Schatten

Rätselfoto des Monats August 2021

Wodurch und warum wird die spiegelnde Reflexion auf Teilen des Wassers verhindert?

Erklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2021

Frage: Was hält die Burg zusammen?

Antwort: In trockenem Zustand rinnt Sand durch unsere Finger. Kaum gerät Sand jedoch mit Wasser in Berührung, fließt er nicht mehr und lässt sich in nahezu beliebige feste Gestalt bringen. Wenn sich trockener, also von Luft umgebener Sand mit Wasser verbindet, wird dabei verhältnismäßig viel Grenzflächenenergie an die Umgebung abgegeben. Und da die Natur bestrebt ist, soviel Energie wie unter den gegebenen Bedingungen möglich ist, an die Umgebung abzugeben, werden so viel Sand wie möglich mit Wasser benetzt und dabei so viele Sandkörner wie möglich miteinander verbunden. Wollte man die Körner wieder voneinander trennen und damit die energiereicheren Grenzflächen zwischen Luft und Sand wieder herstellen, müsste man die bei der Benetzung abgegebene Energie wieder zurück in das System stecken. Die dazu nötige Kraft ist Ausdruck der Steifigkeit und Festigkeit des nassen Sands. Durch die z.B. von der Sonne geförderte Verdunstung des Wassers wird der Sand allmählich wieder trocken und die Burg zerfällt.

Ein Lichtblick im Schatten

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

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.

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.

Gezielte Landung

Die Libelle landet auf einer Zeitschrift neben einem blauen Auge, verweilt dort einige Zeit – jedenfalls solange, dass ich sie fotografieren kann – und macht sich brummend mit einer Ehrenrunde wieder vom Acker.

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.

Doppelschatten und Heiligenschein

Wer an einem kühlen Morgen unterwegs ist, wenn die Wiesen und Büsche noch vom Tau benetzt sind, hat vielleicht das Glück seinen Schattenkopf von einem Heiligenschein umkränzt zu erleben. Wer noch mehr Glück hat, wie es mir ergangen ist (siehe Foto), findet sich auch noch seinen Schatten verdoppelt. Leider ist der zweite Schatten, den man oberhalb des ersten Schattens sieht, ohne Heiligenschein. Ob das vielleicht daran liegt, dass man eine helle und eine dunkle Seite in sich trägt?

Indiskreter Schatten

Als ich den eigenen Schatten auf dem Rücken der nichtsahnenden/nichtsfühlenden Person gewahrte, der in einer Überlagerung userer beider Gehrhythmen ondulierte (Stichwort: gekoppelte Schwingung), beschlich mich ein merkwürdiges Gefühl.
Zum einen war die Situation sehr unwahrscheinlich: Die Sonne stand so tief*, dass sie fast waagerecht einfiel, und zwar zufällig in einer Straße, die genau in ihrer Strahlrichtung verlief. Zum anderen traf sie auf zwei in einem passenden Abstand hintereinander gehende Personen, sodass der Schatten der hinteren auf den Rücken der vorderen fallen konne. (Offenbar ohne einen Impuls zu übertragen).
Obwohl ein Schatten ja nur ein Loch im leichten Licht ist, das in diesem Fall von meiner Silhouette ausgeschnitten wird, empfand ich, der Person hinterrücks auf die Pelle gerückt zu sein und verlangsamte unwillkürlich meinen Schritt, wodurch die Situation aber nicht wirklich besser wurde.
Die Probleme Peter Schlemihls erscheinen mir fortan in einem anderen Licht.

*Man sieht den bevorstehenden Sonnenuntergang auch an dem leicht rötlichen Ton, den die weißen Kleidungsstücke annehmen.

Schatten und Kristalle

Vor ein paar Tagen fror der Teich noch einmal zu, jedenfalls: fast. Am geschützten Rand sind noch einige flüssige Stellen, die gerade von linear vorauseilenden Eiskristallen kolonialisiert werden, indem sich zwischen ihnen eine flächenhafte Eisschicht ausbildet. Da diese Eisschicht – vermutlich wegen der massenhaften Verunreinigungen durch faulende Blätter etc. eine aufgeraute Oberfläche aufweist, enden die perfekten Spiegelungen der randständigen Pflanzen auf der glatten Wasserhaut zunehmend  in schemenhaften Reflexionen auf der Eisfläche.
Wie man an den hellen Lichtreflexen an den Eiskristallen erkennt, mischt sich auch die Sonne in das Geschehen ein. Sie sollte schließlich die Oberhand gewinnen und die festen Strukturen in das für  unsere Augen amophe Wasser zurückführen. Aber solange dieser Prozess noch nicht vollendet ist, genießen wir die stille visuelle Zwiesprache zwischen den linearen Strukturen von Schatten und Kristallen…

Liebe zur Geometrie

In dem Maße, wie die Sonne immer tiefer sinkt, gewinnt das ansonsten wenig auffallende Schneefeld immer mehr an Profil. Wo bisher nur die von einer Schafherde abgeernteten Pflanzenreste in Form von toten Halmen zu sehen waren, sieht man sie nunmehr immer deutlicher aus kleinen gleichmäßig gerundeten Hügeln herausragen.
Die Hügel sind dabei, in Abstimmung mit der sinkenden Sonne ihre Schatten deutlich zu verlängern. Blaue Schatten – denn wo das Sonnenlicht nicht hinkommt, dominiert das Himmelslicht. Diese Schatten nehmen immer mehr die Form von Kegelschnitten an. Aber auch die Halme verlängern sich mit feinen Schattenlinien. Und da sie in der überwiegenden Mehrzahl auch mit der Spitze im Schnee eintauchen und so mit der Schneeoberfläche als dritter Seite Dreiecke bilden, liefern sie auch einen eigenen Beitrag zur Geometrie auf dem Schneefeld.
Dass die Halme mit einem Schneeberg umgeben sind, verdanken sie dem Schneegestöber von vor zwei Tagen. Der Schnee verfing sich an den Halmen und rundete sich in der Folgezeit durch verschiedene Prozesse zu ziemlich gleichmäßig geformten Hügeln. Die Hügel, aus denen kein Halm hervorlugt, haben schlichtweg den Kürzeren gezogen und diesen vollkommen in sich eingeschlossen.

Schneeverwehungen – Luftschlösser des Winters

Luft ist ein geheimnisvolles Medium. Zwar ist sie allgegenwärtig und wir brauchen sie zum Leben, aber wie sie sich verhält, wenn sie mal nicht steht – wer mag schon stehende Luft – bleibt uns wegen ihrer Unsichtbarkeit weitgehend verborgen. Andererseits kann ich mir nur schwer vorstellen, wie es wäre, wenn man die Luft sehen könnte und sei es auch nur so wie man das weitgehend transparente Wasser sieht.
Wie ich ausgerechnet zu dieser Zeit, da das Wasser in seiner festen Form und weißen Farbe in fast allen Bereichen die volle Aufmerksamkeit auf sich zieht, dazu komme über die Luft zu sinnieren? Ein Blick vor die Tür (jedenfalls zurzeit in unserer Gegend) gibt die Antwort. Die großen Schneemassen sind weit von einer gleichmäßigen Verteilung entfernt. Es gibt Bereiche, da sieht man schneefreien Boden, aber auch solche, an denen der Schnee meterhoch getürmt ist. Diese Schneeverwehungen sind aerodynamische Ausgeburten der bewegten Luft, des Sturms, der in den letzten Tagen den lockeren Schnee seinen mehr oder weniger turbulenten Bewegungen entsprechend dort aufgenommen und hier abgelegt hat.
Großen Einfluss auf die entstehende Struktur der Verwehungen haben Hindernisse, die die Luft kanalisieren – beschleunigen, abbremsen, in verschiedene Ströme aufteilen, in Turbulenzen treiben und das alles unter harten physikalischen Bedingungen, etwas der, die Luftdruckunterschiede den Umständen entsprechend minimal zu halten. Überhaupt sind die Luftbewegungen nichts anderes als Ausgleichsströmungen zwischen Gebieten hohen und niedrigerem Luftdruck, aber das auszuführen würde jetzt zu weit führen.
Wenn dann auch noch die Sonne scheint und die Schatten von Bäumen u.Ä. auf den Schnee fallen, kann man an den Krümmungen die Formen der Schneeverwehungen sehen, die ohne dies wegen der geringen Kontraste kaum und weniger eindrucksvoll zu erkennen wären.
Interessant sind dabei die Blaufärbungen der Schatten und Schattierungen. Das sind die Bereiche, in die das Sonnenlicht kaum oder gar nicht hinkommt und das Licht des blauen Himmels die Oberhand gewinnt.

Nichts als Schatten

Der Schatten ist zwar ein Nichts, ein Überhaupt-Nichts; aber er zeigt oft mehr als der Gegenstand dem Blick offenbart, er ergänzt und macht aus Halbheiten Ganzheiten.

Der Schatten des Lichts am 3. Advent

Man hört und liest immer wieder, dass Kerzenflammen keinen Schatten werfen. Das ist falsch, wie das Foto beweist. Hier steht eine brennende Kerze im Sonnenlicht und man sieht deutlich den Schatten der Kerzenflamme auf der inneren Leibung eines Fensters.
Der Schatten ist etwas kleiner als die Flamme, weil nur der innere Teil der Flamme, durch den glühende Kohlenstoffteilchen hindurchströmen, Sonnenlicht absorbiert. Der Außenbereich der Flamme ist hingegen weitgehend lichtdurchlässig.

Wie kommt es, dass der Schatten einen geraden Docht zeigt, und warum ist er im Original gekrümmt?

Der Stoff, aus dem die Schatten sind

Als Entität für sich betrachtet, ist der Schatten seltsam. Er ist ein wirkliches materielles Faktum, ein physikalisches Loch im Licht, hat aber weder eine stabile Form noch eine kontinuierliche Existenz; andererseits aber sind die Metamorphosen, die er durchläuft, determiniert, und obwohl er diskontinuierlich ist, kann er wiederkehren. Wie die Farbe wird Schatten nur in Abhängigkeit vom Licht realisiert, aber anders als die Farbe hat der Schatten kein permanentes, molekular definiertes Eigengebiet. Obwohl seine aktuelle Manifestation auf Oberflächen stattfindet, ist sein Reich dreidimensional und innerhalb dieses Reichs ist ihm alles untertan. Und so weiter. All dies mag durchaus etwas mit Leonardo da Vinci und jenen anderen zu tun gehabt haben, die sich manchmal fragten, ob der Schatten vielleicht nicht nur ein lokales Negativ des Lichts sei, sondern auch dessen aktiver Gegenspieler, der aus der Dichte ausstrahlt wie das Licht von einer Lichtquelle.*

Wer findet heraus, welcher Alltagsgegenstand auf dem Foto abgebildet wurde?

* Michael  Baxandall. Löcher im Licht. München 1998. S. 156

Rätselfoto des Monats Dezember 2020

Wie kommt es zu der doppelten Abbildung der Fenster?

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Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2020

Frage: Was haben Schneebeeren mit Schnee gemeinsam?

Antwort: Schneebeeren sind weiß und erinnern dadurch an den Schnee, mit dem sie die Farbe teilen. Die Namensgebung ist auch deshalb gerechtfertigt, weil die Beeren außer durch die Farbe weitere Bezüge zum Schnee haben.  Zum einen bleiben bis in den Winter hinein an den Ziersträuchern gleichen Namens (bot. Symphoricarpos albus) hängen. Auch wenn die Winter in unseren Breiten immer schneeärmer zu werden drohen, erinnern sie uns an die Farbe des Schnees.
Als Kinder hatten wir unseren Spaß mit den weißen Früchten. Wenn man sie zwischen Daumen  und Zeigefinger zerquetscht oder sie mit dem Fuß zertritt, geben sie einen vernehmlichen Knall von sich. Zum Knallen können sie sogar dadurch gebracht werden, dass man sie auf den Boden schleudert. Wir nannten sie wegen der Ähnlichkeit zum damals für Kinder zulässigen Silvesterknaller auch Knallerbsen.
Zum anderen verweisen die Schneebeeren mit ihrer weißen Farbe nicht nur äußerlich auf den Schnee. Auch die Farbentstehung ist in beiden Fällen ganz ähnlich. Die Frucht besteht nämlich wie der Schnee zum Teil aus luftgefüllten Hohlräumen. Das merkt man auch daran, dass sie im Vergleich zu gleich großen anderen Früchten äußerst leicht ist.
Wenn Licht in diese Hohlräume hinein gebrochen wird und dann auf das optisch dichtere Medium trifft, wird es vom Einfallslot weg gebrochen. Das führt ab einem bestimmten Einfallswinkel dazu, dass die gebrochenen Strahlen gar nicht mehr in die feste Substanz eindringen, sondern total reflektiert werden – das Licht wird also wie an einem Spiegel so gut wie unverändert zurückgeworfen. Abgesehen von geringen Absorptionsverlusten bei weiteren Reflexionen verlässt das Licht nur wenig geschwächt die Beere. Allerdings wird es der jeweiligen Form der Grenzflächen und der Zahl der Reflexionen entsprechend in verschiedene Richtungen reflektiert, sodass das einfallende Licht zu einem diffusen Weiß gemischt wird – der Farbe in der die Beere dann erscheint.
Wenn man die Schneebeere knallend zerdrückt, entweicht die Luft und wird durch die wässrige Substanz ersetzt. Sie erscheint dann glasig und teilweise bräunlich verfärbt. Die Luft ist also raus und damit die Luftnummer beendet.
Auch bei den an sich transparenten Eiskristallen, aus denen die Schneeflocken aufgebaut sind, wird das Licht nur zum Teil an den Kristallebenen reflektiert, zu einem anderen Teil dringt es zwischen die Verästelungen der Eiskristalle und wird beim Wiederaustritt an der Grenzfläche zu den lufterfüllten Zwischenräumen oberhalb des kritischen Winkels total reflektiert. Daher ist eine wesentliche physikalische Ursache der weißen Schneebeere dieselbe wie die des weißen Schnees.
Bei vielen weißen Blüten, zum Beispiel beim Buschwindröschen spielt die Totalreflexion ebenfalls eine wichtige Rolle.
Manchmal führt die Totalreflexion zu recht merkwürdigen Effekten, wie man sie beispielsweise beim Eindringen eines Laserstrahls in eine dünne Wasserschicht beobachten kann.

Emanzipierter Schatten

Als ich am frühen Morgen in den Dünen meinen Schatten auf der Nachbardüne spazieren sehe – natürlich synchron zu meinen eigenen Bewegungen – fühle ich mich an Peter Schlemihl erinnert und habe plötzlich das Gefühl meinen Schatten verloren zu haben. Aber die Sache klärt sich schnell zu meinen Gunsten auf. Der Schatten stolziert nicht auf einer Nachbardüne, sondern auf dem Schatten der Düne, auf dessen Spitze ich gehe. Noch einmal Glück gehabt!

Wirbel um ein schwarzes Loch

Was wie ein Bauchnabel mit unbestimmter Tiefe aussieht ist das Ergebnis eines vorangegangenen Sandsturms in einer Dünenlandschaft. Nachdem sich der Sturm gelegt hatte blieb ein ästhetisch ansprechendes Bild zurück, das eher an eine moderne Grafik erinnert als an eine unwirtliche Landschaft. Die Schatten, die die Sandrippel beranden und auf diese Weise besonders hervorheben, verraten, dass die Aufnahme bei tiefstehender Sonne gemacht wurde. Weiterlesen →

Im Bilde sein

…Bilder sind das einzige, wodurch das Unfassbare zu uns spricht, nur durch Bilder schlüpft es in uns hinein.
Nur wer die Dinge im Bilde besitzt, dem gehören sie zu.*

* Erhard Kästner. Zeltbuch von Tumilat. Frankfurt 1983, S. 84

Etwas sehen, wo nichts ist

Manchmal sieht man etwas, indem man sieht, dass etwas fehlt. Es ist wie ein Schatten – man sieht beispielsweise eine Person gerade dort, von wo von ihr überhaupt kein Licht ausgehen kann, weil sie durch ihre bloße Anwesenheit verhindert, dass dort Licht hinkommt.

Ähnlich ist es mit dem Realitätsgehalt des schwarzen Tees, den ich kürzlich angeboten bekam. Er war nämlich so schwarz, dass alles Licht darin verschwand und nichts zurückkam. Obwohl ich ihn also nur dadurch sehen konnte, dass ich das Drumherum sah, hatte dieses keinen merklichen Einfluss auf den Geschmack – der Tee war vorzüglich.

ScHerz

Wenn man nur darauf achtet sind wir von mehr Herzlichkeit umgeben als wir denken.

Und doch braucht das Herz eine Sprache,
Bringt der alte Instinkt die alten Namen zurück.

Samuel Taylor Coleridge (1772 – 1834)

Hiermit setze ich meine Herzserie fort, denn Herzen haben es mir schon immer angetan – siehe z.B. hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier.

Selbstabbildung der Natur

Während das Original der Brennesselpflanze im grünen Allerlei der Umgebung untergeht, sind die natürlichen Gegebenheiten in dem Moment da ich an dieser Szenerie vorbeigehe gerade so, dass der Weidezaunpfosten seine Breitseite als Projektionswand anbietet, an der die Sonne ein schattenhaftes Portrait der Nessel entwirft.
Das Zeitfenster war nicht groß, das Abbild in dieser Form zu sehen zu bekommen. In wenigen Minuten war das kleine Naturschauspiel vorbei. Auf dem Rückweg von der kleinen Wanderung hatte ich genügend Zeit über diese kleine Alltagsepiphanie nachzusinnen: Der Pfahl hatte schon lange die von ihm zugedachte Funktion verloren. Die ehemals eingezäunte Wiese war einem Feld gewichen. Und wenn der Pfahl nicht aus lange haltbarer Eiche geformt worden wäre, gäbe es ihn und damit auch diese Naturzeichnung nicht.

Rechteckige Blicke

Obwohl Rechtecke, gerade Linien, Kreise … in der Natur nur in mehr oder weniger guter Annäherung vorkommen, spielen sie in unseren Wahrnehmungen und darin zum Ausdruck kommenden Anschauungen, Einschätzungen und Beurteilungen natürlicher – oder besser: naturwüchsiger Dinge und Vorgänge eine kaum zu überschätzende Rolle. Das nebenstehende Foto ist dafür ein typisches Beispiel. Wir blicken auf eine flächenhafte Abgrenzung einer Baustelle. Man könnte das Material im Hintergrund vielleicht als Sperrholz ansehen, wenn es nicht die krummen Schattenlinien enthielte. Sie können nur von dem Drahtgitter ausgehen, das aus rechteckigen Feldern besteht. Die Verzerrungen der Schatten können also nur von einer unebenen Projektionsfläche herrühren, wie sie z.B. durch eine flexible Folie oder Plane gegeben wäre. Das ist hier auch tatsächlich der Fall.
Die Erkenntnis, dass erst der Blick durch ein schattenwerfendes Gitter eine realistische Einschätzung der Unebenheit einer Projektionsfläche erlaubt, wird bei der Visualisierung von dreidimensionalen Strukturen auf zweidimensionalen Medien (z.B. Papier, Bildschirm) seit langem in verschiedenen Bereichen ausgenutzt. Manchmal reichen auch bekannte Strukturen aus (z.B. Gebäude, Fenster), die auf bestimmten Projektionsflächen (z.B. einer Fensterscheibe) verzerrt erscheinen, um Rückschlüsse auf die ansonsten nicht zu erkennende Form der Flächen zu ziehen.

Rätselfoto des Monats September 2020

Welche physikalischen Vorgänge führen zu diesen Strukturen?

Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2020

Frage: Was passiert hier?

Antwort: Das Foto ist an sich nicht manipuliert, es wird hier nur kopfstehend präsentiert, um das Rätsel auf dem Foto noch etwas zu vertiefen. Dreht man das Foto richtig herum, so erkennt man, dass es sich bei den Bäumen um Reflexionen im Wasser handelt. Indem ein Stein ins Wasser geworfen wurde, machten sich von der dadurch bewirkten Störung der Wasseroberfläche Ringwellen auf den Weg zum Ufer. Das durch die Störung erzeugte Wellenpaket enthält anschaulich gesprochen zahlreiche Wellen, die sich nach dem Ereignis nach Wellenlängen sortieren. Die Wellen mit der größeren Wellenlänge haben eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit und eilen denen mit der jeweils kleineren Wellenlänge voraus. Das gibt dem Ringmuster einen ästhetischen Reiz, der allerdings erst dadurch sichtbar wird, dass das von den umstehenden Bäumen auftreffende Licht den Deformationen der Wasseroberfläche entsprechend reflektiert wird.
In der Mitte sieht man den Reflex eines Baumstamms, dessen quer über das Ringsystem verlaufender Reflex dem Auf- und Ab der Wellen entsprechend als Schlangenlinie erscheint. Der Eindruck der schüsselförmigen Vertiefung des Ringsystems ist eine optische Täuschung aufgrund des umgedrehten Fotos. Denn dadurch wird insbesondere die Perspektive umgekehrt.

Eine weiße Fläche unter Lichtentzug

Ist es nicht erstaunlich, dass eine weiße Fläche, der man in strukturierter Weise das Licht ganz oder teilweise entzieht, unerhörte visuelle Einsichten eröffnen kann, die sich einzig aus der Logik des Kontrasts ergeben und durch die etwas als etwas ansichtig wird?

Gestaffelte Schatten eines Schmetterlings

Ein Schatten ist so gut wie niemals ein Gebiet mit völliger Abwesenheit von Licht. Auf diesem Foto fällt die Sonne gerade so ein, dass die Flügel eines Kohlweißlings mehrere Streifen unterschiedlich dunkler Schatten werfen. Man muss schon genau hinschauen, um zu erkennen, was hier materiell und was nur virtuell ist. Weiterlesen →

Auch Kondensstreifen werfen Schatten

Auf einer Wanderung richtet man den Blick meist nicht gerade in den Himmel. Als ich es dann auf einem befestigten Weg doch tat, sah ich dass der Kondensstreifen eines Flugzeugs durch eine dunkle Linie verlängert war. Das Flugzeug schien wie auf einer vorgezeichneten Bahn zu fliegen. Bevor ich aber die Kamera bereit hatte, schwächelte der Kondensstreifen und auch die dunkle Linie büßte an Deutlichkeit ein. Das nebenstehende Foto gelang kurz bevor das Flugzeug den Kondensstreifen „abschaltete“ und auch der dunkle Streifen verschwand. Deswegen habe noch eine kontrastverstärkte Version beigefügt (rechtes Foto). Weiterlesen →

Mondphasen an Flugwarnkugeln

Manche Hochspannungsleitungen sind mit (meist orangefarbenen) Kugeln bestückt (Foto). Ich habe sie bislang vor allem an Autobahnen gesehen. Sie dienen vor allem dazu, tieffliegende Flugzeuge oder Hubschrauber zu warnen, weil die Seile selbst oft schwer zu erkennen sind. Das erklärt auch die Häufigkeit des Vorkommens an Autobahnen, wo mit Hubschraubern bei Rettungseinsätzen zu rechnen ist. Weiterlesen →

Schattenlinien

…bisweilen scheint der Sand den Schatten aufzutrinken, der als Stundenzeiger über meine Tage hinstreicht…

Jean Prévost (1901 – 1944)

Die Kunst eine Brille abzulegen

Um einer möglichen bösen Überraschung vorzubeugen, die darin bestehen könnte, dass die Brille vom Buch herunterrutscht und auf dem Fliesenboden zerbricht, habe ich sie mit dem einen Glas in der v-förmigen Vertiefung zwischen den beiden Buchseiten verankert.
Damit ging nun aber eine andere weniger böse, weil optische Überraschung einher. Das Brillenglas schien verzerrt, jedenfalls wenn man auf das Schattenbild blickte. Zum Glück gehen optische im Unterschied zu mechanischen Einwirkungen zärtlich mit den Gegenständen um, indem sie nur virtuelle und zudem reversible Deformationen und Verrückungen und das auch nur im Schattenbild hervorrufen. Bleibende Schäden sind daher nicht zu erwarten.
Außerdem tun sie das sehr herzlich.

Reflektierende Hände

Ich sitze am Fenster und lese. Ich halte das Buch so, dass das strahlende Sonnenlicht nicht direkt auf die Seiten fällt (oberes Foto). Die Helligkeit wäre zu intensiv und zu anstrengend. Beim Umblättern stelle ich jedoch fest, dass die im Schatten liegenden Seiten plötzlich aufgehellt werden (unteres Foto).
Meine nun gar nicht mit einem Spiegel zu vergleichende Hand reflektiert das auftreffende Licht auf die Buchseiten. Auch wenn meine Hände das Licht nicht spiegelnd reflektieren, so reflektieren sie es dennoch diffus in alle Richtungen wie jeder andere Gegenstand auch. Obwohl mir der Effekt bekannt ist, erstaunte er mich durch seine Deutlichkeit, die im Foto nur schwer wiederzugeben ist.
Einen ganz ähnlichen Effekt habe ich früher schon einmal beschrieben und dabei auf Gemälde von George de la Tour (1593 – 1652) verwiesen, der die diffuse Reflexion von Händen und Gesichtern mit malerischen Mitteln in geradezu fantastischer Weise ausnutzt.

Tautropfen als optische Linsen

Einige Tautropfen auf dem Schilfblatt werden von der tiefstehenden Sonne unter großem Einfallswinkel getroffen. Das Licht wird durch diese flüssigen Linsen auf einen Brennfleck fokussiert. Dort wo das Licht infolgedessen fehlt, verhält sich der Tropfen wie ein undurchsichtiges Gebilde und ruft einen Schatten hervor. Dieser bietet dem Brennfleck einen idealen Hintergrund, indem er den Helligkeitskontrast steigert und den Brennfleck noch prägnanter erscheinen lässt.
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Farbige Schatten am Abend

Am frühen Abend am Schreibtisch sitzend liegt eine Perle vor mir. Dass sie dort liegt wird mir eigentlich erst bewusst, als ich die Schreibtischleuchte anknipse. Ab diesem Moment schmückt sich die unscheinbare Perle mit zwei voneinander getrennten Schatten. Klar, der eine rührt vom Tageslicht her, das frontal durch das Fenster fällt und der andere von der Glühlampe. Und da das Licht aus jeweils unterschiedlicher Richtung kommt, sind die Schatten weitgehend getrennt. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Juli 2020

Welche Naturphänomene sind auf dem Foto zu erkennen. In welche Himmelsrichtung blickt man?

Erklärung des Rätselfotos des Monats Juni 2020

Frage: Wie kommt der Schatten in den Schatten?

Frage: Wie kommt der Schatten in den Schatten?
Antwort: Eines Abends bei schon tiefstehender Sonne entdeckte ich den eigenen Schatten innerhalb eines fremden Schattens, dem eines Gebäudes. Er war verständlicherweise allein schon aus Gründen des Kontrasts nicht besonders ausgeprägt aber gut sichtbar. Er fiel mir zunächst nicht direkt auf, sondern erst aufgrund der Koordination der Bewegungen meines vor mir hergeschobenen Erstschattens, mit zunächst nur schemenhaft aus dem Augenwinkel bemerkten Bewegungen innerhalb eines anderen Schattens.
Des Rätsels Lösung ist nicht mystisch, sondern physikalisch. Ich brauchte mich nur umzudrehen, um den Ursprung der Lichtquelle zu sehen, die meinen Zweitschatten bewirkte. Ich blickte in ein blendendes Fenster eines relativ weit entfernten Gebäudes. Das kommt insbesondere bei tiefstehender Sonne nicht selten vor. Seltener ist es jedoch, dass der Zweitschatten auf eine Projektionsfläche geworfen wird, die nicht von der wesentlich heller strahlenden Sonne direkt beleuchtet wird. Da würde die geringfügige Aufhellung durch das vom Fenster reflektierte Licht nicht zu sehen sein. Im vorliegenden Fall wird durch den Fensterreflex ein direkter Schatten etwas aufgehellt, sodass der Schatten meiner im Wege stehenden Person einigermaßen deutlich zu sehen ist.

Vor dem längsten Tag mache ich mich noch einmal lang

Das ist einfacher gesagt als getan. Denn man muss wirklich früh aufstehen, sodass die Sonne weit genug über den Horizont gestiegen ist, um einen deutlichen Schatten werfen zu können. Aber dann wird man – wie dieses leider nur mit einem Handy aufgenommene Schattenselfie zeigt – zumindest in seinem Schatten so lang wie nie. Außerdem erscheint der Schattenkopf von einer Aufhellung – einer Art Heiligenschein – umgeben. (Leider versagt die Handykamera hier die Helligkeitsübergänge gut wiederzugeben.)
Genau genommen ist es nämlich kein vollständiger Heiligenschein, wie man ihn von der morgendlichen Wiese kennt, denn es fehlen die Wassertröpfchen. Wir haben es hier nur mit einem Oppositionseffekt zu tun. Der rührt daher, dass um den Sonnengegenpunkt (Antisolarpunkt) alle Schatten der Rauigkeiten des Weges minimal werden. Denn man blickt ziemlich genau mit der Sonne im Nacken auf sie. Die Stelle erscheint daher sehr hell. Aber je weiter man sich von diesem Punkt entfernt und damit immer schräger auf den Untergrund blickt, desto mehr beschattete Bereiche kommen ins Bild mit der Folge, dass die mittlere Helligkeit der Szenerie abnimmt.
Bei den grotesken Verzerrungen spielt die perspektivische Verkürzung eine wichtige Rolle. So erscheinen die Schatten umso mehr in die Länge gezogen, je näher sie sich beim Original befinden (siehe die Entfernung bis zum unteren Ansatz der Hosenbeine).

Blätter im Sonnenlicht

Das zierlich eingekerbt-, und nett-gezackte Laub,
Wodurch die Adern sich bis an die Ecken,
Voll klares Safts, wie Blut, erstrecken,
Ist recht verwunderlich geweb´t. Solch eine Menge
Stets wiederum aufs neu geteilter zarter Gänge
Durchflicht das ganz Blat, wodurch es sich vereint,
Und, wie ein grünes Fleisch, voll grüner Adern scheint.
Ein Blat beschattet oft das ander´, und vermehret,
Durch seine dunk´le Zierlichkeit
Der Schatten, Bildungen und Farben Unterscheid.

* Barthold, Hinrich Brockes (1680 – 1747). Im grünen Feuer glüht das Laub. Weimar o.J., S. 31

Der Mond ist keine Scheibe

Wenn man den nächtlichen Vollmond betrachtet, hat man nicht den Eindruck, dass es sich um eine Kugel handelt, obwohl wir wissen dass es so ist. Wir sehen ihn wie auch die Sonne als Kreisscheibe, weil er im Vergleich zur Umgebung so hell ist, dass seine Oberflächenstruktur auch unter günstigen Bedingungen nur schemenhaft zu erkennen ist, ansonsten aber weitgehend überstrahlt werden. Dieses Phänomen der Irradiation kennt man aus dem Alltag. So scheint sich die Sonne ein Loch durch dürres Geäst zu brennen oder der junge Mond scheint einen größeren Radius zu haben als der volle Mond. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Juni 2020

Wie kommt der Schatten in den Schatten?

Erklärung des Rätselfotos des Monats Mai 2020

Frage: Was ist physikalisch interessant an diesem Blick in ein Schaufenster?

Antwort: Als ich an den Schaufenstern eines Modegeschäfts vorbeiging nahm ich aus dem Augenwinkel wahr, dass sich dort etwas in umgekehrter Richtung bewegte. Es hörte sofort auf, als ich stehenblieb und nach der Ursache für diese Bewegung suchte. Ich sah eine Schaufensterpuppe in einem überdimensionalen Folienspiegel abgebildet. Gleichzeitig sah ich mich selbst darin gespiegelt allerdings kopfstehend. Die Puppe und ich standen vor einem Hohlspiegel. Warum war sie „aufrichtig“ und ich „verkehrt“. Die Ursache für diesen Unterschied lag in der unterschiedlichen Entfernung vom Spiegel. Die Puppe befand sich innerhalb der einfachen Brennweite des Spiegels und wurde wie beim vergrößernden Schminkspiegel den Reflexionsgesetzen gemäß aufrecht abgebildet. Ich selbst befand mich weiter entfernt zwischen einfacher und doppelter Brennweite und wurde wie die  Gebäude im Hintergrund auch kopfstehend abgebildet.