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Reif

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Rätselfoto des Monats Januar 2022

Wie kommt es zu den langen weißen Nadeln?

Erklärung des Rätselfotos des Monats Dezember 2021

Frage: Wie kommt es zu dieser geraden Begrenzung der Reifschicht?

Antwort: Wir blicken frontal auf die Seitenscheibe einer Busstation. Sie ist etwa bis zur Hälfte mit Reif bedeckt, der wie mit einem Lineal gezogen begrenzt ist. Ursache dafür ist die Sonne, die schräg von oben und von der Seite in den Unterstand scheint und teilweise durch das Dach abgeschattet wird. Weil sich die Sonne allmählich von links nach rechts bewegt und immer mehr von vorn in den Unterstand leuchtet, verschiebt sich der Schatten des Dachs und damit die Trennlinie weiter nach oben. In dem Maße, wie der beschattete und noch vom Raureif überzogene Teil der Scheibe in die Sonne gerät, schmilzt das Eis. Denn obwohl die Eiskristalle weitgehend transparent sind, wird das Licht im rauen Reif mehrfach reflektiert, wobei immer auch ein Teil des Lichts absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, die für das Schmelzen benötigt wird.
An der Geradlinigkeit der Schmelzgrenze erkennt man übrigens die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung.

Rätselfoto des Monats Dezember 2021

Wie kommt es zu dieser geraden Begrenzung der Reifschicht?


Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2021

Frage: Warum krümmt sich der Strahl?

Antwort: Das ist eine alte Frage und hat zu zahlreichen Erklärungen geführt. Neueren Untersuchungen zufolge spielt die Benetzbarkeit (Hydrophilie) des Tüllenmaterials, die bei üblichen Teekannen verhältnismäßig groß ist, die entscheidende Rolle bei der Krümmung der Flüssigkeitsströmung. Die Stärke der Benetzbarkeit kann durch den sich zwischen Tülle und Flüssigkeit einstellenden sogenannten Kontaktwinkel charakterisiert werden. Ein kleiner Kontaktwinkel weist auf eine starke Anziehung (Adhäsionskraft) hin. Wenn die Flüssigkeit über die nach unten gekrümmte Tülle strömt, tendiert sie einerseits aufgrund der Trägheitskraft dazu, ihre Richtung beizubehalten. Andererseits wird sie aufgrund der Adhäsionskraft von der Tülle „festgehalten“ und folgt ihrer Krümmung. Da die Trägheitskraft mit der Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, überwiegen die Adhäsionskraft und damit die Krümmung umso mehr, je langsamer die Flüssigkeit strömt. Beim vorsichtigen Einschenken des Tees wird dieser also auch gegen die Schwerkraft zur Kanne hin gekrümmt. Erreicht der Strom dabei den ebenfalls hydrophilen Kannenhals, wird der Strahl durch diesen angezogen und bildet den im Foto zu sehenden gekrümmten Strahl aus.
Die beste Möglichkeit zur Vermeidung des Teekanneneffekts besteht demnach darin, die Teekannentülle aus Material mit einer geringen Benetzbarkeit (hydrophob) zu fertigen, was durch entsprechende Beschichtungen erreicht werden könnte.

Kristallmalerei

In einer klaren Nacht strahlen kleine Objekte – hier die feinen Strukturen der Efeu-Blätter – viel mehr Energie in den kalten Weltraum als sie von dort erhalten. Dadurch sinkt die Temperatur dieser Strukturen unter den Taupunkt. Da dieser jahreszeitlich bedingt immer häufiger unter den Gefrierpunkt sinkt, haben überschüssige Wasserdampfmoleküle, die in ihre Nähe geraten nichts besseres zu tun, als sich dort niederzulassen – als Eiskristalle. Auf dieses Weise ziehen sie Konturen nach und versehen die Blätter mit kleinen kristallenen Tupfern. Die Natur hat eben Geschmack.

Chrysanthemen aus Eis und Stein

Als ich die blumenartigen Eiskristalle auf dem dunklen Holz einer Parkbank entdeckte (oberes Foto), wurde ich an einen schwarzen Stein mit ähnlich aussehenden weißen Einsprengseln erinnert, den ich vor Jahren aus China mitgebracht habe. Es handelt sich um einen sogenannten Chrysanthemenstein, der offenbar durch die Ähnlichkeit seiner „Blüten“ mit denen dieser Blume so genannt wurde.
Interessant ist, dass der schwarze Stein ein Kalksandstein ist und daher eigentlich hell sein sollte. Ist er aber nicht, weil in ihm Bitumen (also ein teerartige Kohlenstoffverbindung) enthalten ist und für diese „Farbinversion“ sorgt.
Die in den Kalkstein eingelagerten steinernen „Chrysanthemen“ bestehen aus Coelestinkristallen. Dabei handelt es sich chemisch gesehen um Strontium, das seiner kristallinen Struktur entsprechend unter Einwirkung des Zufalls, zu diesen naturschönen Gebilden heranwächst.
Die ovale Steinplatte ist ca. 20 cm lang.

Was heißt hier ’nur eine Pfütze‘?

Ich würde sagen: Besonders die Wasserpfützen und zwar die am merkwürdigsten geformten bringen die schönsten Eisstrukturen hervor. Die Vertiefung im Boden hat eine durch welche Zufälle auch immer geformte Morphologie, die meist durch Regenwasser mit einer mehr oder weniger transparenten ebenen Oberfläche eingeebnet wird. Sinkt die Temperatur unter den Gefrierpunkt, kristallisiert das Wasser zunächst an der Oberfläche und bedeckt die Pfütze mit einer Eisschicht, die bei weiterhin niedrigen Temperaturen in die Tiefe wächst. Weiterlesen

Eiskügelchen auf dem Gras

Nach einer kalten Nacht findet man häufig die Pflanzen in weißem Reif gekleidet vor. Diesmal war es offenbar anders. In dieser Nacht wurde noch eine Zwischenstufe eingeschaltet. Indem es sich relativ langsam abkühlte, sank die relative Feuchte bei positiven Temperaturen unter den Taupunkt, sodass der überschüssige Wasserdampf zunächst an den Pflanzen zu Wassertropfen kondensierte. Nachdem die Temperatur dann unter den Nullpunkt sank, gefroren die Tropfen zu kleinen Eiskugeln, so wie sie auf dem Foto zu sehen sind. Weiterlesen

Ein gefrorener Teich mit blauen Augen

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 50/6 (2019), S. 305

Ein harmloser Blick in einen zugefrorenen Teich bei Sonnenlicht wirft einige physikalische Fragen auf, die sich erst mit Hilfe von leicht zu übersehenden Indizien beantworten lassen.

Indem uns der Winter den festen Aggregatzustand des Wassers in unterschiedlichen Formen präsentiert, bietet er oft ungewohnte physikalische Situationen. Im oberen Foto sind gleich mehrere bemerkenswerte Phänomene zu beobachten. Man blickt durch die transparente Eisschicht auf den vom Sonnenlicht erhellten Grund eines Teiches. Dicht unter der Oberfläche zeigen sich einige Blasen, von denen die größte einen Durchmesser von etwa 3 cm hat. Weiterlesen

Anorganische Stachel

Vor einiger Zeit fand ich technische und biologische Stachel in trauter Gemeinsamkeit sinnlos nebeneinander dahindämmern. Nicht dass sie einem nicht mehr hätten gefährlich werden können, aber es steckte keine Absicht dahinter. Ähnlich ist es bei dem aktuellen Fundstück (Foto). Wieder zwei Arten von Stacheln verschiedener Art. Diesmal würde ich eher von organischen und anorganischen Stacheln sprechen: die einen – vermutlich wieder Brombeeren des vergangenen Jahres – und die anderen – Eisstacheln des aktuellen Tages. Der Ähnlichkeit in der Form entspricht diesmal überhaupt keine Ähnlichkeit in der Wirkung. Während die Brombeerstachel auch  jetzt noch voll wirksam sind, würden die Reifstacheln bereits durch leichte Berührung dahinschmelzen, ohne überhaupt den Versuch zu unternehmen, sich zu wehren.
Wie die Raureifnadeln entstehen, habe ich in einem früheren Beitrag erläutert.

Kristalle – Atomstrukturen ins Sichtbare vergrößert

Das Wunderbare an den Kristallen ist das Netz der Atome, das sich immerfort wiederholt; das war es, was Vug nicht begreifen wollte. Was ihr gefiel, war – ich merkte es bald-, an den Kristallen winzige Differenzen, Unregelmäßigkeiten, Unvollkommenheiten zu entdecken.
Was zählt schon ein Atom außer der Reihe, eine leicht angestoßene Kante… bei einem Festkörper, der zu unbegrenztem Wachstum nach einem regelmäßigen Schema bestimmt ist? Die Entwicklung geht zum einheitlichen Kristall, zum Riesenkristall.*

Wer sich über den physikalischen Hintergrund der Raureifbildung informieren möchte, kann dies in früheren Beiträgen tun, in denen ich zumindest einige grobe Hinweise gebe (z.B. hier und hier).

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Rosen im Winter

Auch im Winter können die Rosen etwas von sich hermachen. Die Hagebutten, die die Nüsschen der Rosen enthalten, strahlen in einem ebenso schönen Rot wie die Rose im Sommer. Besonders wirkungsvoll kommen sie hier zum Ausdruck, weil sie sich mit einem Schneehäubchen geschmückt und damit meine Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben.

Die Natur ist Übermaß. Sie ist über dem Durchschnitt. Eine einzelne Hagebutte platzt in Lobeshymnen. Was tun mit Regen, mit Schnee, mit Graupel, mit Blättern, mit Kometen, mit Hagel, mit Blitz, mit Apfeln, Pfirsichen und Pflaumen, damit, daß die Natur ihren Überfluß von sich schüttelt, die schwerkraftsbegeisterten Objekte, die sich über meinem Kopf ergießen.

Jeannette Winterson (*1959). Kunst und Lügen

Kalte Pfützenkunst

Zuerst lag ein etwa 15 cm langer Kieselstein in einer Wasserpfütze. Bevor das Wasser versickerte, fror die Pfütze zu  und der Stein verschwand unter einer Eisschicht. Man konnte ihn aber weiterhin durch das transparente Eis hindurch sehen. Unter dem Eis versickerte das Wasser und der Stein wurde allmählich trocken gelegt. Dann kamen die sonnigen Tage. Der Stein absorbierte die Sonnenernergie, erwärmte sich und gab die Energie u.A. als Wärmestrahlung wieder ab. Dadurch schmolz ein Loch in die unmittelbar darüber befindliche Eisschicht.
Als die Sonne untergegangen war und die kalte Luft wieder die Oberhand gewann, bildeten sich auf dem noch feuchten Rand des Lochs große Eiskristalle, die von außen nach innen wuchsen, so als wollten sie das Loch wieder schließen. Weiterlesen

Eisvögel

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

Funkelnde Farben im Reif

Der Morgen war kalt und Triste, die Gräser und Sträucher waren an bestimmten Stellen von Reif überkrustet, was aber wegen des bedeckten Himmels kaum zur Geltung kam. Doch plötzlich brach die die Sonne durch die Wolken und machte sich durch farbige Lichtblitze in den Eiskristallen bemerkbar.
Beim Vorübergehen erloschen die Kristalle aber nur um an anderen Stellen wieder aufzublitzen: Das war genau dann der Fall, wenn das in ihnen gebrochene und reflektierte Sonnenlicht in meinen Augen landete. Die Kristalle wirkten wie kleine Prismen, das Licht wurde gebrochen, und in seine Spektralfarben zerlegt, die jeweils in geringfügig andere Richtungen ausgesandt wurden. Weiterlesen

Eine letzte Pracht

Was schon abgeschrieben, der entgültigen Fäulnis übergeben schien, erhält im Zusammenspiel von kristallenen Reifrändern und dem Licht der Sonne eine letzte Schönheit und Grazie, die dem vergangenen Grün des letzten Sommers ästhetisch gesehen in kaum etwas nachsteht.

Der Reif setzt sich an den Rändern ab, um die Formen der Blätter nachzuzeichnen und im Licht der Sonne zu einem Kunstwerk zu gestalten. So kann man es sehen. Wem diese „Erklärung“ nicht ausreicht, schaue sich einen früheren Beitrag an.

Physikalische Wintererzählung über einen abgesägten Baumstamm

Dass es immer wieder neue Phänomene gibt, bei denen man nicht ohne Weiteres auf bekannte Erklärungsmuster zurückgreifen kann, wurde mir klar, als mir Bernd Heepmann, der einen ausgezeichneten Blick für Alltagsphänomene hat, nacheinander diese beiden Fotos schickte. Es handelt sich um einen Abschnitt aus einem an anderer Stelle frisch gefällten Baum.
Bei dem ersten (oberen) Foto war ich zunächst ratlos, weil ich mir nicht so recht erklären konnte, warum sich der Reif nur auf den mittleren Bereich des abgesägten Stamms beschränkt. In der Absicht, mich noch weiter zu verwirren, erhielt ich kurz darauf das zweites Foto (unten) der Situation zu einem späteren Zeitpunkt. Doch statt Verwirrung zu stiften, führte es letztlich zur Lösung des Problems, indem es zeigte, dass die Beschaffenheit des Holzes ursächlich mit der selektiven Vereisung zu tun haben musste. Weiterlesen

Durchgewachsen?

Eine Eisscholle aus dem zugefrorenen Teich herausgebrochen und wegen der Kälte sehr schnell losgelassen, sodass sie auf dem Rasen landete. Und hier passierte nun etwas Seltsames, das man vom Ergebnis her fast als künstlerischen Effekt ansehen kann. Einige der unter der Last der Platte herabgedrückten Grashalme und Blätter geraten in einen so innigen Kontakt mit dem Eis, dass sie mit diesem zusammenfrieren. Weiterlesen

Reifeis

Blick auf eine dünne Eisschicht einer zugefrorenen Wasserpfütze. Unter der Schicht ist das Wasser inzwischen weggesickert. Im so entstandenen Hohlraum haben sich in der frostigen Nacht Reifkristalle abgesetzt, die je nach der Struktur der Verunreinigungen der Unterseite der Eisschicht zu völlig unterschiedlichen Kristallisationsmustern geführt haben. Sie erinnern eher an eine moderne Grafik als an das Ergebnis natürlicher Vorgänge.

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