Spektralfarben

In Farben funkelndes Gras in der Morgensonne

Zugegeben, das Foto ist unscharf. Aber das ist bewusst geschehen. Denn anderenfalls hätte ich kaum einen Eindruck davon vermitteln können, wie das Gras vor ein paar Tagen in der Morgensonne in allen Spektralfarben funkelte. Es sind die Tautröpfchen, die – normalerweise übersehen oder in Form nasser Füße ein Ärgernis darstellen – hier deutlich und ästhetisch ansprechend auf sich aufmerksam machen. Sie reflektieren das Sonnenlicht ins Auge des Betrachters.
Wenn man die Sonne im Rücken hat und sich vor den tropfnassen Blättern bewegt, beobachtet man, dass das Funkeln in einem Aufflammen und Verlöschen einzelner Lichtblitze besteht, die synchron der Bewegung folgen. Beeindruckend ist insbesondere, dass neben weißen auch farbige Lichtblitze zu sehen sind. Wenn man einen Lichtpunkt fixiert und die Blickrichtung leicht variiert, kann man erreichen, dass dabei ein ganzes Spektrum von Farben durchlaufen wird. Durch die Beobachtungskonstellation wird klar, dass das Sonnenlicht ähnlich wie beim Regenbogen 1. Ordnung in die Wassertropfen eindringt und nach zweimaliger Brechung und einmaliger Reflexion ins Auge des Beobachters gelangt.
Da das weiße Licht aus allen Spektralfarben besteht, werden die Lichtstrahlen je nach Farbe unterschiedlich stark gebrochen und auf diese Weise wie von einem Prisma in Farben aufgespalten.
Doch wenn das Phänomen im Automatikmodus fotografiert wird, ist man meistens über das Ergebnis enttäuscht. Die Lichtblitze sind zu klein, um eine eine nennenwerte Spur auf dem Chip zu hinterlassen. Da hilft es dann in vielen Fällen nur noch, bewusst unscharf zu fotografieren, um so die winzigen Lichtblitze auf eine größere Fläche zu verschmieren und ihnen dadurch eine größere Sichtbarkeit zu verschaffen. Unsere Augen schaffen es beim Umherblicken u. A. mit Hilfe der angepassten Pupillenöffnung sich stets auf die betrachteten Details einzustellen. Bei den hellen Lichtpunkten, stellt sich eine winzige Pupillenöffnung ein; beim vergleichsweise dunklen Gras ist sie hingegen wesentlich größer.
Wir haben es hier also mit dem merkwürdigen Sachverhalt zu tun, dass eine bewusste fotografische Qualitätsverminderung Ansichten hervorbringt die anders nicht zu haben sind.
Man kann aber auch die Defokussierung so groß machen, dass die Zerstreuungskreise mehrere Farben gleichzeitig aufweisen. Auf diese Weise lassen sich mit der Unschärfefotografie auch künstlerische und ästhetische Aspekte realisieren. Diese auch physikalisch interessante Thematik wird vor allem unter dem aus dem Japanischen kommenden Begriff „Bokeh“ (von jap. 暈け = unscharf, verschwommen) diskutiert.

Regenbogenfarben

Als ich am Morgen noch etwas schlaftrunken das Haus verließ, glaubte ich zunächst meinen Augen nicht zu trauen. Durch das kahle Geäst der Bäume fiel mir eine beeindruckend hohe pastellfarbene Säule auf, die auf eine sehr unmittelbare und zugleich symbolische Weise die Farben anklingen ließ, die der Tag vielleicht noch in der einen oder anderen Form hervorbringen würde.
Es waren die Farben, die bei der Reflexion des Sonnenlichts in einer hier kaum sichtbaren Wand fallender Regentropfen durch Brechung hervorgebracht wurden.
Weil das weiße Licht der Sonne aus Wellen unterschiedlicher Länge besteht und die Brechung für jede Wellenlänge eine andere ist, treten sie in Form von getrennten Spektralfarben hervor und formen einen bunten Regenbogen.
Dass der Bogen hier fast senkrecht auf der Erde zu stehen scheint ist seiner „Größe“ zuzuschreiben: Am morgen und am Abend, wenn die Sonne gerade über den Horizont steigt entstehen auf dem flachen Land die größten Regenbögen. Am Mittag, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, sieht man unter geeigneten Bedingungen nur noch den oberen Teil des Bogens unmittelbar über der Erde. Und da fällt er meistens kaum auf.

Eine Trinkflasche mit Regenbogenambitionen

Eine transparente Plastiktrinkflasche steht auf der Fensterbank im Sonnenlicht. Dieses fällt etwas nach links verschoben von vorn oben ein. Abgesehen von einer intensiven Lichtstreuung im oberen Bereich der Flasche, die so intensiv ist, dass die Details überstrahlt werden, fallen einige spektralfarbene Streifen auf.

Zum einen fällt ein regenbogenfarbiger Teilkreis auf ein Blatt weißes Papier, das ich der besseren Sichtbarkeit vor mir auf den Schreibtisch gelegt habe. Er entsteht dadurch, dass das Licht beim schrägen Auftreffen auf die Wasseroberfläche in der Flasche gebrochen wird. Die gerundete Wasserschicht wirkt gewissermaßen wie ein Prisma, durch das das weiße Licht zum Einfallslot hin gebrochen wird und zwar zunächst beim Auftreffen auf das Wasser und anschließend beim Verlassen des Wassers. Weil es dabei auf eine kreisrunde Front trifft wird es nicht nur nach unten, sondern auch zur Seite abgelenkt. Dadurch ergibt sich in der Projektion auf dem Tisch, ein runder Lichtstreifen, der länger ist als der Querschnitt der Flasche.

Da der Brechungsindex nicht nur vom brechenden Material, dem Wasser, abhängt, sondern auch von der Wellenlänge des Lichts, wird das Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen: kurwelliges Licht (vor allem Blau) wird stärker (zum Einfallslot hin) gebrochen als langwelliges (vor allem Rot). Daher liegt der rote Streifen außen und der blaue innen. Ganz sauber gelingt die Aufspaltung in Farben nicht, weil die Kunststoffwand der Flasche nicht ganz homogen ist.

Zum anderen beobachtet man zwei spektralfarbene Streifen auf dem unteren Teil des Fensterrahmens. Sie kommen dadurch zustande, dass das unterhalb der Wasseroberfläche einfallende Sonnenlicht zunächst gebrochen und dadurch nicht nur zum Einfallslot hin abgelenkt, sondern auch spektral zerlegt wird. Anschließend trifft das sich auf diese Weise verjüngende Lichtbündel auf die Innenwand der Flasche (auf die man blickt), wird dort teilweise reflektiert und schließlich beim Wiederaustritt aus der rückwärtigen Wand der Flasche abermals gebrochen. Dabei tritt wie bei der Entstehung eines Regenbogens in einem Wassertropfen eine deutliche Verstärkung des Lichts auf, so dass zu jeder Seite bei einem bestimmten Winkel ein farbiger Streifen zu sehen ist. Jenseits dieses Winkels kommt kein Licht mehr an. Die im übrigen Bereich gebrochenen farbigen Lichtstrahlen mischen sich wieder zu weißem Licht. Wir haben wir es also hier mit einem regenbogenartigen Phänomen zu tun, das wegen der Zylindergeometrie der Flasche jedoch nur auf eine Ebene beschränkt ist.

Schließlich sieht man innerhalb der Flasche noch so etwas wie ein helles Rechteck. Es kommt dadurch zustande, dass ein Teil des durch die Flasche hindurchstrahlenden Lichts  beim Durchgang durch die Kunststoffwand teilweise an Inhomogenitäten des Materials gestreut und gebrochen wird. Es gelangt auf diesem Wege ins Auge des Betrachters gerät und wird sichtbar.

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.

Rätselfoto des Monats Mai 2021

Wie kommt es zu den spektralen Farbsystemen?

.

Erklärung des Rätselfotos des Monats April 2021

Frage: Wie kommt es zu den Feuchtigkeitsstrukturen?

Antwort: Es ist neblig, feucht und kalt (wenige Grad über Null). Aber die noch sehr tief stehende, den leichten Nebel durchdringende Sonne verheißt einen sonnigen Tag. Der aluminiumverkleidete Universitätsbau ist mit Feuchtigkeit „beschlagen“. Die Feuchtigkeit rührt von den Wassertröpfchen des leichten Nebels her, die durch den Wind gegen die Gebäudewand strömen und hier haften bleiben. Das Phänomen ist in manchen warmen und unter Trockenheit leidenden Ländern vertraut. Der Morgennebel wird von einer Brise beispielsweise gegen die Olivenbäume getrieben, an deren Stämmen Wassertröpfchen hängen bleiben und anschließend herunter laufen. So kommt es auch ohne Regen zu einer mäßigen aber regelmäßigen Bewässerung.
Es bleibt die Frage, warum die Wand nicht gleichmäßig benetzt wird, sondern ovale feuchte Gebiete innerhalb der rechteckigen, von durchgehenden Metallsprossen begrenzten Felder entstehen. Die trockenen Ränder sind Ausdruck der Tatsache, dass der Wärmeübergang von innen nach außen ungleichmäßig erfolgt. Die Felder sind innen mit Isoliermaterial ausgefüllt. Nicht aber die Begrenzungssprossen. Sie stellen offenbar relativ gut leitende Wärmebrücken dar. Der dadurch bedingte größere Energiestrom führt zu einer schnelleren Verdunstung des dünnen Wasserfilms als in den wärmeisolierten Feldern. Da sich die von den Sprossen abgeleitete Wärme auch noch etwas seitlich ausbreitet, in den Ecken sogar von zwei senkrecht miteinander verbundenen Sprossen, ergeben sich zwangsläufig Abrundungen, die zu den ovalen Bereiche führen, in denen die Isolierung gut und die Verdunstung des Wassers nicht so stark ist.

Sonnenmalerei – Samaria I

Das Sonnenlicht lässt sich durch optische Vorgänge wie Reflexion, Brechung, Beugung u.ä. ohne weitere Einwirkung in farbige Strukturen verwandeln, die man dem ansonsten langweilig weißen Licht kaum zutraut. Im Anschluss an den Künstler Paul Konrad Hoenich (1907 – 1997), der sich vor allem mit reflektiertem Sonnenlicht befasst hat, ordne ich diese Strukturen (siehe Abbildung) der Sonnenmalerei zu. Hoenich weist darauf hin, dass der Künstler bei der Technik der Sonnenmalerei „die Art und Qualität der Projektion (des Sonnenlichts) bestimmt, die einzelnen Bilder aber nicht im voraus festlegen kann.“
Im vorliegenden Fall habe ich einen Schnitt durch ein mit Hilfe eines CD-Rohling erzeugtes Axicon auf einem weißen Blatt Papier aufgezeichnet.

Rätselfoto des Monats September 2019

Wie viele Würfel sieht man?

Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2019 Weiterlesen →

Die Jagd auf den Regenbogen

Physiker behaupten immer, dass es das Ende des Regenbogens gar nicht gibt. Damit erledigt sich auch der Traum vom Topf mit Gold, das dort zu finden sein soll. Auf dem hier abgebildeten Foto sieht man aber, dass der Regenbogen genau dort endet, wo das voranfahrende Auto die Gischt der Straße aufwirbelt. Weiterlesen →

Nebel mit Baumkorona

Morgendlicher Nebel und eine gerade aufgegangene strahlende Sonne verheißen einen schönen Tag. Ich wandere der Sonne entgegen und muss den Blick wegen der starken Blendung senken. Das Gras ist noch weitgehend vom Raureif überzuckert, eine Pracht, die der höher steigenden Sonne bald zum Opfer fallen wird.
Jetzt vergittern einige noch winterlich nackte Bäume die Sicht. Die Sonne bricht durch das Geäst und lässt den Nebel dort in lebhaften Farben erstrahlen. Ich stelle mich so hin, dass die Sonne selbst durch einen Ast ausgeblendet wird. Weiterlesen →