Nebel

Gestreifter Sonnenaufgang

Sonnenaufgang im Nebel

Der in dieser Zeit wieder vermehrt auftretende Morgennebel ruft eine besondere Stimmung hervor. Darin ist vermutlich die Botschaft verborgen, dass der Sommer allmählich zur Neige geht.

Schattenbäume

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

Auf zu neuen Horizonten!

Das sagt sich leicht, stellt sich aber oft so dar wie in diesem Foto.

Bäume und Schattenräume

Auch wenn man unter Schatten meist etwas Flächenhaftes versteht, gehören auch die Räume dazu, die von der Sonne aus gesehen hinter dem Schattengeber liegen. Man sieht diese Räume nicht, weil Luft weitgehend transparent ist und von dort kein Licht in unsere Augen gelangt.
Sobald aber Licht streuende Teilchen, z.B. in Form von Nebel (kleine Wassertröpfchen) die Luft „verwässern“, wird Licht an ihnen gestreut und gelangt auf diese Weise in unsere Augen. Lediglich die Bereiche, in die kein Licht gelangt – das sind gerade die Schattenräume hinter den Schattengebern – bleiben davon ausgenommen und erscheinen uns daher (auf einem Foto) im Unterschied zur übrigen aufgehellten Umgebung dunkel.
Sofern man keinen Unterschied zwischen dem Schatten der Bäume (siehe Foto) und dem Schattenraum hinter den Bäumen erkennt, kommt es zu diesem auf dem ersten Blick seltsam erscheinenden dunklen Gebilde (rechts von der Bildmitte). Wenn man genau hinschaut, kann man den schattengebenden Baum durch die dunkle Schattensäule hindurch schimmern sehen (zum Vergrößern klicken).

Abprallendes Licht

Die Situation liegt schon lange zurück. Aber angesichts dieser morgendlichen Erscheinung (siehe Foto), wurde ich wieder einmal an sie erinnert. Ich ging seinerzeit mit meinem damals kleinen Sohn im Wald spazieren und wir sahen ein ähnliches Phänomen. Mein Sohn sagte dem Sinne nach: Das Licht prallt am Baum ab wie wenn man mit einem Wasserschlauch gegen einen Gegenstand spritzt. Ich war deshalb etwas verwirrt, weil ohne den Baum im Wege ein ähnlicher Anblick zu beobachten war. Allerdings mied man diesen Anblick, weil einem die Sonne unangenehm blendete. Und Unangenehmes blendet man gerne aus, sodass es oft als nichtexistent angesehen wird.

Eine einfache Erklärung für die sogenannten Lichtstrahlen findet man z.B. hier.

Eine Vereinigung von Glorie und Heiligenschein

Dass mein Kopfschatten auf der taufeuchten Wiese kurz nach Sonnenaufgang von einem Heiligenschein umgeben ist, bin ich auf meinen Wanderungen in der Krummhörn gewohnt. Jedenfalls, wenn die Sonne scheint. Heiligenscheine ohne diesen natürlichen Hintergrund habe ich noch nie gesehen, weil sie wohl nur echten Heiligen vorbehalten sind und die machen sich in unserer Zeit ziemlich rar.
In den Bergen oder vom Flugzeug aus erlebt man noch eine andere Art natürlichen Kopfschmucks, die Glorie, die auf einer Nebelwand oder auf Wolkenbänken den eigenen Kopfschatten umgibt. Erst kürzlich konnte ich eine solche Glorie zeigen. Heute hatte ich nun das seltene Glück, mit dem Aufgang der Sonne nicht nur meinen Heiligenschein um den Kopfschatten auf dem feuchten Gras zum Begleiter zu haben, sondern zusätzlich (welch Verschwendung!) eine Glorie, die sich in dem leichten und als solchen in der Entfernung kaum zu erkennenden Nebel entfaltete. Wegen der Entfernung dieser unverdienten Insignien gingen beide ineinander über und waren rein visuell nicht zu trennen. Trotzdem ist ihr Ursprung verschieden. Während der Heiligenschein vor allem durch die Rückstrahlung des durch die Wassertröpfchen auf die Grashalme fokussierten Lichts hervorgerufen wird, entsteht die Glorie durch die gleichzeitige Beugung und Rückstrahlung des Sonnenlichts in den winzigen Nebeltröpfchen. Durch die Beugung wird das weiße Licht in Spektralfarben zerlegt, die sich ringförmig um den Schattenkopf legen. Im vorliegenden Fall dominieren die langwelligen Gelb- und Rottöne.
Je mehr sich mir infolge der zunehmenden Sonnenhöhe der Kopfschatten näherte, desto mehr verloren die Farbringe an Brillanz um schließlich ganz zu verschwinden. Dafür war zum einen die Zunahme der Sonnenintensität verantwortlich, die dem Nebel allmählich den Garaus machte, zum anderen bedingte der steilere Einfall des Sonnenlichts einen kürzeren Weg durch den verbleibenden Nebel, sodass immer weniger Wassertröpfchen beteiligt waren. Es dauerte dann auch nicht mehr lange, bis der Nebel und damit auch die Glorie ganz verschwunden waren und einen schönen, sonnigen Tag hinterließen. Leider hatte ich keinen guten Fotoapparat dabei, sondern nur ein Handy. Die Qualität des Fotos ist also nicht so gut, wie es hätte sein können.

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.

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.

Farbumkränzter Schatten auf einer Nebelbank

Glorien sieht man nicht alle Tage. Nicht nur weil sie bestimmte Bedingungen erfordern – Nebel und tiefstehende Sonne – sondern auch Jemand, der auf ein außergewöhnliches Phänomen gefasst ist. Letzteres dürfte im normalen Alltag jedoch kaum der Fall sein. Die meisten Phänomene nimmt man daher vor allem im Urlaub oder während ähnlicher „Auszeiten“ wahr, in denen man die Muße hat, sich auch einmal bewusst „anzuschauen“ durch was die eigenen Netzhäute belichtet werden. Ich denke, dass es im vorliegenden Fall eines Fotos von Johanna Benseler wohl auch so gewesen ist. (An dieser Stelle noch einmal vielen Dank für das schöne Foto!)
Man blickt mit der Sonne im Rücken auf eine Nebelwand und sieht zunächst einmal seinen Schatten, der normalerweise von den Füßen beginnend auf der Fläche vor einem „ausgerollt“ wird. In diesem Fall stößt man jedoch auf eine Nebelwand, die je nach Dichte des Nebels ebenfalls in der Lage ist – in diesem Fall wenigstens schemenhaft – einen Schatten „aufzufangen“. Der Kopf- und Rumpfteil des Schattens befindet sich hier in der Nebelwand.
An der perspektivischen Verkleinerung des Kopfschattens auf der Nebelwand im Vergleich zu den Beinschatten auf dem Boden erkennt man deren relativ großen Abstand von der Fotografin. Und dieser winzige Kopf wird von farbigen Kreisen umgeben, die hier zumindest schemenhaft zu erkennen sind. Sie kommen dadurch zustande, dass das Sonnenlicht in den Nebeltröpfchen in etwa in derselben Richtung zurückgestrahlt wird, aus der es kommt. Und da sich die Sonne genau hinter dem realen Kopf befindet, sieht man das retroreflektierte Licht in einem gewissen Randbereich zum Kopfschatten. Die meisten Strahlen werden indessen vom Kopf ausgeblendet. Dabei kommt es durch Beugung in den Tröpfchen zu den Farberscheinungen.

Derartige Umkränzungen des Kopfschattens findet man auch in ähnlichen Situationen.

Eine Wolke wie ein Pfeil

Aufwärts

An diesem windstillen Tag sieht man schon von weitem eine steil bis in die Wolken reichende vermeintliche Rauchfahne. Aus einem günstigen Blickwinkel (Foto) erkennt man, dass es kein Rauch, sondern Wasserdampf ist, der senkrecht über dem Kühlturm eines Kohlekraftwerks steht. Man kann auch sagen, es ist eine Wolke. Eine besondere Wolke, denn sie ignoriert die diffuse natürliche Bewölkung, die an diesem Tag natürlicherweise vorhanden ist. Ja, sie durchdringt sogar eine kaum als Wolke zu erkennende Schicht wie ein Pfeil, dessen Spitze darüber wieder zum Vorschein kommt.
Diese Konstellation gibt zum einen Hinweise auf die Höhe der Wolken und zum anderen zeigt sie wie schwierig es ist, am bewölkten Himmel die Anordnungen und Entfernungen zwischen den verschiedenen Wolkenschichten einigermaßen plausibel einschätzen zu können.
Der enorme Auftrieb, der sich in dieser Nebelfahne über dem Kühlturm zeigt, weist auf einen deutlichen Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und dem aufsteigenden und sofort kondensierenden Wasserdampf und damit indirekt auch auf die zur Kühlung eines konventionellen Kraftwerks nötigen Energieverluste hin.

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.

Rätselfoto des Monats Mai 2021

Wie kommt es zu den spektralen Farbsystemen?

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Erklärung des Rätselfotos des Monats April 2021

Frage: Wie kommt es zu den Feuchtigkeitsstrukturen?

Antwort: Es ist neblig, feucht und kalt (wenige Grad über Null). Aber die noch sehr tief stehende, den leichten Nebel durchdringende Sonne verheißt einen sonnigen Tag. Der aluminiumverkleidete Universitätsbau ist mit Feuchtigkeit „beschlagen“. Die Feuchtigkeit rührt von den Wassertröpfchen des leichten Nebels her, die durch den Wind gegen die Gebäudewand strömen und hier haften bleiben. Das Phänomen ist in manchen warmen und unter Trockenheit leidenden Ländern vertraut. Der Morgennebel wird von einer Brise beispielsweise gegen die Olivenbäume getrieben, an deren Stämmen Wassertröpfchen hängen bleiben und anschließend herunter laufen. So kommt es auch ohne Regen zu einer mäßigen aber regelmäßigen Bewässerung.
Es bleibt die Frage, warum die Wand nicht gleichmäßig benetzt wird, sondern ovale feuchte Gebiete innerhalb der rechteckigen, von durchgehenden Metallsprossen begrenzten Felder entstehen. Die trockenen Ränder sind Ausdruck der Tatsache, dass der Wärmeübergang von innen nach außen ungleichmäßig erfolgt. Die Felder sind innen mit Isoliermaterial ausgefüllt. Nicht aber die Begrenzungssprossen. Sie stellen offenbar relativ gut leitende Wärmebrücken dar. Der dadurch bedingte größere Energiestrom führt zu einer schnelleren Verdunstung des dünnen Wasserfilms als in den wärmeisolierten Feldern. Da sich die von den Sprossen abgeleitete Wärme auch noch etwas seitlich ausbreitet, in den Ecken sogar von zwei senkrecht miteinander verbundenen Sprossen, ergeben sich zwangsläufig Abrundungen, die zu den ovalen Bereiche führen, in denen die Isolierung gut und die Verdunstung des Wassers nicht so stark ist.

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.

Rätselfoto des Monats April 2021

Wie kommt es zu den Feuchtigkeitsstrukturen?

Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2021

Frage: Wie kommt es zu diesem Phänomen?

Antwort:
Bei einer Teepause, in der ich ein Stück Kandis in den Tee fallen ließ, entstand eine Blase und eröffnete mir einen kurzen Linsenblick auf das Stück Kandis. Dieses erschien nämlich deutlich verkleinert, so als ob man durch eine Zerstreuungslinse blickte. Wie kann das sein?
Da der Blase ohnehin nur eine kurze Lebensdauer beschieden war und die geselligen Umstände es unmöglich machten, der Sache vor Ort auf den Grund zu gehen, rekonstruierte ich die Situation später in einer Tasse mit Wasser und einem Tropfen Spülmittel und nahm einen Strohhalm zu Hilfe, mit dem ich auch noch die Größe der Blasen bestimmen konnte. Und anstelle des Kandis, legte ich eine Cent- Münze auf den Grund der Tasse.
Mit einer solchen Anordnung lässt sich schön verfolgen, dass die Münze wie ehemals der Kandis durch die Blase hindurch betrachtet tatsächlich verkleinert erscheint und zwar umso mehr je kleiner die Blase ist.
Zur Erklärung muss man sich zunächst klarmachen, dass es sich bei der Blase um eine Halbblase handelt und selbst das stimmt nur ungefähr. Damit eine Blase überhaupt als solche existieren kann, muss der Innendruck größer sein als der Außendruck. Denn die Tendenz der Seifenhaut, sich zu einem kugelförmigen Tropfen zusammenzuziehen muss durch einen höheren Innendruck kompensiert werden. Dadurch wird nicht nur die Seifenhaut straff gehalten, sondern im Falle der auf dem Wasser driftenden Halbblase auch die Wasseroberfläche ein wenig wie eine konkave Linse eingedellt. Blickt man durch eine solche Zerstreuungslinse, so erscheinen die durch sie betrachteten Gegenstände, also hier die 1-Cent-Münze verkleinert. Die verkleinernde Wirkung ist umso größer, je kleiner die die Blase und damit die Brennweite der von ihr geformten Linse ist .
In der obigen Abbildung ist die Blase wegen ihrer Transparenz nur indirekt zu erkennen – durch die tassenfarbene Spiegelung auf dem konkaven Rand der Blase und durch Interferenzfarben im Bereich des Spiegelbilds des lichtspendenden Fensters.

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 →

Kleine Wassertropfen ganz groß

Wassertropfen umgeben uns allenthalben im Alltag. Auf dem Foto sieht man einige, an Spinnfäden hängende Tropfen im Vergleich zu einem etwa 2 Millimeter dicken Draht, der als Maßstab für die Einschätzung der Größe der anderen Tropfen dienen kann (zur Vergrößerung auf Bild klicken). Es zeigt sich, dass die Tropfen, die einen kleineren Durchmesser als der Draht haben, so gut wie kugelrund sind, wenn man einmal von kleinen Spitzen absieht, die durch teilweise unsichtbare Spinnfäden bedingt sind, an denen die Tropfen hängen. Weiterlesen →

Impressionen aus der Krummhörn 3

Sonnenaufgang im Bodennebel

Impressionen aus der Krummhörn 1 – Vor Sonnenaufgang

Morgenstimmung

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

Teepause

In der Pause, während ich

vor der Flamme wartete,
fiel mir plötzlich ein,

etwas Endgültigem zu entraten;
das Wasser begann gerade

zu kochen, der Kessel heult
gleichmäßig wie eine Siren.

Aber als ich den Tee aufgoß,
waren schon die Möglichkeiten,

ungeheuer, wieder vergessen;
im quirlenden Dampf verfing

sich mein Blick, bis er verschwand,
und ich erkannte noch, wie präzis

der Sand durch die Enge rann.*

Und jetzt noch die obligatorische Frage: Wie kommt es zu den Nebelschwaden und den Farben darin?

*Henning Ziebritzki (*1961)

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.

Oktoberlied

Der Nebel steigt, es fällt das Laub;
Schenk ein den Wein, den holden!
Wir wollen uns den grauen Tag
Vergolden, ja vergolden!

Und geht es draußen noch so toll,
Unchristlich oder christlich,
Ist doch die Welt, die schöne Welt,
So gänzlich unverwüstlich!

Und wimmert auch einmal das Herz –
Stoß an und laß es klingen!
Wir wissen’s doch, ein rechtes Herz
Ist gar nicht umzubringen.

Der Nebel steigt, es fällt das Laub;
Schenk ein den Wein, den holden!
Wir wollen uns den grauen Tag
Vergolden, ja vergolden!

Wohl ist es Herbst; doch warte nur,
Doch warte nur ein Weilchen!
Der Frühling kommt, der Himmel lacht,
Es steht die Welt in Veilchen.

Die blauen Tage brechen an,
Und ehe sie verfließen,
Wir wollen sie, mein wackrer Freund,
Genießen, ja genießen!*

*Theodor Storm (1817 -1888)

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)

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 →

Vernebelte Durchsichten

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 9 (2017), S. 70 – 71

Licht streuende Partikel zwischen einem Gegenstand und dessen Betrachter trüben den Anblick. Dabei kommt es nicht so sehr auf deren Menge an, sondern vor allem auf ihren Abstand zum Objekt. Weiterlesen →

Sonnenlicht durchstrahlt den Morgennebel

Vor ein paar Stunden war es in dieser feuchten Niederung noch sehr nebelig. In dem Maße, wie die Sonne die Luft erwärmt, löst sich der Nebel auf. Die Luft wird langsam klar. Allerdings hauchen die  Lichtbündel, die durch die Lücken in den Bäumen aus dem Sonnenschein herausgeschnittenen werden, dem restlichen Nebel neues Leben ein. Denn dort wird das intensive Sonnenlicht an den verbleibenden kleinen Wassertröpfchen gestreut und zwar aufgrund ihrer Größe vor allem in Vorwärtsrichtung. Weiterlesen →

Wenn sich der weiße Nebel lichtet…

Auf den ersten Blick mag der Gegensatz zwischen moderner Energietechnik und natürlicher Nebelbildung ins Auge fallen. Doch der Zusammenhang zwischen den Windsystemen, aus denen die Windkraftanlagen gespeist werden und der Kondensation von Wasserdampf, der sich hier als Nebel niedergeschlagen hat, ist tiefgreifender als es auf den ersten Blick zu sein scheint. Denn die Windsysteme werden letztlich dadurch angetrieben, dass von der Sonne erwärmte Luft mitsamt dem Wasserdampf von der Erdoberfläche aufsteigt und durch absinkende kalte ersetzt wird.

Die Nadelarbeit des Winters

Selbst die vom letzten Jahr übriggebliebenen, vertrockneten Blätter einer Buche erstrahlen in neuem Glanz, wenn der Winter sie mit feinen Eisnadeln schmückt. Diese filigranen und gegen Berührung sehr sensiblen Kunstwerke der Natur entstehen zum einen dann, wenn die Temperatur einige Grade unter Null liegt und die Wasserdampfkonzentration sehr hoch ist (relative Feuchte über 90%). Weiterlesen →

Nebenfolgen des Sinnbedarfs

Der Verdacht, die Welt könnte ohne Sinn oder ihres vormals besessenen Sinnes verlustig gegangen sein, lastet schwer auf denen, die aus Gründen unvorsichtiger Berufswahl (oder anderen) von Ungeduldigen um Auskunft und Abhilfe bedrängt werden.

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Nebel – halbdurchsichtige Schärpen matten Lichts

„Es stimmt, daß die neblige Atmosphäre alle Gegenstände verdunkelt, es stimmt aber auch, daß die Natur, die unseren Augen keinen Genuß vorenthalten will, eine reiche Entschädigung für diese Beschattung der Farbtöne bereithält: bei feuchter Luft werden sie lebhafter. Jede Farbe glänzt in feuchtem Zustand doppelt so sehr wie in trockenem; und wenn die klaren Fernen von dichtem Nebel versdüstert werden, wenn die klaren Farben des Himmels verschwinden und die Glanzlichter des Sonnenscheins von der Erde, dann nimmt der Vordergrund seine lieblichsten Farben an, das Gras und das Laub leben in ihrem satten Grün wieder auf, und jeder sonnenverbrannte Fels glimmt auf wie Achat.“

John Ruskin (1819 – 1900): Modern Painters.

Räumlicher Schatten im Nebel

Als ich am frühen Morgen im mäßigen Nebel bei tiefstehender Sonne die auf dem Foto abgebildete Brücke mit dem Fahrrad überqueren wollte, irritierte mich ein dunkler Balken, der quer über die Brücke zu gehen schien. Ich bremste ab und stellte fest, dass der vermeintliche massive Balken nichts als ein Lichtphänomen war.
Der Nebel wird dadurch als solcher sichtbar, dass das Licht an den winzigen Wassertröpfchen diffus reflektiert wird und ihm eine Art helle Substanz verleiht. Weiterlesen →

Impressionen aus der Krummhörn – Die große Ruhe

Die Natur ist die große Ruhe
gegenüber unserer Beweglichkeit.
Darum wird sie der Mensch immer mehr lieben,
je feiner und beweglicher er werden wird.
Sie gibt ihm die großen Züge,
die weiten Perspektiven
und zugleich das Bild einer bei aller
unermüdlichen Entwicklung erhabenen Gelassenheit.

Christian Morgenstern (1871 – 1914)