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Strukturfarben

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Das Kielwasser einer Schnecke

Mein breites Kielwasser glänzt, jetzt wird es dunkel.
Ich hinterlass ein hübsches, schillerndes Band:
Das weiß ich
.*


* Elizabeth Bishop. Die Riesenschnecke. In: Die Farben des Kartographen. Frankfurt usw. 1983

Eine physikalische Erklärung für das „schillernde Band“ findet man hier und hier.

 

Strukturfarben in der Regionalbahn

Auf einer abendlichen Fahrt mit der Regionalbahn glaubte ich zunächst meiner Müdigkeit zuschreiben zu müssen, dass ich die Reflexion meines Abteils in der Scheibe durch zarte psychodelisch wirkende Farben untermalt zu sehen glaubte. Nein, nun etwas wach geworden glaubte ich es nicht nur, sondern war sicher, dass dort Farben waren, die aus ganz bestimmten Betrachtungswinkeln und vor geeigneten Hintergründen deutlich hervortraten.
Nachdem ich einige Zeit herumgerätselt und auch experimentiert hatte (zum Glück waren kaum Fahrgäste anwesend, die ich hätte nerven können), fiel mir wieder ein, wie es zu diesen Farberscheinungen kommt. Es ist vor allem eine nicht direkt wahrnehmbare Kunststofffolie, mit der die Scheiben des Zugs vermutlich aus Sicherheitsgründen überzogen sind. Sie hat die sicher nicht beabsichtigte Eigenschaft doppeltbrechend zu sein und beim Durchgang von polarisiertem Licht Farberscheinungen hervorzubringen. Ein schöner Nebeneffekt also.
Wie an anderer Stelle ausführlicher beschrieben, wird normales Licht polarisiert, wenn es unter einem bestimmten Winkel (Brewsterwinkel) reflektiert wird. Das ist hier u. A. auf der glänzenden Ablage vor dem Abteilfenster der Fall. Das so polarisierte Licht fällt durch die Folie und wird dabei in zwei Teilwellen unterschiedlicher Geschwindigkeit zerlegt. Das führt dazu, dass ihre jeweiligen Phasen nicht mehr in derselben, sondern in unterschiedlichen Ebenen gleich sind. an der Rückseite der Scheiben reflektiert. Davon würde man normalerweise gar nichts merken, wenn das in dieser Weise modifizierte Licht nicht auf die Fensterscheiben aufträfe und von diesen abermals unter dem Brewsterwinkel ins Auge des Betrachters reflektiert und auf diese Weise abermals polarisiert würde. Dabei fallen die verschiedenen Ebenen der Teilwellen wieder zusammen und überlagern sich (interferieren). Aufgrund der durch die Doppelbrechung bewirkten Phasenverschiebung, kommt es zu Verstärkungen und Abschwächungen bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts, d.h. zu einzelnen Farben.
Damit die Bedingungen für die Farbentstehung erfüllt sind, treten die Farben nur unter bestimmten Winkeln auf. Außerdem sind bestimmte Hintergründe in der Spiegelwelt besser als andere geeignet, die Sichtbarkeit der Farben zu erhöhen.
Durch die Entdeckung dieses von den Fensterkonstrukteuren unbeabsichtigten Phänomens verging der Rest der Reise durch interessante Eindrücke beim Blick durch das Fenster wie im Fluge.

Brillanter Schaum am Strand

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 53/1 (2022), S. 48

Die Farbe von Seifenblasen und des aus diesen bestehenden Schaums hängt nicht nur von der Interferenz des Lichts an der Blase ab, sondern auch vom diffus reflektierten Licht des Untergrunds. Ein schwarzer Untergrund führt zu großer Farbintensität der Blasen.

Schaum kennt man vor allem als Seifenschaum. Gelangt nur ein wenig Seife oder Spülmittel in das Wasser und wird dieses beim Waschen in Bewegung gesetzt, so ist die Oberfläche sehr schnell mit einem Netz von Seifenblasen umgeben, die auch in mehreren „Stockwerken“ existieren können.
Damit die Blasen länger halten, ist die Anwesenheit von Tensiden nötig, die das Schaum bildende Wasser etwa in Form von Seife enthält. Durch diese Stoffe wird die Oberflächenspannung des Wassers herabgesetzt, sodass die Lebensdauer der Blasen vergleichsweise lang ist.
Oft entdeckt man Schaum auch an der Küste eines Sees oder des Meeres. Das bedeutet in den meisten Fällen jedoch nicht, dass das Wasser durch Einleitung von tensidhaltigen Abwässern verunreinigt wurde. Vielmehr kann man in der Regel davon ausgehen, dass die Hinterlassenschaften von abgestorbenen Pflanzen, wie etwa Algen in Form von Fetten, Kohlenhydraten und Eiweißen dafür verantwortlich sind. Denn auch diese können die Oberflächenspannung des Wassers herabsetzen. Meist entsteht ein weißer Schaum, was nichts anderes bedeutet, dass die Bläschen so klein sind, dass das Licht wie an Nebeltröpfchen gestreut wird und alle von den Bläschen ausgehenden Farben zu Weiß gemischt werden. In manchen Fällen, insbesondere dann, wenn sich das auflaufende Meerwasser in kleineren Mulden verfängt, können sich auch größere Blasen bilden. Sie entstehen insbesondere dadurch, dass nach und nach einzelne Lamellen platzen und entsprechend vergrößerte Blasen zurückbleiben.
Die größeren Blasen fallen durch unterschiedliche Farben auf (Abbildung 1). Diese verdanken sich der Interferenz des einfallenden Lichts an den dünnen Grenzflächen der Blasen: An der oberen und unteren Grenzfläche reflektierte Lichtwellen überlagern sich im Auge des Betrachters und verstärken oder schwächen je nach dem Wegunterschied der Teilwellen bestimmte Wellenlängen des weißen Lichts. Das hebt bestimmte Farben hervor. Wenn man die Szenerie einige Zeit beobachtet, kann man feststellen, dass die Farben sich verändern. Denn da die Häute der Blasen durch Verdunstung und schwerkraftsbedingte Drainage der Flüssigkeit dünner werden, ändert sich auch der Wegunterschied zwischen den interferierenden Teilwellen, sodass eine andere Farbe des weißen Lichts dominiert.
Vergleicht man die Interferenzfarben im vorliegenden Fall mit denen anderer Seifenblasen im Alltag, so fällt vor allem die Farbenpracht in Form von Brillanz und Farbintensität auf, die auf eine verhältnismäßig große Farbsättigung zurückzuführen ist (Abbildung 2). Wie kommt es dazu?
Da an den Blasen nur ein kleiner Teil des einfallenden Lichts reflektiert wird und ein großer Teil durch die Blase hindurch auf dem Untergrund landet und von dort diffus reflektiert wird, werden die Interferenzfarben von dieser Rückstrahlung überlagert. Das führt dann je nach der optischen Beschaffenheit des Untergrunds zu einer entsprechenden „Verwässerung“ der Farben. Im vorliegenden Fall haben wir es mit einem schwarzen Stein als Untergrund zu tun. Dieser absorbiert das auftreffende Licht und reflektiert so gut wie gar nichts. Daher können die Interferenzfarben in voller Pracht zur Geltung kommen.
Und noch etwas fällt auf. Jede Blase weist eine Abbildung der Fotografin auf. Dabei handelt es sich nicht etwa um einen Schatten, sondern um eine spiegelnde Reflexion. Denn durch die grob halbkugelförmigen Blasen wird wie bei einem Fischaugenobjektiv einer Kamera der größte Teil der Umgebung abgebildet. Dass diese Selfies monochrom dunkel ausfallen, liegt vor allem daran, dass die den Blasen zugeneigte Körperpartie nur wenig Licht aus der Umgebung erhält und daher noch weniger diffus reflektieren kann.

 

Geheimnisvolle Farben im Fenster

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 52/3 (2021), S. 151

Manche Kunststofffolie kann zu intensiven Farberscheinungen führen, wenn durch sie hindurchtretendes (polarisiertes) Himmelslicht unter dem Brewster-Winkel ins Auge des Betrachters reflektiert wird.

Manche Farben sind gar keine und man sieht sie trotzdem und zwar dort, wo sie nicht sind. Das kann man mit bewusst in Kauf genommener Paradoxie an den in prächtigen Farben leuchtenden Oberlichtfenstern des oberen Fotos sehen. Bei den Fensterscheiben handelt es sich um normale Floatglasscheiben, wie man sie überall in der Umwelt vorfindet. Die bunten Farben in denen sie erstrahlen werden an einer ganz anderen Stelle „erzeugt“. Das erkennt man u.a. daran, dass die Kunststoffrahmen der Fenster das farbige Licht reflektieren.

Verantwortlich für die Entstehung der Farben ist eine Kunststofffolie, mit der das schräge gläserne Vordach (unteres Foto rechts) überzogen ist. Die Folie wurde vermutlich aus Sicherheitsgründen angebracht, um beim eventuellen Bruch der Scheiben, die Fragmente zusammenzuhalten. In dem Ausschnitt des Glasdachs (unteres Foto links) kann man die Folie infolge kleiner Aufwellungen an der Kante sogar erkennen.

Diese Folie hat die – vermutlich nicht beabsichtigte – Eigenschaft, wie manche Kristalle doppelbrechend zu sein. Das heißt, wenn sie von polarisiertem Licht durchdrungen wird, treten zwei Teilwellen unterschiedlicher Geschwindigkeit auf. Diese führen dazu, dass ihre jeweiligen Phasen nicht mehr in derselben, sondern in unterschiedlichen Ebenen gleich sind. Davon würde man normalerweise gar nichts merken, wenn das in dieser Weise modifizierte Licht nicht auf die Oberlichtscheiben aufträfe und von diesen unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Brewster Winkel, ins Auge des Betrachters reflektiert würde. Denn unter diesem Winkel wird das Licht abermals polarisiert, wobei die verschiedenen Ebenen der Teilwellen wieder zusammenfallen und interferieren. Aufgrund der durch die Doppelbrechung bewirkten Phasenverschiebung, kommt es zu Verstärkungen und Abschwächungen bestimmter Wellenlängen des sichtbaren Lichts, d.h. zu einzelnen Farben.

Die Voraussetzung, dass das auffallende Licht polarisiert ist, wird immer dann erfüllt, wenn es bei klarem blauem Himmel aus einer Region kommt, die senkrecht zur Strahlrichtung der Sonne orientiert ist. Und dass man die Scheibe nun gerade unter dem Brewsterwinkel betrachtet, ist kein Zufall. Denn bereits in der Nähe dieses Winkels ist die Polarisationswirkung bereits so stark, dass die Farben bereits schemenhaft zu erkennen sind. Sobald man aber etwas Farbiges bemerkt, dessen Intensität mit der Blickrichtung variiert, justiert man den Blick meist automatisch so, dass die Farben besonders deutlich wahrgenommen werden – und das ist unter dem Brewster-Winkel der Fall.

Ich selbst habe das Phänomen zum ersten Mal in einem Nahverkehrszug beobachtet. Dort zeigten sich die Farben auf einer gläsernen Zwischenwand, über die die Reflexionen der hell beschienenen Außenwelt huschten. Deren Licht war vorher durch das Fenster des Zuges auf der Innenseite der Scheibe angebrachte Kunststofffolie gefallen. Diese Folie, die die Scheibe gegen mutwilliges Zerkratzen schützen sollte, war ebenfalls doppeltbrechend und damit ursächlich für die Farberscheinungen verantwortlich. Das wurde mir allerdings erst einige Zeit später klar, als ich an einem Fenster das Vorhandensein einer solchen Folie dadurch erkannte, dass diese offenbar bei dem Versuch die Scheibe zu zerkratzen beschädigt worden war.

Übrigens lässt sich die Farberscheinung in großer Deutlichkeit mit einer Overheadfolie hervorrufen, die man zwischen zwei Polarisationsfolien legt. Dieses nach einem ihrem Erfinder Michael Berry „Berry Sandwich“ [1] benannte Folienset macht es möglich, das Phänomen mit jeder Lichtquelle hervorzubringen. Im polarisierten Licht (z.B. bei blauem Himmel) kann man die äußere Folie sogar weglassen.

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Literatur

[1] Michael Berry et al. Black plastic sandwiches demonstrating biaxial optical anisotropy. European Journal of Physics 20 (1999), 1–14

Originalbeitrag

Ein wenig Farbe ins dunkle Grau

Eine nicht gerade einladende Asphaltstraße sollte durch eine ebenfalls als negativ empfundene Ölspur eher noch unsympatischer wirken. Sieht man allerdings von diesem realen Hintergrund des Fotos ab, so ergibt sich ein Gemälde, in dem eine virtuos zwischen den Graustufen wechselnde Bruchstruktur durch ein schlankes Band lebhafter Spektralfarben herausgefordert und sich insgesamt zu einem ästhetisch ansprechenden Ganzen ergänzt.
Die Natur ist offenbar völlig indifferent gegenüber menschlichen Bewertungen und verfährt in ihren Gestaltungen nach den durch den Zufall herausgeforderten Naturgesetzen: mechanische Belastungen zusammen mit den Wirkungen von Gefrieren und Schmelzen sind für die Bruchstrukturen verantwortlich. Unterschiedliche Geschwindigkeiten beim Verdunsten der Feuchtigkeit bilden die Abstufungen des Asphaltgraus. Denn das Tageslicht ruft bei Nässe dunklere  Farbtöne hervor als bei Trockenheit. In der quer über das Bild laufenden Senke reicht die Feuchtigkeit gerade noch aus, die äußerst dünne Ölschicht zu „tragen“, die durch Interferenz das weitgehend weiße Tageslicht der unterschiedlichen Dicke der Schicht entsprechend koloriert.
Einige Stunden später hatten sich infolge der Verdunstung des Wassers die Farben verzogen, nachdem sich das Öl winzige Tröpfchen bildedend in den porösen Asphalt verzog.

Leuchtende Lampions in den winterlichen Bäumen

Die ansonsten nicht gerade zimperliche Waldrebe überrascht durch ihre filigranen, silberfarbenen Samenstände, die besonders in der farbarmen Winterzeit auffallen. Jedes Früchtchen ist mit einem Federschweif ausgestattet, der als Flugorgan zur Ausbreitung durch den Wind dient.
Wenn sich wie in den vergangenen Tagen, die tiefstehende Sonne in den Schweifen verfängt, leuchtet der ganze Samenstand wie ein Lampion, indem das Licht an den zahlreichen feinen Filamenten gestreut wird (Fotos). Weiterlesen

Irisierendes Spinnennetz

Die farbenfrohen „Netzaktivitäten“ nehmen kein Ende. Auch diesmal ist mir, als wäre hier ein Künstler am Werk gewesen. Und doch ist – wie vor kurzem bereits ausgeführt – alles nur ein Produkt aus Licht, Struktur und Unschärfe. Die Spinnen, die die Netze webten und den „Anstoß“ für diese Farbenpracht gaben, wollen eigentlich fette Beute machen und haben überhaupt kein Interesse daran, das ästhetische Empfinden von Menschen ansprechen.

Netzästhetik

Wer in diesen Tagen bei tiefstehender Sonne durch die Landschaft streift bekommt das was ihm ansonsten meist unangenehm klebend im Gesicht hängenbleibt oft in ästhetisch ansprechender Form in bunten Kästchen zu Gesicht. Es sind Spinnfäden im Gegenlicht, die durch die Sonnenstrahlen zum Irisieren gebracht werden und durch eine bewegungsbedingte Unschärfe größere Sichtbarkeit erlangen.
Beim Fotografieren bleibt diese Unschärfe in etwas anderer Form dadurch erhalten, dass die (automatische) Kamera ohnehin nicht auf das dünne Netz fokussiert, sondern auf auffälligere Strukturen. In diesem Fall sind des die im Sonnenlicht liegenden Holundersträucher im Hintergrund.
Wie an anderer Stelle ausgeführt, sehen wir hier keine Pigmentfarben, sondern Strukturfarben, in denen die Welleneigenschaften des Lichts zur Geltung kommen.

Nicht alles was glänzt, ist Gold

Diese Feststellung William Shakespeares (1564 – 1616) passt sehr gut zur Goldwespe (Chrysis ignita oder Hedychrum rutilans?), deren faszinierende äußere Erscheinung (Fotos) so gar nicht zu ihrer – nach menschlichen Maßstäben – brutal parasitären Lebensweise zu passen scheint. Ihre Farben sind nicht nur glänzend wie poliertes Metall, sie changieren irisierend, wenn man sie aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet.
Weder der metallische Glanz noch der Farbwechsel beim Verändern des Blickwinkels gehört zu den Erfahrungen, die man normalerweise mit den Farben eines Gegenstands verbindet. Denn sie entstehen normalerweise durch die Anwesenheit chemischer Pigmente. Diese absorbieren bestimmte Farben (Wellenlängen) des weißen Lichts und reflektieren die entsprechende Komplementärfarbe. Verschiedene Pigmente rufen verschiedene Farben hervor. Beispielsweise verdanken Pflanzen ihre grüne Farbe dem Chlorophyll und die unterschiedlichen Brauntöne der menschlichen Haut und des Haares hängen von der Konzentration des Pigments Melanin ab. Weiterlesen

Schmetterlinge (5) – fliegende lebendige Blumen

Wer wird der Farben Meng´ und ihre Schönheit nennen,
Erzehlen und beschreiben können,
Mit welcher die Natur die kleinen Thierchen schmückt?
Wie mancherley hab ich mit innigem Vergnügen,
Nur bloß an Fliegen einst erblickt!
Woran die Farben sich recht wunderbarlich fügen,
Braun, gelblich, röthlich, schwartz und grau,
Grün, roth, gelb, hell- und dunckel-blau,
Bald Gold mit grün, bald Gold mit roth, gemenget;
Bald ist der Flügel künstlichs Paar
Wie ein Crystall so weiß, so klar; Weiterlesen

Geheimnisvolle Farben

Manche Farben sind gar keine und man sieht sie trotzdem und zwar dort, wo sie nicht sind. Das kann man mit bewusst in Kauf genommener Paradoxie von der auf dem Foto in prächtigen Farben leuchtenden Oberlichtscheibe dieses (übrigens in Danzig aufgenommenen) Fotos sehen. Die Scheibe unterscheidet nichts von einer ganz normalen Floatglasscheibe, wie sie überall mit vertrauter, manchmal durch Reflexe oder Schmutz getrübter Transparenz anzutreffen sind. Weiterlesen

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