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Polarisation

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Strukturfarben in der Regionalbahn

Auf einer abendlichen Fahrt mit der Regionalbahn glaubte ich zunächst meiner Müdigkeit zuschreiben zu müssen, dass ich die Reflexion meines Abteils in der Scheibe durch zarte psychodelisch wirkende Farben untermalt zu sehen glaubte. Nein, nun etwas wach geworden glaubte ich es nicht nur, sondern war sicher, dass dort Farben waren, die aus ganz bestimmten Betrachtungswinkeln und vor geeigneten Hintergründen deutlich hervortraten.
Nachdem ich einige Zeit herumgerätselt und auch experimentiert hatte (zum Glück waren kaum Fahrgäste anwesend, die ich hätte nerven können), fiel mir wieder ein, wie es zu diesen Farberscheinungen kommt. Es ist vor allem eine nicht direkt wahrnehmbare Kunststofffolie, mit der die Scheiben des Zugs vermutlich aus Sicherheitsgründen überzogen sind. Sie hat die sicher nicht beabsichtigte Eigenschaft doppeltbrechend zu sein und beim Durchgang von polarisiertem Licht Farberscheinungen hervorzubringen. Ein schöner Nebeneffekt also.
Wie an anderer Stelle ausführlicher beschrieben, wird normales Licht polarisiert, wenn es unter einem bestimmten Winkel (Brewsterwinkel) reflektiert wird. Das ist hier u. A. auf der glänzenden Ablage vor dem Abteilfenster der Fall. Das so polarisierte Licht fällt durch die Folie und wird dabei in zwei Teilwellen unterschiedlicher Geschwindigkeit zerlegt. Das führt dazu, dass ihre jeweiligen Phasen nicht mehr in derselben, sondern in unterschiedlichen Ebenen gleich sind. an der Rückseite der Scheiben reflektiert. Davon würde man normalerweise gar nichts merken, wenn das in dieser Weise modifizierte Licht nicht auf die Fensterscheiben aufträfe und von diesen abermals unter dem Brewsterwinkel ins Auge des Betrachters reflektiert und auf diese Weise abermals polarisiert würde. Dabei fallen die verschiedenen Ebenen der Teilwellen wieder zusammen und überlagern sich (interferieren). Aufgrund der durch die Doppelbrechung bewirkten Phasenverschiebung, kommt es zu Verstärkungen und Abschwächungen bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts, d.h. zu einzelnen Farben.
Damit die Bedingungen für die Farbentstehung erfüllt sind, treten die Farben nur unter bestimmten Winkeln auf. Außerdem sind bestimmte Hintergründe in der Spiegelwelt besser als andere geeignet, die Sichtbarkeit der Farben zu erhöhen.
Durch die Entdeckung dieses von den Fensterkonstrukteuren unbeabsichtigten Phänomens verging der Rest der Reise durch interessante Eindrücke beim Blick durch das Fenster wie im Fluge.

Gefrorene Federn

Was hier so federleicht und bunt daherkommt, sind nicht die Federn eines bunten Eisvogels. Vielmehr blickt man auf Eiskristalle, die sich in einer dünnen Schicht ziemlich schnell ausbreiten. Normalerweise ist Eis unbunt zwischen transparent und weiß changierend. In diesem Fall liegt die Eisschicht zwischen zwei Polarisationsfolien. Die vor der Eisschicht platzierte Folie polarisiert das einfallende Licht und die hinter der Eisschicht befindliche Folie analysiert das beim Durchgang durch die Eiskristalle modifizierte Licht. Diese Modifikation (siehe unten) macht sich durch bunte Farben bemerkbar, die gewisse Auskünfte über die innere Struktur der Eiskristalle geben.

Wer es physikalisch etwas genauer wissen will, dem sei gesagt, dass Eis die optische Besonderheit hat, doppelbrechend zu sein: Das durch die Eisscholle hindurchgehende polarisierte Licht wird in zwei leicht unterschiedliche Richtungen gebrochen, so dass es in zwei Teilstrahlen zerfällt. 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 dem Eis überlagern. Tritt dieses Licht dann durch ein Polarisationsfilter oder wird es in einem bestimmten Winkel reflektiert, 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 äußern sich in verschiedenen Farben.

Ein wenig Farbe ins trübe Grau

Eigentlich sollte dies ein physikalischer Beitrag zu den Farben der Spannungsdoppelbrechung werden. Dazu habe ich im schwach polarisierten Himmelslicht einen Kunststoffbehälter fotografiert. Die Farben fielen jedoch ziemlich flau aus. Ich wollte mit einem Bildbearbeitungsprogramm etwas nachhelfen, um den Effekt deutlicher zu machen und landete bei diesem Bild (siehe Foto), das ich aber ehrlicherweise nicht mehr als reinen physikalischen Effekt verkaufen kann, weil die Farben übertrieben bunt ausfallen. Da sie aber einen schönen Kontrast zum aushäusigen Grau abgeben, bringe ich es hier trotzdem. Auf die natürlichen Polarisationsfarben komme ich dann später zurück, wenn die blühenden Blumen ihre Zuständigkeit für schöne Farben übernommen haben.

Geheimnisvolle Farben im Fenster

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 52/3 (2021), S. 151

Manche Kunststofffolie kann zu intensiven Farberscheinungen führen, wenn durch sie hindurchtretendes (polarisiertes) Himmelslicht unter dem Brewster-Winkel ins Auge des Betrachters reflektiert wird.

Manche Farben sind gar keine und man sieht sie trotzdem und zwar dort, wo sie nicht sind. Das kann man mit bewusst in Kauf genommener Paradoxie an den in prächtigen Farben leuchtenden Oberlichtfenstern des oberen Fotos sehen. Bei den Fensterscheiben handelt es sich um normale Floatglasscheiben, wie man sie überall in der Umwelt vorfindet. Die bunten Farben in denen sie erstrahlen werden an einer ganz anderen Stelle „erzeugt“. Das erkennt man u.a. daran, dass die Kunststoffrahmen der Fenster das farbige Licht reflektieren.

Verantwortlich für die Entstehung der Farben ist eine Kunststofffolie, mit der das schräge gläserne Vordach (unteres Foto rechts) überzogen ist. Die Folie wurde vermutlich aus Sicherheitsgründen angebracht, um beim eventuellen Bruch der Scheiben, die Fragmente zusammenzuhalten. In dem Ausschnitt des Glasdachs (unteres Foto links) kann man die Folie infolge kleiner Aufwellungen an der Kante sogar erkennen.

Diese Folie hat die – vermutlich nicht beabsichtigte – Eigenschaft, wie manche Kristalle doppelbrechend zu sein. Das heißt, wenn sie von polarisiertem Licht durchdrungen wird, treten zwei Teilwellen unterschiedlicher Geschwindigkeit auf. Diese führen dazu, dass ihre jeweiligen Phasen nicht mehr in derselben, sondern in unterschiedlichen Ebenen gleich sind. Davon würde man normalerweise gar nichts merken, wenn das in dieser Weise modifizierte Licht nicht auf die Oberlichtscheiben aufträfe und von diesen unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Brewster Winkel, ins Auge des Betrachters reflektiert würde. Denn unter diesem Winkel wird das Licht abermals polarisiert, wobei die verschiedenen Ebenen der Teilwellen wieder zusammenfallen und interferieren. Aufgrund der durch die Doppelbrechung bewirkten Phasenverschiebung, kommt es zu Verstärkungen und Abschwächungen bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts, d.h. zu einzelnen Farben.

Die Voraussetzung, dass das auffallende Licht polarisiert ist, wird immer dann erfüllt, wenn es bei klarem blauem Himmel aus einer Region kommt, die senkrecht zur Strahlrichtung der Sonne orientiert ist. Und dass man die Scheibe nun gerade unter dem Brewsterwinkel betrachtet, ist kein Zufall. Denn bereits in der Nähe dieses Winkels ist die Polarisationswirkung bereits so stark, dass die Farben bereits schemenhaft zu erkennen sind. Sobald man aber etwas Farbiges bemerkt, dessen Intensität mit der Blickrichtung variiert, justiert man den Blick meist automatisch so, dass die Farben besonders deutlich wahrgenommen werden – und das ist unter dem Brewster-Winkel der Fall.

Ich selbst habe das Phänomen zum ersten Mal in einem Nahverkehrszug beobachtet. Dort zeigten sich die Farben auf einer gläsernen Zwischenwand, über die die Reflexionen der hell beschienenen Außenwelt huschten. Deren Licht war vorher durch das Fenster des Zuges auf der Innenseite der Scheibe angebrachte Kunststofffolie gefallen. Diese Folie, die die Scheibe gegen mutwilliges Zerkratzen schützen sollte, war ebenfalls doppeltbrechend und damit ursächlich für die Farberscheinungen verantwortlich. Das wurde mir allerdings erst einige Zeit später klar, als ich an einem Fenster das Vorhandensein einer solchen Folie dadurch erkannte, dass diese offenbar bei dem Versuch die Scheibe zu zerkratzen beschädigt worden war.

Übrigens lässt sich die Farberscheinung in großer Deutlichkeit mit einer Overheadfolie hervorrufen, die man zwischen zwei Polarisationsfolien legt. Dieses nach einem ihrem Erfinder Michael Berry „Berry Sandwich“ [1] benannte Folienset macht es möglich, das Phänomen mit jeder Lichtquelle hervorzubringen. Im polarisierten Licht (z.B. bei blauem Himmel) kann man die äußere Folie sogar weglassen.

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Literatur

[1] Michael Berry et al. Black plastic sandwiches demonstrating biaxial optical anisotropy. European Journal of Physics 20 (1999), 1–14

Originalbeitrag

Geheimnisvolle Farben

Manche Farben sind gar keine und man sieht sie trotzdem und zwar dort, wo sie nicht sind. Das kann man mit bewusst in Kauf genommener Paradoxie von der auf dem Foto in prächtigen Farben leuchtenden Oberlichtscheibe dieses (übrigens in Danzig aufgenommenen) Fotos sehen. Die Scheibe unterscheidet nichts von einer ganz normalen Floatglasscheibe, wie sie überall mit vertrauter, manchmal durch Reflexe oder Schmutz getrübter Transparenz anzutreffen sind. Weiterlesen

Farben, wo sie nicht erwartet werden

Die Fotos stammen von Henning v. Gynz-Rekowski, der mich um eine Erklärung der Farberscheinungen bat. Die Beobachtungssituation ist die Folgende. In einer Hotellobby zeigen die Spiegelungen der Oberlichtkonstruktion (unteres Foto) sowohl in einem Wasserbecken als auch in der Glasplatte eines Tisches (oben rechts) farbige Strukturen, die beim direkten Anblick des  Oberlichts nicht zu sehen waren. Weiterlesen

Bullaugen auf dem Bullauge

BullsEyeZwar bezeichnet man anders als bei einem Schiff die runden Fenster eines Flugzeugs nicht mit Bullauge, aber eine gewisse Ähnlichkeit ist vorhanden. Und das umso mehr, wenn man auf dem Bullauge Bullaugen, genauer: bull’s eyes sehen kann. Bull’s eyes sind von Michael Berry so genannte Farberscheinungen, die beim Durchgang polarisierten Lichts durch doppelbrechende Folien auftreten können und in diesem Blog auch schon thematisiert wurden.
Daran wurde ich kürzlich erinnert, als ich durch das Flugzeugfenster blickte und die Welt (in diesem Fall den blauen Himmel und einige weiße Wölkchen) durch farbige Ringe hindurch erlebte (Foto). Weiterlesen

Polarisationsfarben einer Eisscholle

PolarisationWer in diesem Winter Gelegenheit hat, bei strahlendem Sonnenschein eine zugefrorene Pfütze anzutreffen, der zögere nicht eine Eisscholle herauszubrechen, eine Polaroidbrille aufzusetzen und durch die Eisscholle hindurch gegen den blauen Himmel (am besten senkrecht zur Sonnenstrahlrichtung) zu blicken. Erstaunt wird er insbesondere an den Stellen, an denen das Eis uneinheitlich gewachsen ist oder unter mechanischer Spannung steht, farbenprächtige Muster entdecken. Die Farben verdanken sich der Eigenschaft des Eises, doppelbrechend zu sein. Dadurch wird das hinduchtretende weiße Licht in Farben zerlegt.

Wer sich für eine etwas genauere Beschreibung der Farbentstehung interessiert, findet in einem früheren Beitrag eine kurze Erklärung.

Rätselfoto des Monats März 2014

098_Polarisationsschatten

Warum ist das Wasser im Vordergrund so dunkel?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Diesmal ist die Erklärung sehr einfach, weil keine subtilen Naturphänomene im Spiel sind. Die Bank war über Nacht umgekippt und wurde so durch den fallenden Schnee abgebildet.

Die Augen des Stiers

Augen des StiersSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/9 (2013), S. 56 – 57

Das menschliche Auge kann polarisiertes Licht nicht ohne Weiteres von unpolarisiertem unterscheiden. Ein »Berry-Sandwich« hilft.

Alles erhält – wie Edelsteine – erst
durch die untergelegte Folie tiefere Bedeutung.
Michel de Montaigne (1533 – 1592)

Am Anfang stand eine recht simple Beobachtung. Ein Kollege berichtete mir, wie er durch die Fensterscheiben eines Gebäudes eine städtische Szenerie betrachtete, die sich gleichzeitig auf den glatten Fliesen der Wand spiegelte, neben dem er stand. Das allein war nichts Besonderes, und auch nicht die leichten Verzerrungen der gespiegelten Objekte. Sie zeigten nur, dass die Oberfläche der Fliesen zwar glatt war, aber wohl nicht ganz eben. Merkwürdig erschien ihm jedoch, dass die Spiegelbilder der Gegenstände von lebhaften farbigen Strukturen ornamentiert erschienen und die üblichen Erklärungsansätze nicht so recht greifen wollten.
Beim Betrachten der Fotos, die er mir zur Aufklärung des Rätsels schickte, fiel mir zuerst die Ähnlichkeit mit dünnen Ölschichten auf nasser Straße auf, die durch Interferenz irisierende Farben hervorbringen. Weil aber die Farbmuster so auffällig waren – bei näherem Hinsehen zeigten sich zwei Systeme aus konzentrischen Kreisen –, kam mir eine andere Idee in den Sinn: Zeigt sich in den Farben vielleicht die Polarisation des Sonnenlichts? …

PDF: Die Augen des Stiers

Rätselfoto des Monats März 2013

Pol Himmel

Dunkle Streifen am Himmel

Wo steht die Sonne und woran kann man es erkennen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Flugzeug in Farben

Farbenfrohe Eisschollen

Eisscholle-im-polarisiertenSchlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 43/1 (2012), S. 45

In bunten Farben schillernde Eisschollen verdeutlichen, dass Eis doppelbrechend ist. Darüber hinaus zeugt es von der teilweisen Polarisation des Himmelslichts.

PDF: Farbenfrohe Eisschollen

Das Farbenspiel transparenter Folien

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 40/5 (2009), 262

Transparente Zellophanfolie, wie man sie beispielsweise zum Einwickeln von Blumensträußen benutzt, kann den Blumen ästhetisch durchaus Konkurrenz machen. Voraussetzung ist allerdings, dass man sie im Lichte des blauen Himmels auf einer gläsernen Unterlage betrachtet.

PDF: Das Farbenspiel transparenter Folien

Das Sehen der Polarisation

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 40/4 (2009), S.  211.

Wenn der Blick in den blauen Himmel ein gelbes Büschel sichtbar werden lässt, so muss es kein Augenfehler oder Einbildung sein. Es kann sich um ein Phänomen handeln, in dem das Polarisationssehen des Menschen zum Ausdruck kommt.

PDF: Das Sehen der Polarisation

Flüssigkristallanzeigen – Ein Thema für den Physikunterricht?

Rohe, Carsten; Nientiedt; Marcus; Schlichting, H. Joachim. In: Nordmeier, V. (Red.): Didaktik der Physik. Vorträge der Frühjahrstagung der DPG. Bremen 2001.

Flüssigkristallanzeigen (LC-Displays) sind in unserer Lebenswelt allgegenwärtig. Man denke nur an Laptops, Digitaluhren und Taschenrechner. Im Sinne eines einfachen physi-kalischen Zugangs mit Mitteln der Schulphysik wird der Aufbau und die Funktionsweise einer LCD-Zelle unter Betrachtung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkristallen modellhaft beschrieben. Auf diese Weise lassen sich die wesentlichen Eigenschaften erklä-ren, die im täglichen Umgang mit einem LC-Display beobachtbar sind. Dazu zählen ihre geringe Bautiefe und der geringe Stromverbrauch, ebenso wie die winkelabhängige Helligkeit, die Berührungsempfindlichkeit und die Anzeigeträgheit bei tiefen Temperaturen.

PDF: Flüssigkristallanzeigen – Ein Thema für den Physikunterricht?

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