Temperatur

Rätselfoto des Monats März 2023

Wir möchten die ungefähre Tageszeit der Aufnahme wissen.

Erklärung des Rätselfotos des Monats Februar 2023

Frage: Wie kommt es zu diesem Flechtwerk?

Antwort: Bei dem Flechtwerk handelt es sich um besonders strukturierte Eisblumen auf einer Fensterscheibe. Zu Eisblumen kann es kommen, wenn die Temperatur der Glasscheibe zunächst unter den Taupunkt sinkt. Dann übersteigt die absolute Wasserdampfkonzentration die maximal mögliche und der überschüssige Dampf kondensiert in Form winziger Tröpfchen an der Scheibe. Sobald die Temperatur auch noch den Gefrierpunkt des Wassers unterschreitet kristallisieren sie schließlich zu Eis. Manchmal kommt es gar nicht erst zum Zwischenschritt des Verflüssigens. Denn unter bestimmten Bedingungen geht Wasserdampf auf direktem Weg in Eis über, er resublimiert.
Der Ursprung der Eisblumen liegt in winzigen Kristallen mit einer für Wassermoleküle charakteristischen sechseckigen Struktur. Sie entstehen an Kondensationskeimen, etwa Schmutzpartikeln, an denen sich Tröpfchen beziehungsweise Kristalle spontan bilden können. Indem sich an ihnen weitere Wassermoleküle anlagern breitet sich die Kristallisation aus. In welche Richtung das geschieht hängt davon ab, ob die dabei freiwerdende thermische Energie genügend schnell an die Umgebung abgegeben wird. Das führt dazu, dass die Anlagerungen exponierte Spitzen ausbilden, die sich vom Ursprung entfernen. Mit zunehmender Entfernung dieser Triebe vom Zentrum vergrößert sich die Wahrscheinlichkeit Kristallisationswärme abzugeben, sodass Nebentriebe entstehen können. Sie schlagen dann ihrerseits einen Weg ein, der sowohl vom Ursprung als auch vom jeweiligen Zweig weg gerichtet ist ähnlich wie bei verzweigten Pflanzen, die zum Licht hin streben. Die Besondere Form der Verzweigungen wird u. A. von der Umgebungstemperatur, Feuchte, Luftströmungen und Verunreinigungen bzw. Kratzspuren in der Scheibe beeinflusst, sodass es schließlich zu farn- und blumenartigen Strukturen kommt. Die im vorliegenden Fall zu beobachtenden nicht sehr häufig vorkommenden zopfartigen Gebilde sind bei sehr niedriger Temperatur (ca. – 18° C) an einer alten, vermutlich mit feinen Kratzern übersäten Scheibe bei relativ starkem Wind entstanden.

Der Weinkühler leckt…

Mich faszinieren immer wieder einfache technische Lösungen praktischer Probleme. Dazu gehört auch der Weinkühler aus Ton. Man füllt ihn bis zu einer passenden Höhe mit Wasser und stellt die Wein-/Sektflasche hinein. Da der Ton porös ist, sodass das Wasser allmählich hindurchsickert wird die Außenwand feucht (siehe dunklen Bereich im Foto). Die Feuchtigkeit verdunstet. Da zur Verdunstung von Wasser Energie nötig ist, wird diese der Umgebung entzogen. Dafür kommt vor allem das Wasser infrage. Dieses kühlt sich daher ab und entzieht seinerseits im gleichen Maße der Weinflasche Energie mit dem gewünschten Effekt der Temperaturerniedrigung.
Der Antrieb des Vorgangs ist in der Tendenz des Wasserdampfes zu sehen, sich möglichst gleichmäßig über den zur Verfügung stehenden Raum zu verteilen. Voraussetzung für die Funktion dieses Kühlprozesses ist allerdings, dass die Luftfeuchte nicht zu hoch ist. Bei einer relativen Luftfeuchte von 100% würde genauso viel Wasserdampf kondensieren wie entsteht und das hilft in diesem Fall überhaupt nicht.
Übrigens nutzen asssimilierende Pflanzen dasselbe Prinzip, um Flüssigkeit von der Wurzel bis in die grünen Blätter zu transportieren. Daher ist es in grünen Wäldern auch so angenehm kühl: Der Umgebung wird Energie zur Verdunstung entzogen.

Eisblumen mit rotem Blatt

Zuerst fiel mir das rote Blatt auf, das oben an der Fensterfront des Glashauses prangte. Erst dann sah ich, dass es sich wie ein I-tüpfelchen über einem großflächigen anorganischen Gewächs ausnahm und die Scheibe zu einem besonderen Winterbild gestaltete.
Woher in dieser Zeit das zwar verfärbte aber ansonsten noch ziemlich intakte Blatt kam, hat es mir nicht verraten.

Netzaktivitäten

Ich glaube nicht, dass die Spinnen um diese Jahreszeit aktiver sind als sonst. Aber ihre Bauwerke erfreuen sich bzw. uns mit größerer Sichtbarkeit. Wenn die Temperaturen sinken, steigt die relative Feuchte oft über 100%, sodass der überschüssige Wasserdampf insbesondere an kalten Gegenständen kondensiert und das sind vor allem kleinere Strukturen mit einer geringen Wärmekapazität, weil die ihre Energie schneller verlieren als größere Strukturen.
Die Spinnennetze sind auch deshalb besonders prädestiniert weil die bereits an den Fäden vorhandenen Tröpfchen ideale Keime zur Kondensation von Wasser abgeben.
An diesem Anblick finde ich besonders interessant, dass die durch Netzspannung stabilisierte Struktur einem Dreieck nahe kommt. Dreiecke und andere einfache geormetrische Gebilde in der Natur finde ich besonders ansprechend.

Froschbadewanne im Freien

Diesen Frosch habe ich eine zeitlang beobachtet. Wenn ich ihm zu nahe kam, floh er zwar, begab sich aber immer wieder zu dieser Stelle zurück. Statt im verhältnismäßig kühlen Wasser zu chillen, macht er es sich in einer Art Badewanne gemütlich, die auf dem Sonnenlicht absorbierenden Seerosenblatt deutlich wärmer ist. Natürlich fällt auch Sonnenlicht in den übrigen Teich und wird zum großen Teil absorbiert. Aber die Wasserfläche ist im Verhältnis zum Wasservolumen deutlich kleiner als bei der Froschbadewanne. Und daher erhöht sich die Wassertemperatur wesentlich langsamer.

Wie Kleidung knitterfrei wird

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 8 (2022), S. 68

Wenn man alle seine Falten entfalten könnte
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716)

Beim Bügeln verstärken sich Druck, Wärme und Feuchtigkeit gegenseitig. Für eine gewisse Glättung reichen schon die physikalischen Eigenschaften des Materials an sich, doch vor allem der Dampf kommt erst dank der Faserstruktur des Gewebes voll zur Wirkung.

Seit Jahrhunderten fühlen sich die Menschen in glatt fallenden Gewändern am besten gekleidet. Darum entstanden mit der Zeit aufwändige und durchaus brandgefährliche Techniken gegen die Falten, die im Alltag in Textilien entstehen. Heutzutage ist das Bügeln vielleicht nicht die beliebteste Haushaltstätigkeit, aber zumindest keine große Mühsal mehr: Man schaltet das elektrische Eisen ein und lässt unter leichtem Pressen den heißen Dampf zwischen Gerät und Gewebe seine Arbeit machen. Alles andere ist eine Frage der Geschicklichkeit.
Beim Bügeln wirken Feuchtigkeit, Wärme und Druck zusammen. Dass es Letzteren braucht, ist wenig überraschend; die ihn unterstützenden Einflüsse von Feuchtigkeit und Wärme haben in der Vergangenheit zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen inspiriert. Diesen zufolge kommt es darauf an, die Bindungen zwischen langkettigen Polymeren innerhalb des jeweiligen Gewebes zu lockern. Durch den Druck und die Wärme werden die gekrümmten Fasern gestreckt und in eine neue, gerade Form gebogen. In vielen Materialien verstärkt Feuchtigkeit den Vorgang, indem sie dazu beiträgt, intermolekulare Verknüpfungen zu lösen.
Allerdings blieben dabei längere Zeit einige wichtige Fragen offen. Insbesondere war unklar, ob es beim Effekt von Feuchtigkeit eher auf das eigentliche Material eines Kleidungsstücks ankommt oder auf die Feinstruktur des daraus hergestellten Gewebes. 2012 hat eine französische Forschungsgruppe das näher untersucht. Zunächst widmete sich das Team um Adrien Benusiglio, der zu der Zeit an der École polytechnique bei Paris promoviert hat, der Entstehung einer einzelnen Falte und deren Rückbildung in einer unverarbeiteten Polyesterfolie. Das ist eine recht repräsentative Referenz, da aus solchen Kunststoffen viele Alltagsgewebe gefertigt werden. Unter reproduzierbaren Bedingungen wurde der Folie ein bestimmter Öffnungswinkel aufgeprägt; anschließend war sie sich selbst überlassen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Falte glättete – übrigens unabhängig von der Schwerkraft –, hing nur vom Material ab. Falten in einem einzelnen Faden und in einem daraus gewebten Stoff zeigen dieselbe Dynamik. Bei dem Verhalten kommt es vor allem auf die elastische Rückstellkraft des Materials an sich an.
Anschließend kamen Knicke, jeweils in der Folie und im faserigen Gewebe, in eine Feuchtigkeitskammer bei einer zunehmenden Wasserdampfkonzentration. Im Textil bogen sie sich nun umso schneller zurück, je größer die Feuchte war. Demgegenüber hatte diese im unverwobenen Material keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Entfaltung, selbst wenn es sich um eine einzelne, mikroskopisch feine Faser handelte. Die Wirkung des Wasserdampfs ist zumindest bei den untersuchten Polyestern also auf die Webstruktur zurückzuführen und nicht etwa auf mögliche Veränderungen bei den Eigenschaften der einzelnen Fäden. Baumwoll- oder Leinenfasern saugen im Gegensatz zu Kunststoff Wasser auf, was deren Geschmeidigkeit weiter erhöhen und den Vorgang unterstützen dürfte.
In jedem Fall sorgen für den glättenden Einfluss der Feuchtigkeit die Bereiche, in denen die einzelnen Fäden im Gewebeverbund miteinander in Kontakt stehen. Normalerweise macht Wasserdampf keine Anstalten zu kondensieren, solange der Wert der absoluten Feuchte unterhalb der Sättigungsfeuchte liegt. Innerhalb des feinen Geflechts gibt es jedoch besondere Verhältnisse. Dabei kann ein Teil des Wasserdampfs flüssig werden, selbst wenn seine Konzentration in freier Atmosphäre für eine Sättigung nicht ausreichen würde. Das Phänomen heißt Kapillarkondensation, denn verantwortlich dafür ist anschaulich gesprochen die Enge der aus den Fasern gebildeten Kapillaren: Vermehrte Wechselwirkungen zwischen den Molekülen im Wasserdampf und den Wänden der Fädchen ermöglichen die Verflüssigung. Schließlich stellt sich ein neues Gleichgewicht unterhalb des Werts des äußeren Sättigungsdampfdrucks ein.
Üblicherweise verbinden wir mit dem Begriff Kapillaren röhrenartige, geschlossene Formen. Textilgewebe hingegen können aus einem beliebig begrenzten Raum bezüglich der Umgebung bestehen. Der Effekt ist aber derselbe – entscheidend ist in jedem Fall, wie dicht die benetzbaren Oberflächen beisammen stehen. Das mikroskopische Gedränge erzwingt häufigere Interaktionen zwischen Wassermolekülen und Oberfläche. Es ist für die Absenkung des Sättigungsdampfdrucks ausschlaggebend. Die Kapillarkondensation ist ein schönes Beispiel dafür, dass sich Vorgänge im Nano- und Mikrometerbereich deutlich auf alltägliche Größenordnungen ausweiten können.
Im Rahmen von Benusiglios Veröffentlichung wurde zwar nicht genauer untersucht, welche Rolle Wärme spielt. Die Forschungsgruppe hält es jedoch für plausibel, dass steigende Temperaturen sowohl die elastische Entfaltung wie auch die Kapillarkondensation intensivieren.
Wer häufig auf Reisen ist, kennt den heilsamen Einfluss einer feuchten Umgebung auf die mitgeführte Garderobe. Meist genügt es, ein im Koffer zerknautschtes Kleidungsstück über Nacht im Hotelbadezimmer aufzuhängen, um es am nächsten Morgen wenigstens halbwegs geglättet vorzufinden. Aus dem gleichen Grund zerknittern die meisten Kleidungsstücke beim Tragen kaum. Denn in unmittelbarer Nähe des Körpers ziehen dessen Feuchte und Temperatur so manche kleinere Falte wieder straff.

Quelle
Benusiglio, A. et al.: The anatomy of a crease, from folding to ironing. Soft Matter 8, 2012

Wärmestrahlung beim Osterfeuer

Flammen lodern züngelnd nach oben, brennendes Holz knistert, Funken sprühen in wilden Wirbeln hoch über dem Feuer, Gesichter glühen im Schein der Flammen und der Wärmestrahlung. Die Menschen erleben in der Betrachtung des Osterfeuers eine der elementaren Urgewalten und lassen sich mehr oder weniger innerlich beteiligt von den dadurch ausgelösten Gedanken und Gefühlen forttragen.

Das Osterfeuer gilt den Christen als ein Symbol für die Auferstehung von Jesus Christus. Aus einigen Quellen geht aber auch hervor, dass mit dem Licht der Winter und die dunkle Jahreszeit verabschiedet oder ausgetrieben werden.

Auf dem Foto fällt auf, dass sich die Flammen in heller Aufruhr befinden. Links oben scheint sich ein Flammenfragment selbständig zu machen und das Weite zu suchen. Daran kann man zweierlei erkennen. Zum einen wird deutlich, dass für die Flamme – zumindest für kurze Zeit – keine direkte Verbindung zum brennenden Holz nötig ist. Denn nicht das Holz an sich brennt, sondern die abgegebenen brennbaren Gase. Zum anderen sieht man nur den Teil der Flamme, der für uns sichtbares Licht abgibt. Das ist erst bei  Temperaturen oberhalb von etwa 700° C der Fall.
Beim Osterfeuer wird außerdem der Einfluss der Wärme durch Strahlung fühlbar. Es ist also weniger die erwärmte Luft, die uns zwangsläufig auf einen Sicherheitsabstand zum Feuer bringt, sondern vor allem die Wärmestrahlung. Die in der ersten Reihe zum Feuer hin stehenden Menschen, spüren dies besonders stark und wechseln bald in eine weiter hinter liegende Reihe. So bringt die Strahlungswärme zumindest die ersten Reihen in eine ständige „Konvektionsbewegung“. Erhitzte Menschen gehen nach hinten, kühle Menschen geraten nach vorn, bis auch sie wieder nach hinten wechseln und so weiter… Menschen sind eben auch nur Moleküle.

Der facettenreiche Schatten einer Kerzenflamme

Laservermessung des Flammenschattens

Wilfried Suhr, H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 53/1 (2022), S. 65 – 69

Eine im Sonnenlicht stehende, brennende Kerze wirft auf eine dahinter befindliche weiße Wand ein Lichtmuster, in dem kaustikähnliche Aufhellungen zu sehen sind. Die Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Temperatur und der Stoffzusammensetzung erweisen sich als Ursachen dieses Phänomens.

In der dunklen Jahreszeit helfen Kerzen, die Stimmung
etwas aufzuhellen. Steht eine brennende Kerze auf der
Fensterbank, so kann es vorkommen, dass das Licht der
tiefstehenden Sonne den Schatten der Kerze auf die innere Fensterleibung wirft. In einem solchen Fall lohnt es sich, genau hinzuschauen. Denn auf der weißen Wand erkennt man nicht nur den Schatten der Kerze und eines Teils der Flamme, sondern zu beiden Seiten der Flamme ein von der Brennschüssel ausgehendes und sich nach oben erstreckendes langes helles Band (Abbildung 1). Dieses ist noch heller als die im direkten Sonnenlicht liegende Wand. Demgegenüber erscheint der innerhalb dieser Lichtbänder liegende
Bereich etwas dunkler. Oberhalb des Dochts befindet sich ein Schatten der eigentlichen Kerzenflamme, der allerdings deutlich schlanker als diese ist und nur durch die Leuchtzone der Flamme hervorgerufen wird (Abbildung 2, Bereich II links). Bei genauerer Betrachtung entdeckt man oberhalb des Dochts auch noch einen kleinen Lichtfleck, der wie die Lichtbänder heller ist als die direkt von der Sonne beschienene Wand. Im Folgenden gehen wir insbesondere diesen Aufhellungen im projizierten Lichtmuster der Kerze nach, die auf eine Zunahme der Lichtintensität hinweisen. Abgesehen von Streuvorgängen breitet sich das Sonnenlicht in homogener Luft von konstanter Temperatur geradlinig aus. Sobald jedoch Temperaturunterschiede auftreten, wird das Licht gebrochen. Das kann zu erstaunlichen Phänomenen
führen wie etwa Luftspiegelungen über einer aufgeheizten Straße. Wenn aber bereits solche verhältnismäßig moderaten Temperaturunterschiede in der Luft derart auffällige Auswirkungen auf das Verhalten des Lichts haben, sind Brechungserscheinungen im Zusammenhang mit einer brennenden Kerze geradezu zu erwarten. Denn bei letzterer sind noch wesentlich größere Temperaturunterschiede
im Spiel. Außerdem ändert sich durch die Verbrennung von Kerzenwachs die stoffliche Zusammensetzung
der Gase, was ebenfalls das Brechungsverhalten des Lichts beeinflusst…

weiterlesen: Der facettenreiche Schatten einer Kerzenflamme

Zusammenfassung
Bei der Projektion einer brennenden Kerze auf eine helle Wand wird das durch die Flamme und Abgasfahne der Kerze gehende Licht in unterschiedlicher Weise aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Als Ursache dafür erweisen sich die infolge der Verbrennung auftretenden großen Temperaturdifferenzen und die damit einhergehenden Änderungen des Brechungsindexes sowie der hohe Brechungsindex des entstehenden Wachsdampfes im Flammenkern. Mit Hilfe von experimentellen und theoretischen Untersuchungen gelingt es, im Rahmen der Strahlenoptik von der beobachtbaren Lichtablenkung auf die Verteilung des Brechungsindexes in diesem Bereich zu schließen.

Ein Prall, ein Schall und Brandgeruch

Ein Prall – ein Schall – dicht am Gesicht –
Verloren ist das Gleichgewicht.

So töricht ist der Mensch. – Er stutzt,
Schaut dämisch drein und ist verdutzt,
Anstatt sich erst mal solche Sachen
In aller Ruhe klarzumachen. –

Hier strotzt die Backe voller Saft;
Da hängt die Hand, gefüllt mit Kraft.
Die Kraft, infolge der Erregung,
Verwandelt sich in Schwungbewegung.
Bewegung, die in schnellem Blitze
Zur Backe eilt, wird hier zu Hitze.
Die Hitze aber, durch Entzündung
Der Nerven, brennt als Schmerzempfindung
Bis in den tiefsten Seelenkern,
Und dies Gefühl hat keiner gern.

Ohrfeige heißt man diese Handlung,
Der Forscher nennt es Kraftverwandlung *

Auch wenn man heute eher von Energieumwandlung sprechen würde, ist der entscheidende Gedanke, den Wilhelm Busch hier herausarbeitet, die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmeenergie – Busch spricht von Hitze. Ich habe versucht, das Experiment nachzustellen, aber nicht mit ruhender Backe und bewegte Hand, sondern mit einer 100 g schweren Stahlkugel, die ich auf eine harte Unterlage fallen lasse.
Um den Umwandlungseffekt nicht nur zu visualisieren, sondern auch berechnen zu können, lege ich auf die Stahlunterlage ein Blatt Druckerpapier. Wenn die Kugel auf die Unterlage auftrifft, wird fast alle Energie auf einmal in einer winzig kleinen Berührfläche freigegeben. Es kommt zu einem Knall und einer starken lokalen Erhitzung bzw. Temperatursteigerung. Obwohl der Knall nicht zu überhören ist und damit auch ein Teil der freigesetzten Energie als Schallenergie abgegeben wird, ist ihr Beitrag vergleichsweise gering und wird hier nicht weiter verfolgt.Durch die lokale fast augenblickliche Energieabgabe, kommt es zu einer starken Temperaturerhöhung. Das erkennt man daran, dass ein Loch im Papier entsteht. Und dieses Loch ist in den meisten Fällen sogar durch einen auf die Verbrennung zurückgehenden braunen Rand gesäumt. Hinzu kommt, dass man einen deutlichen Brandgeruch wahrnimmt und manchmal von einer kleinen Rauchfahne umweht wird.
Wer hätte gedacht, dass die Temperaturerhöhung durch die beim Stoß freiwerdende Energie die Entzündungstemperatur von Papier (ca. 360 °C) übertrifft?
Dies kann man übrigens leicht rechnerisch abschätzen. Geht man nämlich vereinfachend davon aus, dass die Bewegungsenergie beim Fall der Kugel aus 1 m Höhe vollständig in Wärme (besser: thermische Energie) verwandelt wird, so kommt man zu einer Temperaturerhöhung von ca. 600° C. Das liegt so weit über der erforderlichen Entzündungstemperatur, dass die vereinfachenden Voraussetzungen mehr als ausgeglichen werden.

* Wilhelm Busch (1832 – 1908)

Perspektivwechsel zwischen unten und oben

Wer kennt es nicht: Die Sonne scheint, es ist warm und man genießt das schöne Wetter. Doch plötzlich schiebt sich eine Wolke vor die Sonne. Und mit dieser temporären Eklipse geht nicht nur eine Verdunklung einher, bei nicht allzu hoher Lufttemperatur spürt man auch noch eine erhebliche Abkühlung. Wenn die Bewölkung sehr locker ist, gewinnt die Sonne schnell wieder die Oberhand und andernorts hat man das Nachsehen.
Wer sich auf einer Flugreise befindet, kann dasselbe Phänomen aus einer anderen – höheren – Perspektive erleben. Nach unten auf die locker verteilten Wolken blickend (siehe Foto) sieht sie oder er deren Schatten auf der darunter liegenden Erdoberfläche als erstaunlich abgedunkelten Bereich, in dem oft kaum noch Details zu erkennen sind. Der Kontrast zwischen den von oben erleuchteten Wolken und der wegen starker Lichtabsorption auch bei direkter Sonneneinstrahlung bereits relativ dunklen Erdoberfläche ist so groß, dass diese Schatten manchmal als dunkle strukturlose Wälder angesehen werden. Und in diesen dunklen Bereichen trägt sich zuweilen für die Dauer der Wolkenpassage (zeitlich abhängig von der Größe der Wolke und deren Geschwindigkeit) die eingangs skizzierte Geschichte aus der niedrigen Perspektiv zu.
Übrigens ist auf dem Foto die momentane Jahreszeit gut zu erkennen: Die Felder sind abgeerntet, das Grün ist den bräunlichen Erdtönen gewichen.

Eine Wolke wie ein Pfeil

Aufwärts

An diesem windstillen Tag sieht man schon von weitem eine steil bis in die Wolken reichende vermeintliche Rauchfahne. Aus einem günstigen Blickwinkel (Foto) erkennt man, dass es kein Rauch, sondern Wasserdampf ist, der senkrecht über dem Kühlturm eines Kohlekraftwerks steht. Man kann auch sagen, es ist eine Wolke. Eine besondere Wolke, denn sie ignoriert die diffuse natürliche Bewölkung, die an diesem Tag natürlicherweise vorhanden ist. Ja, sie durchdringt sogar eine kaum als Wolke zu erkennende Schicht wie ein Pfeil, dessen Spitze darüber wieder zum Vorschein kommt.
Diese Konstellation gibt zum einen Hinweise auf die Höhe der Wolken und zum anderen zeigt sie wie schwierig es ist, am bewölkten Himmel die Anordnungen und Entfernungen zwischen den verschiedenen Wolkenschichten einigermaßen plausibel einschätzen zu können.
Der enorme Auftrieb, der sich in dieser Nebelfahne über dem Kühlturm zeigt, weist auf einen deutlichen Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und dem aufsteigenden und sofort kondensierenden Wasserdampf und damit indirekt auch auf die zur Kühlung eines konventionellen Kraftwerks nötigen Energieverluste hin.

Heiße Experimente – Physik in der Sauna

H. Joachim Schlichting, Christian Ucke. Physik in unserer Zeit 52/2 (2021), S. 94 – 97

In einer Sauna herrschen ungewöhnliche thermische Bedingungen. Ein Saunagang lässt sich daher leicht zu einer Experimentalsituation umfunktionieren. Thermometer, Sanduhr, Hygrometer und oft auch eine Waage stehen standardmäßig zur Verfügung. Gegenstand der Experimente ist vor allem der eigene Körper. Weiterlesen →

Wintermücken – Mücken im Winter

Als ich vor kurzem mein Erstaunen über einen Mückenschwarm im Winter und bei Regen zum Ausdruck brachte, konnte ich mich in dem Punkt beruhigen, dass ihnen der Regen nichts ausmachte. Und die relativ hohe Umgebungstemperatur von 13 °C erleichterte es mir, den Mückentanz als in Übereinstimmung mit den Naturgesetzen zu sehen. Inzwischen bin ich durch einige erhellende Kommentare und eigene Recherche etwas weiter gekommen.
Das entscheidende Stichwort war „Wintermücken“. Mir war bislang nicht aufgefallen, wohl auch weil ich es aus bestimmten Gründen für unmöglich hielt, dass Mückenschwärme einer bestimmten Mückenart im Winter keine Besonderheit sind. Weiterlesen →

Zaghafte Annäherungen des Winters

Der Winter unternimmt immer mal wieder einen Versuch, Fuß zu fassen und sei es nur in Form von kleinen Eiskristallstrukturen, die eher an Spuren von Vogelfüßen erinnern als an Eis und Schnee.
Dennoch ist dieses Foto einer Fensterscheibe Zeugnis der fantastischen Metamorphose: Unsichtbarer Wasserdampf, der uns meist unmerklich umgibt, zeigt sich in weißen Kristallstrukturen, die das düstere Grau in Grau des Winters ästhetisch konterkarieren.
Die Verteilung der einzelnen Kristallbüschel richtet sich nach sogenannten Keimen, die auf der Glasfläche in Form von kleinen Staubpartikeln statistisch verteilt vorhanden sind. Denn aller Anfang ist schwer: Um vom dampfförmigen in den festen Zustand überzugehen benötigen die frei umherdriftenden Wassermoleküle einen Ausgangspunkt, an den sie andocken können. Dazu sind auch übrig gebliebene Spinnfäden willkommen. Die Eiskristalle verschaffen ihnen eine Sichtbarkeit in völlig neuem Gewand. Nach gelungenem Anfang docken die nachfolgenden Wassermoleküle bevorzugt an bereits bestehenden Kristallen an, sodass diese nach dem Prinzip: „Wer da hat dem wird gegeben“ ein zügiges Wachstum an den Tag legen.

Stehende Eiszapfen

Der Winter treibt merkwürdige Blüten, wenn er denn überhaupt bereit ist uns zu beehren. Früher (ja, ich weiß: Früher war alles besser.) konnte ich diese Blüten in frostigen Nächten häufiger züchten. Inzwischen wird es seltener. Umso mehr freue ich mich von außerhalb Beispiele dafür zu erhalten, dass der Winter es noch kann – mehr oder weniger aufrecht stehende Zapfen wachsen zu lassen. Weiterlesen →

Mückentanz am Tage der vorletzten Schokolade im Advendskalender

Einen Tag vor Heiligabend zeigte das Thermometer 13 °C an und es regnete. Es war eine merkwürdige Stimmung. Ich stellte mich einige Minuten in den Regen, nur so, um zu erfahren wie es ist, wenn man im Winter im Regen steht und die Kälte einen nicht sofort wieder ins Haus treibt.
Plötzlich gewahrte ich einen Schwarm Mücken, die völlig unbeeindruckt von den fallenden Tropfen – die ja wesentlich massiver sind als sie selber – hier ihren ansonsten wohl eher von lauen Sommerabenden vertrauten chaotischen Tanz zelebrierten. Ich traute meinen Augen nicht und schaute höchst erstaunt nunmehr selbst die Tropfen vergessend dem Treiben der Winzlinge zu. Sie ließen sich auch nicht von der Stelle vertreiben, die aus meiner Sicht so gut oder vielmehr so schlecht wie andere Stellen war.
Mein Erstaunen wird nur in der Hinsicht gemildert, dass die Mücken von den aus ihrer Sicht überdimensionalen Tropfen nichts zu befürchten haben, wie ich vor einiger Zeit mit großem Interesse zur Kenntnis genommen und auch darüber berichtet habe. Die Tropfen können ihnen nichts anhaben, jedenfalls dann nicht wenn sie sie hier in der Luft agieren.
Es stellen sich mir Fragen über Fragen: Woher kommen die Mücken jetzt? Hat das milde Wetter sie vorzeitig aus ihren Winterquartieren gelockt? Wohin gehen sie, wenn der in der Wettervorhersage angekündigte (heute zeigt das Thermometer 0 °C) Temperatursturz eintritt? Bleiben sie dann zusammen oder sucht dann jede für sich ein warmes Plätzchen? Wie wenig wir doch über Insekten im Allgemeinen und Mücken im Besonderen wissen!

Eine kleine physikalische Nachtgeschichte

Der frühe Frühling in diesem Jahr, der sich gefühlt ja bereits durch den ganzen Winter hindurchzog bringt in diesen Tagen einige botanische Eisblumen hervor. Nachdem vorgestern noch der Löwenzahn seine Blüte in der prallen Sonne entfalten konnte, musste er in der gestrigen Nacht einige kristalline Gäste auf seinen Blütenblättern dulden. In der Nacht sanken die Temperaturen unter Null Grad, sodass der Taupunkt unterschritten wurde: Überschüssiger Wasserdampf kondensierte und/oder resublimierte an feinen Strukturen, so auch an der Löwenzahnblüte. Weiterlesen →

Verbrennendes Eisen

Zugegeben der Kaminrost ist gemeinsam mit dem Kamin in die Jahre gekommen. Dennoch wundere ich mich seit längerem darüber, dass die Eisenstäbe, die ja eigentlich anders als Holz nicht verbrennen sollten, immer dünner wurden und inzwischen wie Spieße aussehen. Was ist mit dem Eisen passiert? Weiterlesen →

Dreiblättrige Hohlräume im Eis bringen Glück

Vierblättrige Kleeblätter sollen Glück bringen, weil sie sich Mutationen verdanken, die nur sehr selten vorkommen. Doch wie sieht es mit mit dreiblättrigen luftgefüllten Hohlräumen im Eis eines zugefrorenen Teichs aus? Da sie sicherlich noch seltener vorkommen als vierblättriger Klee gehe ich davon aus, dass sie erst recht Glücksbringer sind.
Diese „Mutation“ ist dadurch zustande gekommen, dass die auf einem Teich in Eis eingefrorene dreiblättrige Pflanze ungeduldig wurde und die jüngsten sonnigen Tage nutzte, so viel Sonnenenergie wie möglich zu absorbieren. Das Eis ist ja ansonsten weitgehend transparent und reflektiert einen Teil des Sonnenlichts. Das eingefrorene dunkelgrüne Blatt jedoch nimmt vor allem die zum Grün komplementären Rotanteile des Sonnenlichts auf und erwärmt sich dadurch. Je stärker infolgedessen seine Temperatur über die der Umgebung ansteigt, desto mehr Energie gibt das Blatt an diese ab. Und wenn das Eis auch schon kurz vor dem Schmelzen ist, reicht es aus, nach und nach ein dreiblättrigen Loch in das Eis zu schmelzen. Das haben wir auf dem Foto vor Augen.
Die Eisschicht über dem Loch ist bereits sehr dünn. Ein kleiner Druck mit dem Finger reichte aus, ein Loch hineinzubrechen. Dadurch konnte ich sehen, dass das „Kleeblatt“ etwa 1,5 cm unter der Eisschicht beim Zufrieren des Teichs kalt erwischt wurde. Ich hoffe mal, dass es nicht mehr lange warten muss, bis es mit dem weiteren biologischen Wachstum so richtig loslegen kann.

Schneeverlust unter dem Gefrierpunkt

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaften 2 (2020), S. 72

Oh welch ein Schreck:
Der Schnee ist weg!
Wo ist er nur geblieben?

Anita Menger (*1959)

Manchmal verschwindet die Schneedecke, obwohl das Thermometer unter null Grad anzeigt. Oder aber sie schmilzt selbst bei Plusgraden kaum. Die Temperatur allein ist nicht entscheidend – bei den Vorgängen spielen weitere Kennzahlen eine wichtige Rolle. Weiterlesen →

Kristalle aus der Tonne

Das Wasser in dem Fasse hier
Hat etwa Null Grad Reaumur*.

Es bilden sich in diesem Falle
Die sogenannten Eiskristalle.

Wilhelm Busch (1832 – 1908)

* Grad Reaumur ist eine veraltete Einheit der Temperatur, die 1730 vom Naturforscher René-Antoine Ferchault de Réaumur definiert wurde und besonders in Deutschland und Frankreich mindestens bis in die Zeit Wilhelm Buschs verbreitet war. Anders als in der SI-Einheit ‚Grad Celsius‘ wurde der Siedepunkt von Wasser auf 80° Reaumur festgelegt und in gleichartige Gradabstufungen unterteilt.

Am Rande des schwarzen Lochs…

… ergeht sich die Natur noch einmal in den schönsten Spektralfarben, sortiert nach der Wellenlänge des Lichts. Könnte man angesichts des Fotos meinen – aber es ist viel profaner. Als ich im Anschluss an eine größere Feier die Warmhaltebehälter reinige, fällt mir auf, dass die von den Flammen der Brennpaste berußten Stellen von brillanten Farbringen umgeben sind. Wie entsteht eine solche Kolorierung? Weiterlesen →

Ausgetrickst

In diesem Jahr sah ich in der Nähe von Pferdewiesen immer wieder zeltartige Vorrichtungen mit einem großen schwarzen Ball darunter (siehe Foto). So harmlos und rätselhaft zugleich dieses Gebilde auch aussehen mag, für einige Insekten, vor allem Bremsen wird es zur tödlichen Falle. Dabei wird  einerseits die Verhaltensweise von Bremsen ausgenutzt, sich bei Warmblütern wie etwa Pferden eine Blutmahlzeit zu verschaffen. Da sie andererseits mit ihren Facettenaugen nicht feststellen können, ob es sich bei körperwarmen Gegenständen tatsächlich um Lebewesen handelt, landen sie oft auch auf den falschen Objekten, in diesem Fall auf dem warmen schwarzen  Ball. Weiterlesen →

Physikalische Gedanken zu sonnenbadenden Steinen

Wenn mir jemand sagte, dass im Sand liegende Steine sich ausruhen oder sonnen würden, so fände ich das zumindest ein wenig hergeholt. Wenn man aber einige Steine unterschiedlicher Form und Größe zusammenträgt und in geeigneter Weise zusammenlegt, ist der Gedanke an Ausruhen oder Sonnen nicht mehr von der Hand zu weisen, auch wenn dem Männchen (oder ist es ein Weibchen) schon der kleine Finger der linken Hand abhanden geht. Weiterlesen →

Geröstetes Brot hinterlässt Feuchtigkeitsspuren

Als ich eine Scheibe heißen, gerösteten Brots auf ein rustikales Brettchen legte und nach kurzer Zeit zur Seite schob, sah ich erstaunt, dass es einen ziemlich feuchten Abdruck hinterlassen hatte.
Merkwürdig. Sollte das der Hitze ausgesetzte Brot nicht vielmehr noch trockener sein als vor dem Rösten?
Physik sei Dank ging alles mit rechten Dingen zu. Bei höherer Temperatur ist die maximale Feuchte (also die Konzentration von Wasserdampf in der Umgebung, die nicht überschritten werden kann, ohne dass der dann überschüssige Dampf kondensiert) größer als bei niedrigerer Temperatur. Weiterlesen →

Gläserne Brücken über zukünftiges Grün

Da hatten wir den Winter schon als überwunden geglaubt, bis er diese Tage mit Demonstrationen aufwartet die zeigen, dass er auch anders kann. Das Grün wird einfach mit Schnee überdeckt.
Aber es genügt, dass die Temperaturen etwas steigen und die Sonne einige Zeit scheint, um deutlich zu machen, dass der Schnee nicht mehr von Dauer ist. Und selbst wenn er versucht, die Schneeschmelze durch neuerliches Gefrieren rückgängig zu machen, ist dieser Versuch doch allzu durchsichtig. Dadurch wird nicht nur der Blick auf das hoffnungsvolle Grün möglich, sondern auch ein Einfallstor für die Sonne geöffnet. Sie wird dann nicht mehr wie vom weißen Schnee reflektiert, sondern im grünen Gras in Wärmeenergie verwandelt, die den Schmelzprozess weiter antreibt.
Der einzige Schönheitsfehler – die Sonne macht sich in diesen Tagen allzu rar.

Grenzerfahrungen zwischen Eis und Schnee

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 1 (2019), S. 64 – 65

Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt bewirkt ein Hin und Her zwischen Schmelzen und Gefrieren im Schnee einen erstaunlichen Reichtum an eisigen Strukturen.

Nebeneindrücke sind
wieder einmal das Bestimmende
Robert Musil (1880–1942)

In unseren Breiten sind harte Winter selten. Wenn es einmal geschneit hat, dauert es oft nicht lange bis zum nächsten Tauwetter. Es lohnt sich allerdings, die Phänomene in dem Grenzbereich zwischen Fest und Flüssig aufmerksam zu beobachten. Weiterlesen →

Ein Lichtblick am Morgen

Es ist früh am Morgen. Die Straßen liegen noch weitgehend im Schatten. Nur die oberen Bereiche einiger Häuserwände und der blaue Himmel werden bereits von der aufsteigenden Sonne erhellt. Das von einer Häuserwand diffus reflektierte Licht trifft eine ebenfalls noch im Halbdunkel liegende glatte Bank, die es dem Gesetz der spiegelnden Reflexion gemäß in eine bestimmte Richtung weiter schickt und dem, der in dieses Lichtbündel gerät, eine Einladung zum Verweilen ausspricht. Außerhalb des Lichtbündels liegt die Bank genauso dunkel da wie alles andere. Weiterlesen →

Kalte Kunst auf der Regentonne

Das Wasser in dem Fasse hier
Hat etwa Null Grad Reaumur*.
Es bilden sich in diesem Falle
Die sogenannten Eiskristalle.

Wilhelm Busch (1832 – 1908)

* Reaumur ist eine veraltete Einheit für die Temperatur. Sie galt etwa bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Westeuropa. Ich erinnere mich, dass bei meinen Großeltern noch ein Thermometer mit der Aufschrift Reaumur hing. Keinem fiel auf, dass die Einheit nicht mit der seit langem ausschließlich geltenden Einheit Celsius übereinstimmte. Dazu mag beigetragen haben, dass in beiden Skalen der Gefrierpunkt von Wasser als Nullpunkt gilt. Auch wenn der Siedepunkt von Wasser in der Reaumurskala auf 80° statt wie in der Celsiusskala auf 100° festgesetzt ist, spielte das im häuslichen Alltag kaum eine Rolle: Wenn das Thermometer 20° R anzeigte, waren es in „Wirklichkeit“, will sagen: in der inzwischen geltenden Celsiusskala, 25° C. Ich vermute, dass der Unterschied damals deshalb kaum auffiel, weil man insbesondere im Winter mit niedrigeren Zimmertemperaturen auskam als heute. Es ist durchaus denkbar, dass in zahlreichen Haushalten eine Zimmertemperatur von 20° C damals so empfunden wurde wie heute 25° C.

Surfende Wassertropfen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaften 2 (2018), S. 60 -61

Manche Wassertropfen driften eine Zeitlang auf einer Wasseroberfläche, ohne mit dieser sofort zu verschmelzen. Das könnte an einem Luftpolster liegen, doch womöglich sind die physikalischen Effekte komplizierter als gedacht.

Und müssen Tropfen fallen,
wenn wir entzückt werden sollen?
Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

Wenn ich an einem Springbrunnen sitze, achte ich neuerdings immer wieder auf die winzigen Tropfen, die jeweils kurze Zeit über die Wasseroberfläche im Becken treiben. Ich warte dann auf den Moment, in dem sie mit der Oberfläche verschmelzen. Die flinken Tröpfchen verschwinden dabei plötzlich und spurlos. Das unterscheidet sie von den meist größeren, träge auf dem Wasser ruhenden Blasen. Es drängt sich aber die Frage auf, warum die Tropfen überhaupt noch eine kleine Weile auf der Oberfläche kursieren und sich nicht sofort mit dem Wasser vereinigen, obwohl sie doch aus demselben Stoff bestehen.
Das Phänomen erinnert mich an einen ähnlichen Vorgang beim Kaffeezubereiten: Wenn der Kaffee vom Filter in die Kanne tropft, huschen oft ebenfalls kleine Kugeln über die Oberfläche des Getränks, um nach ihrem kurzen Ausflug ebenso unvermittelt zu verschwinden wie ihre Verwandten auf dem Teichwasser. In diesem Fall ist die Situation etwas anders, weil ein Temperaturunterschied zwischen der schon etwas abgekühlten Kaffeeoberfläche und dem heißen Tröpfchen besteht. Die Grenzflächenspannung ist nämlich temperaturabhängig, und durch einen Marangoni-Strömung genannten Effekt wird Flüssigkeit von einer Stelle mit einer geringeren Oberflächenspannung zu einer mit höherer transportiert. Das entspricht hier einer Ausgleichsströmung von der warmen Seite zur kühleren.
Nähert sich ein heißer Tropfen der Oberfläche des Kaffees, kühlt er an der Unterseite rasch ab. Die dorthin laufende Mikroströmung von wärmeren Bereichen des Tropfens reißt angrenzende Luftpartikel mit und bildet temporär ein Luftpolster (siehe Illustration). Es erscheint plausibel, dass das die Vereinigung verzögert – im Prinzip kennen wir so etwas bereits vom »Leidenfrost-Effekt« bei langlebigen Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte (siehe »Wassertropfen auf der Rennbahn«, Spektrum Dezember 2016, S. 48).

Von Temperaturdifferenzen zwischen Tropfen und Wasseroberfläche kann bei meinen Beobachtungen am Springbrunnen allerdings kaum die Rede sein. Offenbar ist dort trotz der phänomenologischen Ähnlichkeit ein anderer Effekt im Spiel.
Da die Erscheinung relativ leicht zu beobachten ist, haben sich Wissenschaftler schon früh damit auseinandergesetzt. Als erster veröffentlichte 1889 Lord Rayleigh (1842–1919) Arbeiten dazu. Er hielt für den Zeitpunkt der Verschmelzung vor allem die Verdrängung der Luftschicht zwischen Tropfen und Flüssigkeit für ausschlaggebend. Bei seinen Untersuchungen stellte er zahlreiche Einflussfaktoren fest. Dazu zählen die Oberflächenspannung, Viskosität und Löslichkeit der aufeinandertreffenden Substanzen sowie Verunreinigungen und statische elektrische Ladungen.
Die wissenschaftliche Diskussion ist seitdem nie ganz abgerissen. Unter kontrollierten Bedingungen lässt sich die Zahl der Einflussfaktoren immerhin verkleinern. Wenn man sich auf Tropfen aus reinem Wasser beschränkt, die man auf eine ebenso reine Wasseroberfläche fallen lässt, ergibt sich folgender Forschungsstand: Ab einer bestimmten Mindesthöhe verschmilzt der Tropfen stets unmittelbar. Auf unseren Springbrunnen bezogen heißt das, die aus relativ großer Höhe herunterfallenden Wassertropfen bleiben nicht selbst auf der Wasseroberfläche, sondern lösen durch ihren Aufprall Sekundärtropfen heraus. Diese fallen dann aus hinreichend niedriger Höhe zurück, wobei dann einige von ihnen einer sofortigen Vereinigung entziehen um noch ein wenig umher zu driften. In den Laborexperimenten zeigte sich zudem, was wir von den auf dem Kaffee tanzenden heißen Tropfen kennen. Ab einer bestimmten Temperaturdifferenz zwischen Tropfen und Flüssigkeit lässt sich die Verschmelzung sehr lange hinauszögern. Das erreicht man auch, wenn man die Flüssigkeitsoberfläche in Schwingung versetzt. Anschaulich gesprochen unterbricht die Bewegung die einsetzenden Vermischungsvorgänge immer wieder. Außerdem lässt sich, wie bereits Rayleigh festgestellt hat, der Zusammenschluss durch einen gezielten Einsatz elektrischer Ladungen verlangsamen oder beschleunigen.
Die wohl am weitesten verbreitete und am ehesten akzeptierte Erklärung für die driftenden Tropfen ist die Luftkissenhypothese. Demnach unterbleibt die Vereinigung solange, bis die zwischen den Grenzflächen eingeschlossene Luftschicht verschwunden ist. Viele Wissenschaftler sehen eine eindrucksvolle Bestätigung dafür insbesondere in »Newtonschen Ringen« zwischen dem Tropfen und der Flüssigkeitsoberfläche. Newtonsche Ringe sind der Ausdruck eines Interferenzphänomens, bei dem Lichtwellen in einer dünnen Luftschicht von der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichts gebrochen, reflektiert und zur Überlagerung gebracht werden. Das löscht bestimmte Anteile des Spektrums aus oder verstärkt sie, was sich an Stellen jeweils gleicher Schichtdicke durch farbige Ringe zeigt.
Allerdings äußern einige Forscher Zweifel an dieser Hypothese und führen alternative Erklärungen gegen die vermeintlichen Beweise an. So lasse die Reproduzierbarkeit des Phänomens zu wünschen übrig: Bei noch so großen Bemühungen, gleiche Versuchsbedingungen einzuhalten, wären sowohl sofortige Verschmelzungen als auch lange Lebensdauern der Tropfen feststellbar. Aus der Luftkissenhypothese sollte im Übrigen folgen, dass bei abnehmendem Luftdruck die Luftschicht zwischen Tropfen und Flüssigkeit ausgedünnt und damit die Verweildauer drastisch reduziert würde. Bei Wasser ist das aber mitnichten der Fall. In einigen Versuchen stellte man im Gegenteil sogar eine längere Lebensdauer der Tropfen fest.
Vor diesem Hintergrund schlagen einige Forscher ein alternatives Modell für das Phänomen vor. Sie zeigen, dass auf der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft teilweise größere Schichten geordneter Wassermoleküle existieren. Diese könnten – so ihre Argumentation – wie eine Barriere wirken und ähnlich wie bei der Luftkissenhypothese die Wassermoleküle des Tropfens solange auf Abstand halten, bis die Schicht weit genug ausgedünnt ist. Erst dann überwiegen die molekularen Anziehungskräfte und führen eine Vereinigung herbei.
Das Geheimnis der driftenden Tropfen ist also noch nicht vollständig gelüftet. Das macht es umso spannender, sie am Springbrunnenteich und anderswo weiter zu beobachten.

Quellen
Klyuzhin, I. S. et al.: Persisting Water Droplets on Water Surfaces. In: Journal of Physical Chemistry B 114, 14020–14027, 2010
Neitzel, G. P., dell’Aversana, P.: Noncoalescence and Nonwetting Behavior of Liquids. In: Annual Review of Fluid Mechanics 34, S. 267–289, 2002

PDF : Warum gehen Wassertropfen manchmal nicht unter?

Video: Auf Wasser surfende Wassertropfen

Knisternde Phasenübergänge

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Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Phys. Educ. 52 (2017) 045012

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Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 11 (2016), S. 56 – 58

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