehr oder weniger stark deformiert. Die Kaustiken reichen aufgrund der Brechung des Lichts an der gewellten Wasseroberfläche teilweise bis in den Bereich des geometrischen Schattens hinein, der ansonsten weitgehend dunkel ist. Da das in den Kaustiken fokussierte Licht an anderen Stellen fehlt, erscheinen diese Bereichen dunkler, obwohl der Boden aus typisch hellem gelben Sand besteht.

Schaut man sich das Foto genauer an, so entdeckt man einen blauen Fleck im Bauchbereich des Schattens, der im Kontrast zum dunklen Schatten zu leuchten scheint. Dabei handelt es sich nur um einen auf dem Grund liegenden Stein (untere Abbildung). Auf den ersten Blick erscheint es äußerst rätselhaft, dass der Stein überhaupt im Schattenbereich zu sehen ist, also mehr Licht ausstrahlt als die Umgebung. Da der bei Tageslicht weiß erscheinende Stein (Abbildung 3) kaum selbstleuchtend sein dürfte, kann das Licht nur vom blauen Himmel stammen. Anders als das Sonnenlicht hat dieses ja von den Seiten freien Zugang zum Stein und wird entsprechend von diesem reflektiert.

Bei diesen beiden Steinen im Sonnenlicht unter Wasser erkennt man rechts unten die für den Effekt wichtige weiße Farbe des Steins.

Hier ergibt sich fast zwangsläufig die Frage, warum der sandige Untergrund nicht ebenfalls eine blaue Färbung annimmt. Im Sonnenlicht, das alle Spektralfarben enthält, erscheint der Sandboden gelb, weil er vor allem die Komplementärfarbe, also blaues Licht absorbiert. Das blaue Himmelslicht wird daher weitgehend vom Sandboden absorbiert, sodass dessen diffuse Reflexion kaum zur Aufhellung des solaren Schattenbereichs beiträgt.

Der weiße Stein, der so gut wie alle Farben, also auch das Blau, reflektiert, erscheint demgegenüber im Vergleich zur Umgebung stark aufgehellt. Hinzu kommt, dass er merklich über den flachen Grund hinausragt und daher vor allem an den Seiten aufgehellt wird.

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Die Fotos stammen aus einem Beitrag von Gerda Kazakou. Ich bedanke mich für die Abdruckgenehmigung.


Von heute an nehme ich wieder mal eine Auszeit in der netzfreien Zone und kann wEder auf kommentare reagieren noch Gegenbesuche abstatten. Ich habe aber mit einigen Posts in dieser Zeit vorgesorgt 🙂

 

Eine Trinkflasche mit Regenbogenambitionen

Eine transparente Plastiktrinkflasche steht auf der Fensterbank im Sonnenlicht. Dieses fällt etwas nach links verschoben von vorn oben ein. Abgesehen von einer intensiven Lichtstreuung im oberen Bereich der Flasche, die so intensiv ist, dass die Details überstrahlt werden, fallen einige spektralfarbene Streifen auf.

Zum einen fällt ein regenbogenfarbiger Teilkreis auf ein Blatt weißes Papier, das ich der besseren Sichtbarkeit vor mir auf den Schreibtisch gelegt habe. Er entsteht dadurch, dass das Licht beim schrägen Auftreffen auf die Wasseroberfläche in der Flasche gebrochen wird. Die gerundete Wasserschicht wirkt gewissermaßen wie ein Prisma, durch das das weiße Licht zum Einfallslot hin gebrochen wird und zwar zunächst beim Auftreffen auf das Wasser und anschließend beim Verlassen des Wassers. Weil es dabei auf eine kreisrunde Front trifft wird es nicht nur nach unten, sondern auch zur Seite abgelenkt. Dadurch ergibt sich in der Projektion auf dem Tisch, ein runder Lichtstreifen, der länger ist als der Querschnitt der Flasche.

Da der Brechungsindex nicht nur vom brechenden Material, dem Wasser, abhängt, sondern auch von der Wellenlänge des Lichts, wird das Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen: kurwelliges Licht (vor allem Blau) wird stärker (zum Einfallslot hin) gebrochen als langwelliges (vor allem Rot). Daher liegt der rote Streifen außen und der blaue innen. Ganz sauber gelingt die Aufspaltung in Farben nicht, weil die Kunststoffwand der Flasche nicht ganz homogen ist.

Zum anderen beobachtet man zwei spektralfarbene Streifen auf dem unteren Teil des Fensterrahmens. Sie kommen dadurch zustande, dass das unterhalb der Wasseroberfläche einfallende Sonnenlicht zunächst gebrochen und dadurch nicht nur zum Einfallslot hin abgelenkt, sondern auch spektral zerlegt wird. Anschließend trifft das sich auf diese Weise verjüngende Lichtbündel auf die Innenwand der Flasche (auf die man blickt), wird dort teilweise reflektiert und schließlich beim Wiederaustritt aus der rückwärtigen Wand der Flasche abermals gebrochen. Dabei tritt wie bei der Entstehung eines Regenbogens in einem Wassertropfen eine deutliche Verstärkung des Lichts auf, so dass zu jeder Seite bei einem bestimmten Winkel ein farbiger Streifen zu sehen ist. Jenseits dieses Winkels kommt kein Licht mehr an. Die im übrigen Bereich gebrochenen farbigen Lichtstrahlen mischen sich wieder zu weißem Licht. Wir haben wir es also hier mit einem regenbogenartigen Phänomen zu tun, das wegen der Zylindergeometrie der Flasche jedoch nur auf eine Ebene beschränkt ist.

Schließlich sieht man innerhalb der Flasche noch so etwas wie ein helles Rechteck. Es kommt dadurch zustande, dass ein Teil des durch die Flasche hindurchstrahlenden Lichts  beim Durchgang durch die Kunststoffwand teilweise an Inhomogenitäten des Materials gestreut und gebrochen wird. Es gelangt auf diesem Wege ins Auge des Betrachters gerät und wird sichtbar.

Ein Wechselspiel zwischen Tropfen und Blasen

Dieser Zufallstreffer einen Fotos hält die äußerst kurze Situation fest, in der ein Wassertropfen in eine Regentonne fällt und der Beobachter gerade so steht, dass das Licht im Regenbogenwinkel in seine Augen gelangt. Einige Farbtupfer werden im Foto festgehalten. Weiterlesen

Der Pi-Tag – der kreisförmigste aller Tage


Eigentlich müsste man sich darüber wundern, dass ein ins Wasser geworfener Stein, der zunächst ein Chaos von Wasserbewegungen auslöst, unmittelbar anschließend alles in eine harmonische Ordnung zurückbringt: Es entstehen Kreise über Kreise. Und die Seele dieser Kreise ist eine Zahl, das Pi (oder besser π). Und heute ist es mal wieder so weit wir feiern (naja, nicht alle aber einige Nerds) den kreisförmigsten alle Tage des Jahres, den Pi-Tag – nach der amerikanischen Schreibweise für das heutige Datum: 3.14.
Wem das irrational erscheint, der hat völlig recht. Denn Kreise, so real und rational sie auch sein mögen, tragen im tiefsten Innern etwas sehr Irrationales, das Pi. Das macht die Kreise und damit das Pi so menschlich. Man denke nur an die Gedanken, die nachts wenn man mal wieder nicht schlafen kann, die Runde machen und dabei vielleicht nur um sich selbst kreisen. Egal ob Gedanken mit kleinem oder großem Durchmesser, alle müssen mit Pi (= 3,1415…usw.) multipliziert werden, um alle Ecken und Kanten zu verlieren und schön rund zu werden.
Selbst die Form unseres Kopfes ist dadurch auf die eine oder andere Weise rund geworden, sei es nur eher in Zylinder-, Birnen- oder Eierform. Man kann das auch umdrehen und mit Francis Picabia (1879 – 1953) zu der Ansicht gelangen: Unser Kopf ist rund, damit das Denken die Richtung wechseln kann. Deswegen gilt er auch nicht als zentrischer sondern exzentrischer Ausnahmekünstler, der u. A. zu der wichtigen Erkenntnis kam: „Hier ist hier“. Aber auch das Exzentrische definiert sich in Bezug auf das zentrische, wobei man wieder beim Pi ist.
Wer Interesse an früheren Pi-Tagen dieses Blogs hat, findet sie hier und hier und hier.

Wie irrational ist es, dass die größten Spritzer im obigen Foto blau sind?

Leuchtende Lampions in den winterlichen Bäumen

Die ansonsten nicht gerade zimperliche Waldrebe überrascht durch ihre filigranen, silberfarbenen Samenstände, die besonders in der farbarmen Winterzeit auffallen. Jedes Früchtchen ist mit einem Federschweif ausgestattet, der als Flugorgan zur Ausbreitung durch den Wind dient.
Wenn sich wie in den vergangenen Tagen, die tiefstehende Sonne in den Schweifen verfängt, leuchtet der ganze Samenstand wie ein Lampion, indem das Licht an den zahlreichen feinen Filamenten gestreut wird (Fotos). Weiterlesen

Doppelreflexe der Sonne auf dem Wasser

Die Wasseroberfläche besteht aus einem fast spiegelglatten und einem etwas welligen Teil. Auf dem glatten Teil im Vordergrund ist ein Spiegelbild der Sonne zu sehen, das an einer durch den Beobachter und der Höhe der Sonne gegebenen Stelle (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) zu sehen ist. Die Spiegelglätte dieses Teils der Wasseroberfläche ist außerdem gut zu erkennen an den Spiegelbildern der Spitzen zweier Bäume vom gegenüberliegenden Ufer. Außerdem wird die Blaufärbung des Himmels mit ihrer Verblassung zum Horizont hin gut wiedergegeben.
Im welligen Abschnitt des Gewässers (es handelt sich um einen Fluss mit von der Strömung weitgehend ausgenommenen Randbereichen) sieht man einen Teil des Schwerts der Sonne. In diesem Bereich wird die Sonne an den passenden Neigungen der räumlich und zeitlich variierenden kleinen Wellen in unsere Augen bzw. die Kamera reflektiert. Weiterlesen

Sie konnten zueinander nicht kommen…

Während die schemenhaft zu erkennenden Blätter auf dem Grund des Teiches bereits seit längerem ihrer natürlichen Bestimmung nachgehen, nämlich sich zu zersetzen, warten zwei zu spät gekommene Blätter gewissermaßen vor der Tür. Sie waren zu spät dran und inzwischen hat sich eine Eisschicht dazwischen geschoben, die die Vereinigung verhindert. Im Moment können sie mit ihren Schicksalsgenossen nur mit Abstand kommunizieren. Aber warum sollte es ihnen besser gehen als uns Menschen.
Aber eigentlich wollte ich nur eine, wie ich finde, naturschöne Situation zeigen. Die Eisschicht ist übrigens durch eingefrorene Schneeflocken wie Strukturglas modelliert. Der schwache Grau-Blauschimmer reflektiert den bedeckten Himmel. Und nur dort, wo dieses „störende“ Licht durch den Schatten eines Baumes abgeblockt wird, schafft es das von den Untergrundblättern ausgehende Licht einen schemenhaften Eindruck auf unserer Netzhaut zu hinterlassen.

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

Heute morgen begrüßte mich der Mond in Begleitung von Venus

Heute Morgen gegen 6:30 Uhr begrüßt mich der bis auf eine kleine Sichel geschrumpfte Mond gemeinsam mit Venus. Die Sonne, von der selbst noch nichts zu sehen ist, strahlt ihn fast von hinten an, sodass man nur den Rand erleuchtet sieht. Übermorgen fällt ihm die Sonne ganz in den Rücken, dann können wir nur noch ahnen – oder wer es genauer wissen will – berechnen, wo er sich gerade rumtreibt. Man spricht dann von Neumond, weil er in einen neuen Zyklus zunehmender Beleuchtung eintritt und uns beginnend mit einer nunmehr umgekehrt gekrümmten Sichel durch den „Monat“ führt. 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

Von den blauen Bergen kommen wir

Der Nachkriegsschlager „Von den blauen Bergen kommen wir“ klingt mir noch heute in den Ohren. Als Kinder sangen wir zu der eingängigen Melodie den folgenden „Protestsong“:

Von den blauen Bergen kommen wir,
Unser Lehrer ist genauso dumm wie wir,
Mit der Brille auf der Nase sieht er aus wie’n Osterhase,
Von den blauen Bergen kommen wir.
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Wie macht der Kohlweißling sein Weiß?

Immer wenn ich den Kohlweißling (Pieris rapae) beobachte, bin ich von seinem makellosem Weiß und dem effektvoll kontrastierenden schwarzen Punkt auf seinen Flügeln beeindruckt. Nachdem ich mir an einigen anderen Beispielen (z.B. hier und hier) klar gemacht habe, dass hinter der Weißheit meist keine Licht absorbierenden Pigmente, sondern andere physikalische Vorgänge stehen, bin ich der Sache etwas auf den Grund gegangen.
Farben von Gegenständen entstehen dadurch, dass sie von weißem Licht, z.B. Sonnenlicht, bestrahlt werden, mit dem Licht in Wechselwirkung treten und die nicht absorbierten Anteile wieder ausstrahlen. Die Wechselwirkungen bestehen zum einen darin, dass Pigmente einzelne Wellenlangen des weißen Lichts absorbieren und die Komplementärfarbe als Farbe des Gegenstands wieder aussenden. Zum anderen können sie aber auch von der Struktur des Gegenstands mitbestimmt werden, indem das einfallende Licht durch Interferenz, Beugung und/oder Streuung modifiziert wird. Dabei spielen strukturelle Variationen der Materialien eine entscheidende Rolle.
Bei der Farbentstehung der Schmetterlingsflügel spielt die Struktur der Schuppen, die nach einem allgemeinenen Bauplan in einem mehr oder weniger regelmäßigen Muster angeordnet sind, eine wichtige Rolle.  Die Struktur der weißen Flügelschuppen des Kohlweißlings unterscheidet sich in charaktereistischer Weise von der anderer Schmetterlinge. An rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen* erkennt man, dass die Kreuzrippen dicht mit eiförmigen Perlen verziert sind. Diese Perlen streuen das einfallende Licht in alle Richtungen und erhöhen das Reflexionsvermögen der Flügel für alle Wellenlängen, sodass ein kräftiges Weiß entsteht (siehe untere Abbildung rechts). Im Bereich des charakteristischen schwarzen Flecks des Schmetterlings fehlen diese Perlen, sodass das einfallende Licht weitgehend absorbiert wird und er schwarz erscheint (untere Abbildung links).
Weitere Mechanismen für die Erzeugung der Farbe Weiß in der Natur findet man z.B. beim Schnee, der Blüte des Buschwindröschens und der Schneebeere.


Quelle
* Stavenga D.G., Stowe S., Siebke K., Zeil J. und Arikawa K.. Butterfly wing colours: scale beads make white pierid wings brighter. Proc. Roy. Soc. Lond. B 271 (1548), 1577–1584 (2004)

Stockwerke des Himmels

„Stockwerke des Himmels“ sind mir immer mal wieder in mythologischen und religiösen Texten begegnet. Ich konnte mir das bislang nicht so recht vorstellen – bis ich diesen Sonnenuntergang erlebte, in dem die Sonne von einem Stock in den nächst niedrigeren stieg… 😉

Physikalisch gesehen ist die Sache indes klar. Wolkenbänke treiben auf die Küste zu. Aufgrund der perspektivischen Verkürzung erscheinen sie zu schmalen Bändern gestaucht, durch die die Sonnenstrahlen hindurchbrechen. Auch das scheinbare Auseinanderlaufen der Strahlen ist ein Perspektiveneffekt.

 

Küsten sind meist weiß berandet

Phänomenologisch verschiedene Bereiche der Natur werden oft in äußerst kreativer Weise durch eine auffällige Markierung berandet. So sind Blätter von Bäumen im Sommer oft von gleißend hellen Linien der Lichtstreuung umgeben, während sie im Winter eher von Reifkristallen eingerahmt erscheinen und berandete Wolken und berandete nasse Blätter, berandete Dünen in der Sandwüste…
Ein weiteres meist von einer höheren Warte aus zu beobachtendes Phänomen sind die hellen Ränder an den Meeresküsten (Foto). Es handelt sich um das weiß schäumende Wasser der brandenden Wellen und man fragt sich vielleicht, warum sie unabhängig vom jeweiligen Küstenverlauf stets senkrecht einlaufen.
Die je nach der Windrichtung, den Meeresströmungen und anderen Einflüssen aus einer bestimmten Richtung gegen die Ufer anlaufenden Wellen werden in dem Maße wie ihre Höhe die Größenordnung der abnehmenden Wassertiefe erreicht im unteren Bereich durch Reibung mit dem Boden gebremst. Weil die Seite der schräg einlaufenden Wellen, die zuerst Bodenkontakt erfährt zuerst gebremst und verlangsamt wird und sich dieser Prozess über die ganze Länge der Front fortsetzt, kommt es zu einem Einschwenken der Welle bis sie nahezu senkrecht zum jeweiligen Uferabschnitt weiterläuft. Dabei wird sie im unteren Bereich so stark gebremst, dass sie aus Trägheit im oberen Bereich weiterlaufend sich überschlägt und weißschäumend und tosend ihre Bewegungsenergie verbraucht, d.h. durch Wärme an die Umgebung abgibt.
Da der Schaum des brandenden Wassers aus zahlreichen Luftbläschen besteht, an denen das Licht in alle Richtungen vor allem durch Totalreflexion gestreut wird, erscheint es uns weiß.

Blau wie das Meer

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 3 (2020), S. 66

Mit tausend Augen blickte der Fluß ihn an,
mit grünen, mit weißen,
mit kristallnen, mit himmelsblauen
Hermann Hesse (1877–1962)

Im Alltag erscheint uns Wasser völlig transparent. Tatsächlich hat es eine blaue Eigenfarbe – doch die bemerkt man erst beim Blick durch dicke Schichten. Zusätzlich verändern Reflexionen und Schwebeteilchen den optischen Eindruck.
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Rätselfoto des Monats Februar 2020

Warum ist einer der Kondensstreifen rot? Weiterlesen

Wenn Blüten zu Lampen werden

Ich bin immer wieder fasziniert von Blüten, die im Licht der Sonne zum Leuchten angeregt werden, wie hier das noch in prächtigen Farben blühende Springkraut. Solange es noch nicht sein letztes Pulver verschossen hat – es ist immer wieder eine faszinierende Erfahrung, die kleinen Körnchen zum Spingen zu bringen – kann man sich bis in den Herbst hinein daran erfreuen.
Diese Aufnahme wurde vor ein paar Tagen im Lichte der tiefstehenden Herbstsonne gemacht.

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)

Zur „Weißheit“ des Seifenschaums

In einem kürzlich gesendeten Beitrag im Rahmen der Sendung mit der Maus wird für die Kinder erklärt, warum Seifenblasen weiß erscheinen, obwohl die einzelnen Blasen durchsichtig sind. Die Erklärung geht so, dass eine zunächst ebenfalls transparente Glasscheibe zertrümmert und zerbröselt wird, bis auch dieses Glasgranulat weiß aussieht. Ein Schulkind fragte mich daraufhin mit Recht: Und warum ist zerstoßenes Glas weiß? Um die Sache auf die Spitze zu treiben antwortete ich spaßeshalber: Das ist wie beim Seifenschaum, je kleiner die Bläschen, desto weißer erscheint der Schaum. Weiterlesen

Silberstreifen am Horizont

In diesen dunklen Zeiten kann ein Silberstreifen am Horizont wahrlich erhellend und aufhellend sein. Das gilt im tatsächlichen wie im übertragenen Sinne.

Es war Gustav Stresemann (1878 -1929), der 1924 in einer Rede zu den damals noch akuten Reparationsverhandlungen zum 1. Weltkrieg diese eindringliche Metapher prägte. Wörtlich sprach er von einem: „Silberstreifen an dem sonst düsteren Horizont“.[1]

Auf dem Foto sieht man in einer Situation in der der Himmel von dunklen Wolken bedeckt ist eine Wolkenlücke, die den Blick auf eine dünnere von der Sonne aufgehellte Wolkenschicht erlaubt. Die Aufhellung war allerdings nur kurze Zeit zu sehen; kurz nach dem Fotografieren versank wieder alles im trostlosen Dunkel.

Eine kleine extrasolide Modellerde

Ich besitze seit längerem eine fein polierte Steinkugel, die durch eine schöne Struktur besticht. Als sie kürzlich vor mir auf einem weißen Blatt Papier lag, war mir, als blickte ich auf eine unbekannte Erde, sozusagen aus dem Weltraum. Denn es zeigte sich, dass sie von einer zarten blauschimmernden Atmosphäre umgeben zu sein scheint. Dass man den Blauschimmer nur sieht, wenn man tangential auf den Rand der Kugel blickt, könnte man sich damit erklären, dass der Blick durch eine vergleichsweise lange Strecke der Atmosphäre geht, sodass sich die Lichtstreuprozesse bis zur deutlichen Sichtbarkeit aufsummieren. Weiterlesen

Das Land mit den blauen Schatten

So sieht der Blick gemalt aus, den ich einige Tage* vor Augen haben werde, wenn ich nicht gerade am Strand bin, um mich u.a. an den unterirdischen Vorgängen von Ebbe und Flut zu erfreuen, die sich äußerst subtil akustisch wie visuell für diejenigen offenbaren, die nicht nur mit verstöpselten Ohren am Ufer entlang joggen. Weiterlesen

Parallele Dämmerungsstrahlen

Die aus Richtung der untergehenden Sonne ausgehenden dunklen Strahlen könnte man als inverse Dämmerungsstrahlen ansehen. Dämmerungsstrahlen entstehen dadurch, dass das von der Sonne ausgehende Licht durch massive Wolken weitgehend abgeblendet wird und nur durch eng begrenzte Wolkenlücken gelangt. Diese Lichtbündel werden an Partikeln der trüben Luft (Wassertröpfchen, Staubteilchen) in alle Richtungen gestreut also auch zum Betrachter hin, der das Sonnenlicht auf diese Weise indirekt zu Gesicht bekommt. Er sieht also in Wirklichkeit zahlreiche winzige Teilchen auf dem Weg der Sonnenstrahlen leuchten. Weiterlesen

Was wären wir ohne Staub?

sonnenstrahlen_dscf5420Ohne den Staub,
worin er aufleuchtet,
wäre der Strahl nicht sichtbar.

André Gide (1869 – 1951)

Dass hier Lichtstrahlen durch die Öffnungen im Blätterdach der Bäume brechen, „sieht“ man nur, weil feinste Wassertröpfchen das Sonnenlicht, von dem sie getroffen werden, in alle Richtungen aussenden, sodass es auf diese Weise auch unsere Augen erreicht.
Daraus wird oft der Schluss gezogen, dass man Licht an sich nicht sehen kann. Dies sagt vielleicht etwas über die Vorliebe zu paradoxen Aussagen aber nicht zur Eigenschaft des Lichts.  Denn wie es unmittelbar einleuchtend (sic!) sein sollte, können wir nur etwas sehen, wenn Licht in unsere Augen fällt. Nur dadurch dass uns Gegenstände Licht zusenden, sieht man sie. Und wenn das Licht, das durch das Blätterdach fällt, nur gesehen wird, wenn Streuteilchen vorhanden sind, so spricht das nicht für dessen Unsichtbarkeit. Wir sagen ja auch nicht, Schall sei unhörbar, nur weil er in einer gegebenen Situation unsere Ohren nicht erreicht.

 

 

Glühender Wolkenrand

Auch wenn die Sonnenuntergänge in den letzten Tagen meist durch Wolken verstellt werden, kann man sich an den Projektionen des Sonnenlichts an den Wolken in ihren unterschiedlichen Ausprägungen erfreuen. Gestern dominierte der blendend helle fraktale Rand einer ganzen Wolkenfront das Geschehen, die vor der gleichfalls absinkenden Sonne emporkam. Eine Zeit lang sah es so aus als orientierte sich die Natur mit dieser glühenden Linie an dem alten Zaun der Pferdekoppel. Dieser wurde dadurch gleichsam in einen kosmischen Zusammenhang gestellt.

Rätselfoto des Monats April 2018


Was spielt sich hier ab? Weiterlesen

Brandwolken allerorten

Sie stehen, und schauen der fernen Brandwolke zu : wie die sich verfärbt=verformt ; weiß wird, und nach der Seite ausbricht ; wieder neu ansteigt (grau!) – Kopfschütteln

Arno Schmidt. Abend mit Goldrand. Frankfurt 1975, S. 6

Sonnenstrahlen im Winter

Was man im Sommer nur am frühen Morgen erlebt, ereignet sich im Winter auch mal um die Mittagszeit: Sonnenstrahlen die fast waagerecht von der Seite kommen. Vorausgesetzt die Sonne scheint und es ist auch mittags noch dunstig. Weiterlesen

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