Schmutz

Strukturiertes Eisschmelzen

Eis schwimmt auf dem Wasser. Denn anders als bei vielen anderen Stoffen nimmt die Dichte von Wasser mit abnehmender Temperatur bis 4° C zwar zu, danach wird sie jedoch wieder geringer. Kaum auszumalen, wenn es diese Anomalie des Wassers nicht gäbe. Daher schmilzt eine Eisschicht auch meistens über der sie tragenden Wasseroberfläche. Wenn die feste Eisschicht jedoch wie im vorliegenden Fall in einer Regentonne verkeilt ist und am Aufsteigen als Ganzes gehindert wird, bildet sich über dem Eis eine Wasserschicht.
Das Eis schmilzt unter dem Wasser und bietet ein interessantes Szenario, wenn man sich denn die Zeit nimmt, dies zu beobachten. Man kann zwar wegen der Transparenz des Wassers kaum etwas direkt sehen, aber einige Vorgänge erlauben Rückschlüsse auf den komplexen Schmelzvorgang. So kann man beispielsweise an der Bewegung von Schmutzpartikeln erschließen, was sich in der Wasserschicht tut.
Im vorliegenden Fall haben sich die komplexen Bewegungen in den Eiskörper „eingebrannt“, was an den mehr oder weniger regelmäßigen Kanälen zu erkennen ist. Die Kanäle zeugen von wärmeren Wasserströmen, die das Eis lokal zum schmelzen bringen und dadurch kälter geworden zur Oberfläche aufsteigen.
In der Mitte sieht man eine ins Eis geschmolzene Mulde, in der sich Schmutz gesammelt hat. Da das Sonnenlicht kaum vom Eis absorbiert wird, wohl aber der dunkle Schmutz, hat sich dieser erwärmt und lokal zu einer stärkeren Abschmelzung geführt.

Ein bunter Schmutzeffekt

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 8 (2022) S. 72

In jeder flüchtigen Erscheinung sehe ich Welten,
voll vom Wechselspiel der Regenbogenfarben
Konstantin Balmont (1867–1942)

An einer verstaubten Glasscheibe können sich Lichtwellen überlagern, die in unterschiedlicher Reihenfolge gestreut und reflektiert wurden. Dabei entstehen spektralfarbene Strukturen aus Streifen oder Ringen

Der Versuch, bei geringer Helligkeit durch ein Fenster eines verlassenen Gebäudes hindurch zu fotografieren, brachte eine rätselhafte Erscheinung zu Tage. Die Kamera fokussierte automatisch auf die staubige Scheibe und löste das Blitzlicht aus. Das Bild zeigte daher nicht das Innere des Raums, sondern den Lichtreflex auf dem Glas. Dieser war von einer Reihe bunter Streifen umgeben – ein zufälliger Farbfehler der Kamera? Einige Zeit später erschien beim Parken eines PKWs vor einer Fensterfront das zurückgeworfene Scheinwerferlicht von einem ganz ähnlichen Muster umgeben. Es muss sich also um ein reproduzierbares optisches Phänomen handeln.

Für dessen Entstehung war eine Schmutzschicht auf dem Fenster ausschlaggebend. Denn dort, wo es gereinigt wurde, traten keine Farben auf. Damit schied schon einmal ein Interferenzphänomen aus, das bei Doppelglasscheiben zu beobachten und durch Säubern der Scheiben eher noch deutlicher zu sehen ist (siehe »Spektrum« März 2018, S. 68). Die mysteriöse Beobachtung entpuppt sich vielmehr als »queteletsche Ringe«, benannt nach dem vielseitigen belgischen Wissenschaftler Adolphe Quetelet (1796–1874).

Aus dem Alltag kennt man ganz ähnlich erscheinende spektralfarbige Ringe in Gestalt von so genannten Koronen. Sie umsäumen unter bestimmten Bedingungen Lichtquellen wie die Sonne oder den Mond und stammen von winzigen, in der Luft schwebenden Teilchen wie Wassertröpfchen oder Pollen. Manchmal genügt eine beschlagene Fensterscheibe, um eine hindurch schimmernde Laterne von bunten Kreisen umgeben zu sehen.

Bei solchen Koronaphänomenen sind gleich große Partikel entscheidend, an denen das Licht gestreut wird. Das kann bei den queteletschen Ringen nicht der Fall sein, denn hier haben wir es mit einem zufällig entstandenen Staubbelag aus völlig unterschiedlichen Körnchen zu tun. Außerdem blickt man nicht auf die Lichtquelle selbst, sondern auf deren Spiegelung. Darüber hinaus umrahmen die Farbringe im Allgemeinen nicht den Lichtreflex selbst, sondern sie scheinen um eine außerhalb gelegene Stelle zu kreisen, so als wäre beide Erscheinungen völlig unabhängig voneinander.

Bei näherem Hinsehen hat der monochrome Lichtfleck allerdings durchaus eine ausgezeichnete Stellung: Bei ihm handelt es sich um die nullte Beugungsordnung. Sie liegt bei einer normalen Korona in der Mitte, befindet sich hier aber auf einem der Ringe jenseits des Zentrums. Zu ihren beiden Seiten schließen sich die erste, zweite und weitere Beugungsordnungen in Form bunter Bögen an. Die Farbreihenfolge kehrt sich beidseits der nullten Ordnung um, das heißt von dieser aus gesehen verlaufen die Farben auf den weiteren Streifen immer von Blau nach Rot. Das ist ein charakteristisches Merkmal für queteletsche Ringe. Sie zeigen darüber hinaus die typischen Eigenschaften einer spiegelnden Reflexion. Wenn man sich also quer zu den Bögen bewegt, verschieben sie sich in die jeweils entgegengesetzte Richtung, und bei Annäherung an die Scheibe vergrößern sich die Krümmungsradien.

Wie bei der Entstehung von Koronen sind auch hier winzige Streuteilchen ausschlaggebend. Bei den queteletschen Ringen liegen sie auf einer transparenten Ebene, zum Beispiel einer Glasscheibe. Außerdem ist eine zweite Schicht nötig, die das Licht reflektiert. Das kann die Rückseite der Scheibe sein oder besser noch der Metallüberzug eines Spiegels.

Zu einer Interferenz kommt es immer dann, wenn zwei Wellen, die von einem Punkt der Lichtquelle ausgehen, in ganz bestimmter Weise mit der verschmutzten Scheibe wechselwirken (siehe »Entstehung der Quetelet-Ringe«). Dabei wird eine Welle an einem Staubkörnchen auf der Vorderseite der Scheibe gestreut und anschließend an der Rückseite reflektiert. Die andere wird umgekehrt zunächst hinten reflektiert und dann vorne an demselben Partikel gestreut. Wegen der unterschiedlichen Reihenfolge von Ablenkung und Spiegelung legen beide geringfügig verschiedene Wege zurück. Wenn sie sich daraufhin im Auge oder auf dem Kamerasensor überlagern, gibt es zwischen ihnen eine Phasenverschiebung. Dieser Gangunterschied sorgt je nach Standort für die Verstärkung und Auslöschung des Lichts.

Blickt man senkrecht auf die Glasfront, während sich beispielsweise der Scheinwerfer oder die Sonne in gerade Linie hinter einem befindet, hat man einen ganz symmetrischen Fall. Alle Staubteilchen, die sich gleich weit vom Fußpunkt der Achse zwischen Lichtquelle und Beobachter befinden, erfüllen dieselbe Bedingung für die Streuung. Dann kommt das nullte Interferenzmaximum mittig in den konzentrisch angeordneten Farbringen zu liegen. Allerdings steht man dabei der Lichtquelle im Weg und verdeckt zumindest einen Teil von ihr. Man wird daher normalerweise seitlich ausweichen und unter einem kleinen Winkel auf die Scheibe blicken. Dadurch verlagert sich das Zentrum des Ringsystems in die entgegengesetzte Richtung, und das Spiegelbild der Strahlungsquelle wandert auf einen der Ringe.

Die queteletschen Ringe lassen sich mit einfachen Mitteln experimentell herstellen. Dazu genügt ein ebener Spiegel, der von kleinen Tröpfchen beschlagen oder mit Talkum bestäubt ist. Platziert man sich mit einer möglichst punktförmigen Lichtquelle – etwa einer Taschenlampe, deren Reflektor entfernt wurde – in einem Abstand von zwei bis drei Meter davor und hält die Lampe an Stirn, so sind um den direkten Reflex im Spiegel herum farbige Streifen erkennbar. Diese sind Ausschnitte von Ringen, deren Zentrum je nach Abstand zwischen Auge und Lampe wandert.*

* Einreichversion des Spektrumartikels: Ein bunter Schmutzeffekt.

Selbstaufzeichnung von Schmutzbahnen

Eine unangenehme Eigenschaft von Schmutz besteht darin, dass er oft ziemlich anhänglich ist. Er bleibt an den Schuhen, an den Reifen und fast an allem hängen, wenn er nicht aktiv daran gehindert wird. Schaut man sich Oldtimer-Autos an, so mag ja vieles an ihnen fehlen, aber Kotflügel findet man fast immer. Selbst die Pferdekutschen hatten bereits solche, auch wenn die „Flügel“ heute weniger vor Kot schützen als vor Dreck ganz allgemein. Dabei besteht dieser Dreck vor allem aus Staub, Erde, Sand, die mit Wasser vermengt eine klebrige Masse – Matsch – ergeben.
Die Ursache für diese Anhänglichkeit ist vor allem die Wasserliebe (Hydrophilie) des Straßendrecks einerseits und der Karosserie des Autos andererseits. Wenn man durch Matsch fährt, bleibt dieser zum Teil an den Reifen kleben. Das liegt daran, dass das Reifenmaterial ebenso wasserliebend ist wie der Dreck, der mit Wasser zusammen eine Art Kleister bildet.
Wenn sich die Reifen drehen, wird der anhaftende Schmutz ebenfalls auf die Rundreise geschickt. Aber nur bei kleinen Geschwindigkeit. Bei höherer Drehzahl, löst sich der Schmutz. Um das zu verstehen, müssen wir kurz auf den physikalischen Trägheitssatz zu sprechen kommen. Demnach bleibt ein Körper in Ruhe oder gleichförmiger Bewegung (bewegt sich also mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus), wenn er durch keine Kraft daran gehindert wird. Der mit den Reifen in Bewegung gesetzte Schmutz wird auf eine Rundreise gezwungen. Das macht er aber nur solange mit, wie die Adhäsionskraft ausreicht, die Kraft mit der der Schmutz vom drehenden Reifen zum Zentrum der Drehbewegung gezogen wird, zu kompensieren. Da diese sogenannte Zentripetalkraft mit der Geschwindigkeit zunimmt, die Adhäsionskraft aber konstant ist, kommt es schließlich zur Trennung von Reifen und Schmutz. Auf diese Weise sich selbst überlassen bewegt sich der Schmutz geradlinig gleichförmig weiter und entfernt sich tangential vom Reifen. Die Kotflügel sind dazu da, den sich entfernenden Schmutz aufzufangen. Dabei kann es passieren, dass insbesondere bei Kurvenfahrten ein Teil streifend an der Karosserie entlang schleift und teilweise haften bleibt. Dadurch werden die geraden Bahnen gewissermaßen aufzeichnet (siehe Foto).
Genau genommen ist der Weg des frei gewordenen Schmutzes auch nicht ganz gerade und gleichförmig. Denn sobald er den Reifen verlassen hat, macht sich die Erdanziehungskraft bemerkbar, durch die er auf eine Bahn des schiefen Wurfs gezwungen wird. Aber diese Kraft ist vergleichsweise so gering, dass die Bahnkrümmung auf dem kurzen Weg bis zum Kotflügel nicht zu sehen wäre. Nur wenn der Kotflügel fehlte, würde der schräg nach oben startende Schmutz im hohen Bogen wieder zur Erde oder vorher auf andere Verkehrsteilnehmer zurückkommen. Dabei hätte er abermals Gelegenheit, seine Anhänglichkeit unter Beweis zu stellen.
Doch kaum einer interessiert sich für die spannende Geschichte des Schmutzes und die rühmliche Rolle, die ein Kotflügel spielt…

Aus Schichten werden Geschichten

Zuerst waren da die frisch verlegten Fliesen, dann kam der Dreck, darüber legte sich ein nicht mehr benötigtes Blatt und schließlich versuchte der Schnee alles unter seinen weißen Teppich zu kehren. Der Versuch misslang, weil der Nachschub ausblieb.
Das Foto zeigt mit einem Blick und auf exemplarische Weise, was es heißt auf einer Erde zu leben, in der die Schwerkraft regiert. Alles was sich aufrichtet, hochfliegt oder sonstwie vom Boden zu erheben versucht, wird früher oder später auf diesen zurückkommen und sich flach legen. Am anschaulichsten erlebt man dies im Herbst, wenn die Blätter fallen. Die Blätter liegen nicht irgendwie auf dem Boden, sondern flach in Schichten als ob sie die dritte Dimension meiden würden. Nur durch äußere Einwirkungen können sie temporär erhoben werden.
Auch wenn ich jetzt etwa arg vorgreife, so droht doch letztlich allem eine schichtweise Versteinerung. Für die Geologen sind die versteinerten Schichten so etwas wie die Blätter im Buch der Erdgeschichte. Sie geben Aufschluss über längst vergangene Zeiten und erzählen spannende Geschichten darüber. Mir wird ganz anders zumute, wenn ich mir klarmache, dass hier wo ich wohne einst ein tropisches Meer an von Touristen unberührte Strände wogte… Aber das sind andere Ge-Schichten.

Schatten als Verminderung von Licht

Schatten sind meist negativ konnotiert. Das haben sie u.a. ihrer Dunkelheit, Flachheit und Farblosigkeit zu verdanken. Manchmal sind sie sehr rätselhaft und ziehen uns in eine Situation hinein, die nach Aufklärung verlangt. Das ist im nebenstehenden Foto der Fall.
Ich blicke durch eine Glastür der tiefstehenden Sonne entgegen und sehe zu Reinigungszwecken aufgestellte Leiter schemenhaft im Original und als überdimensionalen Schatten – was die Notwendigkeit der geplanten Reinigung noch einmal unterstreicht. Weiterlesen →

Ein reinigender Regen

Es regnete so stark, daß alle Schweine rein
und alle Menschen dreckig wurden.

Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Bei einer Wanderung werde ich von einem Regenschauer überrascht. Meine Hose wird mit Dreckspritzern übersät, die die prasselnden Regentropfen vom matschigen Boden auslösen. Als ich beginne, mich darüber zu ärgern, fällt mein Blick auf einige Blätter, die auf dem dreckigen Boden wie „abgeleckt“ aussehen. (Vergrößern durch Klicken.) Weiterlesen →

Hunde wollt ihr ewig leben?

Er sitzt hier zwar schon einige Zeit und hat verschiedene Gestalten durchlaufen. Die dunklen Partien seines Fells sind erst in den letzten Tagen so richtig hervorgetreten. Ich bin gespannt, wie lange er es unter den derzeitigen Bedingungen noch macht.

Wer genaueres für diese merkwürdige Art der Strukturbildung wissen möchte, kann hier nachsehen.

Ein farbenfroher Dreckeffekt

Vor einigen Jahren fuhr ich regelmäßig mit der Bahn von einem kleinen Bahnhof aus, der seit langem unbenutzt war. Als ich auf den Zug wartend an einem frühen Morgen in der Dunkelheit meine neue Kamera ausprobieren wollte, fotografierte ich mit Blitzlicht eine Glastür. Ein vernünftiges Bild erwartete ich natürlich nicht. Doch bei näherer Betrachtung des Ergebnisses zeigten sich Ausschnitte aus farbigen Ringen, die quer über die Scheibe liefen. Systematische Wiederholungen solcher Fotografien zeigten, dass hier ein Phänomen im Spiel war. Weiterlesen →

Bei Licht besehen

Der Schmutz ist glänzend,
wenn die Sonne scheinen mag.

Johann Wolfgang von Goethe

Schmutz und Dreckwetter, und das auf dem Weihnachtsmarkt. Man rettet sich von einer halbwegs trockenen Insel zur nächsten. Doch schaut euch das, was ihr mit den Füßen zu meiden versucht, mit den Augen etwa genauer an. Hat das dreckige Pflaster nicht auch etwas sehr Schönes, machen die Lichtreflexe daraus nicht ein unfreiwilliges Kunstwerk? Als ich das entdeckte, tastete ich mich genauso vorsichtig von einer Insel zur nächsten. Aber irgendwie war mir, dass ich es nicht tat, um meine Schuhe zu schonen, sondern weil ich es nicht wagte, ein Kunstwerk mit Füßen zu treten.

Zwischen weißer Pracht und Schmutzskulptur

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 2  (2016), S. 48 – 49

Schneeflächen schmelzen oft ungleichmäßig und hinterlassen zahlreiche Vertiefungen. An den exponierten Stellen wiederum sammeln sich Verunreinigungen. Beide Prozesse hängen eng zusammen.

»Der Schnee ist eine erlogene Reinlichkeit.«
Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832) Weiterlesen →

Farbige Schattensäume im Wasser.

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 34/4, 177-179 (2003).

Schatten und Schmutz können in Gewässern zu ästhetisch ansprechenden Farberscheinungen führen, die oft übersehen und erst auf den zweiten Blick verständlich werden.

PDF Farbige Schattensäume im Wasser.