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Retroreflexion

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Das Heilige in der Physik

Was soll jemand denken, wenn sie oder er mit einem Mitmenschen die Schatten betrachtet, die die morgendliche Sonne von beiden auf die feuchte Wiese wirft und dabei einen wesentlichen Unterschied feststellt: Nur sein eigener Kopf ist von einem hellen Schein umgeben. In früheren Zeiten, als man dieses Phänomen noch nicht physikalisch erklären konnte, wird sie oder er vielleicht gedacht haben: Ich bin irgendwie ausgewählt, mein Kopf ist von einem Heiligenschein umgeben. Lieber werde ich nichts sagen, um ihn oder sie nicht eifersüchtig, missgünstig oder sonstwie negativ zu stimmen.
Vielleicht ist es so zu der Vorstellung gekommen, der Schein um den eigenen Kopf sei eine Auszeichnung der eigenen Person. Hätte man sich damals über diesen vermeintlichen Unterschied unterhalten, so wäre man vermutlich auch nicht viel weiter gekommen. Denn auch die andere Person hätte nur ihren eigenen Schein gesehen. Es hätte kein direktes allgemeines Verfahren gegeben zu zeigen, dass jeder seinen eigenen Heiligenschein hat. Der Heiligenschein ist also etwas sehr Persönliches und sollte einem heilig sein, obwohl er eigentlich scheinheilig ist.

Physik des Heiligenscheins

Ein scheinheiliger Heiligenschein auf dem Pflaster

Kaum klingt die Häufigkeit der Coronen etwas ab, häufen sich schon die Heiligenscheine, auch wenn sie meist scheinheilig sind. Vor ein paar Tagen war es der Heiligenschein gepaart mit den gleichzeitigen Auftreten eines Doppelschattens und nun haben wir den Fall einer urbanen Glorie.
Normalerweise zeigt sich ein Heiligenschein auf einer feuchten Wiese bei tiefstehender Sonne, also eher in freier Natur. Doch inzwischen wird die darin zu sehende Diskretion immer mehr aufgegeben. Karl Bicker, einem Leser meiner Kolumne in Spektrum der Wissenschaft, hat sich sein Heiligenschein nunmehr auch in urbanem Umfeld offenbart (siehe Foto).
Er ist etwas exzentrisch geraten, wenn man ihn mit den Heiligenscheinen der Heiligen vergleicht, wo sich der Kopf meist schön in der Mitte befindet, aber ansonsten ist er perfekt und schön anzusehen.
Soweit die Fama, jetzt die Physik: Auf dem Foto handelt sich wirklich um einen Heiligenschein. Aber anders als der Heiligenschein auf der feuchten Wiese wird er in diesem Fall nicht durch Wassertröpfchen hervorgebracht, sondern durch winzige Glas- oder Plexiglaskügelchen, die – so vermute ich – entweder durch Sandstrahlarbeiten oder durch die Herstelllung von Straßenmarkierungen in der Nähe hierher gelangt sind. Denn wenn verschmutzte Fassaden mit Sandstrahlen gesäubert werden, so werden dabei keine Sandkörner verwendet, sondern Glaskügelchen, die gegen die Fassade geschossen werden. Und bei Straßenmarkierungen werden Kunststoff- oder Glaskügelchen in die obere Schicht der Farbe gegeben, damit das Licht eines Fahrzeugs von diesen Kügelchen zurückgestrahlt wird. Dadurch erlangen die Markierungen eine wesentlich höhere Sichtbarkeit.
Bei solchen Arbeiten kann es vorkommen, dass die winzigen (bis zu Bruchteilen eines Millimeter kleinen) Perlen auch dorthin gelangen, wo sie eigentlich nicht benötigt werden. Und da diese kleinen Leuchtsphären ansonsten kaum wahrzunehmen geschweige denn zu beseitigen sind, verbleiben sie dort und irritieren die Menschen bzw. verführen sie zu der Ansicht, einen Heiligenschein zu besitzen. Allerdings ist dazu auch noch der Sonnenschein nötig, damit sich die heilige bzw. genauer: scheinheilige Person als solche erkennt.
Der abgebildete Heiligenschein ist sichtlich etwas verrückt, denn der Schattenkopf liegt nicht im Zentrum. Das liegt daran, dass es sich auf dem Foto in Wirklichkeit nur um den Heiligenschein der Kamera handelt. Und die wurde eben nicht genau zentrisch vors Gesicht gehalten. Aber was hießt hier „nur“. Dass eine Kamera nun auch schon einen Heiligenschein besitzt, selbst eine Smartphonekamera, ist ein weiteres Wunder. Es ist sogar noch wunderbarer: Den eigenen Heiligenschein kann kein anderer je zu Gesicht bekommen. Umgekehrt gilt allerdings dasselbe.
Vergleicht man diesen Heiligenschein auf dem Pflaster mit dem auf der feuchten Wiese, so erkennt man einen weiteren Unterschied. Die mit Glas- oder Kunststoffkügelchen hervorgebrachte Aufhellung um den Kopf des Betrachters ist mit einem regenbogenfarbigen Rand umgeben. Dies weist auf einen Unterschied in der Entstehung hin. Während der Heiligenschein auf der Wiese vor allem durch das von den Grashalmen fokussierte und teilweise in die Wassertropfen reflektierte Licht hervorgebracht wird, geht die durch die Kügelchen produzierte Aufhellung vor allem aus dem „Umlauf“ des Lichts innerhalb der Kügelchen hervor. Wie beim Regenbogen wird der Anteil der in die Kügelchen hinein gebrochenen Lichtstrahlen, der an der Innenseite der Rückwand reflektiert wird anschließend teilweise wieder aus den Kügelchen heraus gebrochen. Dabei wird das weiße Licht in seine Spektralfarben zerlegt (Dispersion). Zusammen mit einer kaustischen Konzentration der Strahlen im „Regenbogenwinkel“ kommt es zu der auffällig deutlichen regenbogenartigen Umrandung der Aufhellung. Damit ist dieser „Heiligenschein“ auch noch eine Art trockener Regenbogen.

Augen, die im Dunkeln leuchten

In einem Lande,
wo den Leuten, wenn sie verliebt sind,
die Augen im Dunkeln leuchteten,
brauchte man des Abends keine Laternen.

Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

 

 

 

Das Foto wurde aus zu großer Entfernung mit dem Blitzlicht aufgenommen und nicht manipuliert. Siehe die Erklärung für die leuchtenden Augen.


 

Tapetum lucidum – Von leuchtenden Augen und strahlendem Blick

Als ich gestern Morgen im spärlichen Licht einer kleinen Stirnlampe im Wald spazieren ging, leuchteten mir aus der Dunkelheit zwei intensiv strahlende kleine Lichter entgehen. Nachdem sich mein Schreck offenbar auf den Lichtträger übertragen hatte und dieser mit einem Rascheln verschwand, war mir klar, dass es ein Tier gewesen sein musste, dessen Augenpaar leuchtete. Bei unserer Katze und unserem Hund hatte ich es öfter wahrgenommen.
Das Licht wird nicht in den Augen erzeugt, sondern stammt von einer äußeren Lichtquelle. Diese beleuchtet die Augen des Tieres, sodass das Licht auf die Netzhaut und durch diese hindurch auf eine spezielle Schicht, das sogenannte Tapetum cellulosum lucidum auftrifft und von dort auf effektive Weise spiegelnd reflektiert wird. Dafür sind je nach Tierart  Zink-Cystein, Salze und Farbpigmente verantwortlich. Bei unserer Tieren strahlten die Augen vor allem in Grün- und Blautönen (siehe Foto).
Nur dadurch dass die Stirnlampe sich dicht bei meinen Augen befand, konnte das reflektierte Licht in meine Augen gelanden und ich die leuchtenden Augen des Tieres sehen.
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Beim eigenen Heiligenschein nachts lesen

Am Ende bleibt nur: Kunstwerke; Naturschönheit; Reine Wissenschaften. In dieser heiligen Trinität.

Sagt Arno Schmidt (1914 – 1979) in seinem Kurzroman: Aus dem Leben eines Fauns. Als ich kürzlich einmal in einem Gespräch äußerte, dass ich mich dem im Wesentlichen anschließen könne, wurde mir entgegengehalten, dass dies doch alles sehr unpraktische Dinge seien. Was kann man schon mit der Naturschönheit eines Regenbogens anfangen? Weiterlesen

Befahrbar oder nicht, das ist die Frage…

Die Gefahr, dass der Streifen befahren wird, ist nicht besonders groß, denn er ist dabei unter üppiger Vegetation zu verschwinden. Dennoch haben die Urheber dieses Schildes sich mit großem Einfallsreichtum bemüht, die Technik der Retroreflexion, wie man sie auch von modernen Verkehrsschildern kennt, mit Hilfe einer ähnlich funktionierenden grünen Warnweste upzudaten. Die Wirkung ist in der Tat erstaunlich. Die Weste flammt bei Dunkelheit im Scheinwerferlicht geradezu auf. Dadurch wird aber, wie ich selbst ausprobiert habe (rein wissenschaftliches Interesse!), der Text nicht besser lesbar. Im Gegenteil, was im bloßen Scheinwerferlicht noch möglich war, wird durch die Blendwirkung der Weste geradezu verhindert.
Im Übrigen wird durch die Warnweste die Aussage des lesbaren Textes paradoxerweise in ihr Gegenteil verkehrt. Aus „Seitenstreifen nicht befahrbar“ wird „streifen befahrbar“.

Nachtrag: Einige Wochen später war das Schild ohnehin nicht mehr zu sehen. Es wurde – wie im Foto bereits ansatzweise zu erkennen – insbesondere vom Klettenlabkraut völlig überwuchert.

 

Wie heilig ist der Heiligenschein?

Heiligenschein_lampe_2Als ich die Fotos einen Freund zeigte, staunte er über die Stärke meiner Taschenlampe. Er hatte im ersten Moment wirklich geglaubt, dass die abgebildete Person das Feld mit einer Lampe ausleuchtet. Die Abbildung der Person besteht allerdings aus deren Schatten und die Lampe ist die kürzlich aufgegangene Sonne: In Zusammenarbeit mit dem Frühtau auf den Pflanzen führt sie hier zu einem interessanten Lichtphänomen, dem Heiligenschein, der den Schattenkopf umkränzt. Weiterlesen

Der Heiligenschein am frühen Morgen

Heiligenschein_am_Morgen Wie vom hellen Kegel einer Taschenlampe umrandet läuft der Schatten meines Kopfes über das vom Morgentau benetzte Feld. Es ist ein Heiligenschein, der den frühen Wanderer (auch mit dem Fahrrad) auszeichnet. Den Namen hat dieses ganz und gar physikalisch erklärbare Phänomen durch die Ähnlichkeit mit den künstlerischen Darstellungen von Heiligen in der Kunst erhalten. Obwohl das Phänomen schon viel früher bekannt war, wurde es erst im 19. Jahrhundert wissenschaftlich erforscht. Weiterlesen

Der Heiligenschein auf dem Verkehrsschild

Schlichting, H. Joachim; Uhlenbrock, Markus. In: Physik in unserer Zeit 30/6, 259-260 (1999).

Heiligenscheine finden sich nicht nur in der Natur, sondern auch auf Verkehrsschildern. Hier erfullen sie einen praktischen Zweck. Heiligenscheine, die auf Verkehrsschildern, KFZ- Kennzeichen u.ä. erscheinen, bedeuten physikalisch gesehen, daß das Licht ungefähr in Richtung der Lichtquelle zurückgestrahlt wird. Die praktische Seite dieses Phänomens besteht darin, daß diese Retroreflektoren beispielsweise für Autofahrer gut zu erkennen sind, die sich im Lichte der Scheinwerfer orientieren möchten.

PDF: Der Heiligenschein auf dem Verkehrsschild

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