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Totalreflexion

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Antibubble – das Gegenteil einer Seifenblase

Antiblase: Die Bildfolge zeigt in Abständen von 4/100 Sekunden die Erzeugung einer mit Flüssigkeit gefüllten Lufthülle.

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2022), S. 60 – 61

Wer fragt die These und die Antithese,
ob sie eine Synthese werden wollen?

Stanisław Jerzy Lec (1909–1966)

Ein Tropfen, der in eine Seifenlösung fällt, kann sich beim Eintauchen mit einer dünnen Luftschicht umschließen und gemeinsam mit dieser langsam absinken. Ob das klappt, hängt davon ab, wie genau die Luft beim ersten Kontakt der Flüssigkeiten verdrängt wird.

Wenn man jemanden fragt, was das Gegenteil einer Blase ist, so bekommt man oft zu hören, das sei ein Tropfen. Das klingt zunächst plausibel – ist es aber nicht. Denn eine Blase besteht aus einer Luftkugel mit einer Wasserhülle und befindet sich in der Luft. Das genaue Gegenteil wäre eine Wasserkugel mit einer Lufthülle unter Wasser. Solche »Antiblasen«, gelegentlich nach dem englischen Begriff als Antibubbles bezeichnet, gibt es tatsächlich. Manchmal entstehen sie sogar zufällig, wenn Tropfen in eine Flüssigkeit fallen.

Um nicht auf sein Glück warten zu müssen, kann man Antibubbles gezielt herstellen. Ähnlich wie bei Seifenblasen gelingt das am leichtesten in Wasser, dem man einige Tropfen Spülmittel zugefügt hat. Allerdings ist dabei ein wenig Übung erforderlich. Dazu braucht es einen Trinkhalm, den man ein paar Zentimeter tief in die Lösung (etwa ein Gramm Spülmittel pro Liter Leitungswasser) taucht. Dann verschließt man ihn oben mit einem Finger und hebt ihn einige Millimeter über die Oberfläche. Sobald man die Öffnung freigibt, schießt die Füllung heraus und erzeugt nach etwas Ausprobieren eine etwa einen Zentimeter große Antibubble.

Der Prozess läuft prinzipiell ähnlich ab wie bei einer Seifenblase. Diese entsteht, indem eine Seifenlamelle von einem Luftstrom ausgebeult wird und sich das filigrane, schlauchförmige Gebilde bei einer kritischen Länge zu einer Kugel abschnürt (siehe »Spektrum« Juni 2016, S. 44). Zur Herstellung einer Antibubble reicht der kurze Fall eines Tropfens aus, um die beim Aufprall auf die Flüssigkeitsoberfläche zusammengepresste Luftschicht beim Eintauchen ins Wasser gewissermaßen mitzunehmen. Dabei beult er sie ballonartig aus, bis es ebenfalls zu einer Abschnürung kommt – in diesem Fall des Luftfilms, der die eingetauchte Wasserportion umhüllt.

Um sich den Vorgang im Detail vorzustellen, hilft das Bild einer Wasserschicht, die unter dem Einfluss der Schwerkraft auf die Wasseroberfläche trifft. Zwischen den beiden befindet sich Luft, die dabei zur Seite abgedrängt wird. Das ist kein Problem, so lange sie frei strömen kann. Sobald jedoch ein gewisser Abstand unterschritten wird, bestimmen immer mehr typische Grenzflächenkräfte das Fließverhalten der entweichenden Luft. Sie wird im zunehmend schmalen Spalt zugleich verdrängt und zusammengedrückt. Deswegen können sich die Gasteilchen nicht mehr frei und unabhängig voneinander im Raum bewegen. Vielmehr entsteht das Profil einer laminaren Strömung. Das heißt, die Luftmoleküle, die am Wasser grenzen, bleiben daran haften, während ihre Geschwindigkeit in den (zur Veranschaulichung gedachten) Schichten zur Mitte hin zunimmt. Hinzu kommt, dass mit geringerer Spaltbreite die Zähigkeit der Luft an Einfluss gewinnt. Das äußert sich in einer gesteigerten Reibungskraft, die den Luftstrom verlangsamt. Anschaulich gesprochen verfestigen sich dadurch die Verhältnisse in der Hülle, und sie werden gegenüber störenden Einflüssen stabilisiert.

Aufstieg: Die Luft aus der Hülle strebt nach oben und sammelt sich dort in einer kleinen Aufwölbung. Somit ist die Antibubble nicht mehr ganz kugelförmig. Das Licht wird an der Luftschicht total reflektiert, darum ist nur der mittlere Bereich durchsichtig.

Die Begrenzungen der auf diese Weise gequetschten Luft sind jedoch nicht unbeweglich wie bei festen Wänden, sondern flüssig. Das umliegende Wasser droht also infolge der Reibungskraft mitgeführt zu werden. Der Luftstrom würde dann nicht gebremst, sondern bliebe schnell, dünn und fragil. Das stünde der Entstehung einer Antibubble entgegen.

An der Stelle kommen die mit dem Spülmittel verabreichten Tenside ins Spiel. Das sind langgestreckte Moleküle mit einem dem Wasser zugewandten (hydrophilen) und einem Wasser abweisenden (hydrophoben) Ende. Sie sammeln sich an der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit. Das minimiert die dortige Energie und stabilisiert den Luftstrom: Ein Mitreißen der flüssigen Grenzschicht würde die Konzentration der dort versammelten Tensidmoleküle verringern und die Oberflächenspannung erhöhen. Dagegen wehrt sich das System, indem es eine Gegenströmung antreibt, welche die Tensidkonzentration in der Grenzschicht aufrecht erhält. Die gegeneinander wirkenden Tendenzen versteifen die Wände sozusagen.

Antibubbles haben nicht nur eine physikalisch komplizierte Geburt, obendrein ist ihre Lebensdauer ebenso wie bei Seifenblasen begrenzt. Um die Grenzflächenenergie zu minimieren, streben beiderlei Gebilde eine Kugelgestalt an. Weiterhin wird Energie an die Umgebung abgegeben, indem der Schwerpunkt der Blasen sinkt. Bei einer Seifenblase rinnt die Flüssigkeit in der Haut schwerkraftbedingt herab, bis diese schließlich an der dünnsten Stelle reißt. Auch bei der Antibubble spielt die Gravitation eine Rolle. Hier drückt die innere Wasserkugel mit ihrem Gewicht auf die Lufthülle und presst allmählich Luft hoch. Dadurch wird sie unten irgendwann so schmal, dass sie platzt. Das ganze Schauspiel endet bei der Seifenblase mit umher fliegenden Bruchstücken aus Lauge, die sich zu Tröpfchen zusammenziehen und zu Boden fallen. Bei der Antibubble ist es wieder umgekehrt: Die Fetzen der Lufthülle schrumpfen zu winzigen Bläschen im Wasser, die zu dessen Oberfläche aufsteigen.

Quelle

Suhr, W.: Invertierte Seifenblasen: Antibubbles. Physik in unserer Zeit 2, 2022

Weblink

http://www.youtube.com/watch?v=SeKDd-plkbU

Das Video demonstriert den Herstellungprozess mit einem Trinkhalm und das physikalische Verhalten der Antiblasen.

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Schattensäulen im Eis

Was hier wie eine feine Grafik daherkommt, ist in Wirklichkeit ein Naturphänomen. Wir blicken auf eine Eisschicht eines zugefrorenen Teichs. Die Dicke der Eisschicht lässt sich an der Länge der dunklen weitgehend senkrechten Striche abschätzen. Diese perspektivisch auf ein fiktives gemeinsames Zentrum (auch Fluchtpunkt genannt) weisenden Striche sind Schattensäulen. Sie werden hervorgerufen durch Gasblasen, die im Eis des zufrierenden Teiches steckengeblieben sind.
Das Gas entsteht durch biologische Aktivität irgendwelcher Pflanzen auf dem Grund des Teichs. Es sammelt sich zunächst an bestimmten Stellen der Pflanzen, bis die Auftriebskraft die Adhäsionskraft übersteigt und eine Blase aufsteigt. Da der Teich dabei ist zuzufrieren, bleibt sie unterhalb der Eisschicht sitzen und wird durch das tiefer in den Teich hineinwachsende Eis eingeschlossen. Je nach dem Zeitpunkt, in dem die Blasen aufstiegen, befinden sie sich in unterschiedlicher Höhe in der Eisschicht.
Die ältesten Blasen befinden sich unmittelbar unter der Oberfläche, die jüngsten an der unteren Fläche der Eisschicht. Sie sind dadurch zu erkennen, dass sie keinen Schatten haben. Denn das klare Wasser darunter streut das Licht nicht. Die Blasen haben einen Durchmesser von einigen Millimeter, sie sind als weiße Flecken zu erkennen. Das Weiß rührt daher, dass sie auf ihrer Innenseite eine Reifschicht aufweisen, die das Licht streuen.
Während des Fotografierens schien die Sonne. Die weitgehend opaken Blasen werfen Schatten. Die Eisschicht ist nicht völlig transparent, weil an Verunreinigungen (winzige Lufteinschlüsse) das Sonnenlicht diffus reflektiert wird und ihr ein leicht milchiges Aussehen gibt. In den Schattenbereichen findet hingegen keine Lichtstreuung statt, weil dorthin überhaupt kein direktes Sonnenlicht gelangt. Daher erscheinen sie in der aufgehellten Eisschicht wie dunkle Säulen.
Die Schattensäulen scheinen auf einen fiktiven gemeinsamen Punkt in der Tiefe zuzulaufen, den Fluchtpunkt.

Die „Farbe“ Weiß durch Totalreflexion

Schneebeeren sind weiß und erinnern somit an den Schnee. Die Namensgebung ist auch dadurch gerechtfertigt, dass die Beeren außer durch die Farbe einen weiteren Bezug zum Schnee haben. Sie hängen oft auch noch im Winter an den Ziersträuchern gleichen Namens ((Symphoricarpos albus), wenn die Blätter bereits vergangen sind. Und wenn die Winter in unseren Breiten immer schneeärmer werden, übernehmen die Schneebeeren immer mehr die Funktion, uns an die Farbe des Schnees zu erinnen.
Als Kinder hatten wir unseren Spaß mit den weißen Früchten. Wenn man sie zwischen Daumen  und Zeigefinger zerquetschte oder auf dem Boden zertrat, gaben sie einen vernehmlichen Knall von sich. Wir nannten sie wegen der Ähnlichkeit zum damals für Kinder zulässigen Silvesterknaller auch Knallerbse.
Mit ihrer weißen Farbe verweisen die Schneebeeren nicht nur äußerlich auf den Schnee. Die Farbentstehung ist in beiden Fällen ganz ähnlich. Die Frucht besteht nämlich zum Teil aus luftgefüllten Hohlräumen, was man übrigens daran merkt, dass sie beispielsweise im Vergleich zur etwa gleich großen Kirsche äußerst leicht ist. Diese Hohlräume führen dazu, dass das eindringende Licht beim Übergang von der optisch dünneren Luft zur optisch dichteren festen wässrigen Substanz ab einem bestimmten Einfallswinkel total reflektiert wird. Das heißt es dringt nicht in das dichtere Medium ein, sondern wird wie an einem Spiegel so gut wie unverändert zurückgeworfen. Und wenn es nicht erneut total reflektiert wird, kommt es abgesehen von geringen Absorptionsverlusten nahezu ungeschwächt zurück. Allerdings wird das Licht der jeweiligen Form der Grenzflächen und der Zahl der Reflexionen entsprechend in verschiedene Richtungen, also diffus reflektiert, sodass der Gegenstand im Idealfall weiß erscheint.
Wenn man die Beere zerdrückt, gerät die Luft in den Hohlräumen zunächst unter Druck bis die Wände reißen und die Luft mit einem Knall entweicht. Dabei werden die Hohlräume mit der wässrigen Substanz der Beere erfüllt , sodass diese glasig wird und sich teilweise bräunlich verfärbt. Fazit: Wenn die Luft raus ist, findet die Luftnummer ihr Ende.
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 in die Eiskristalle ein und wird beim Wiederaustritt an der Grenzfläche zu den lufterfüllten Zwischenräumen oberhalb des kritischen Winkels total reflektiert. Daher liegt dem Weiß des Schnees und der Schneebeere eine ähnliche physikalische Ursache zugrunde.
Viele weiße Blüten, zum Beispiel die des Buschwindröschens, verdanken ihr Weiß ebenfalls der Totalreflexion.
Manchmal führt die Totalreflexion zu recht merkwürdigen Effekten, wie man sie beispielsweise beim Eindringen eines Laserstrahls in eine dünne Wasserschicht beobachten kann.

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Küsten sind meist weiß berandet

Phänomenologisch verschiedene Bereiche der Natur werden oft in äußerst kreativer Weise durch eine auffällige Markierung berandet. So sind Blätter von Bäumen im Sommer oft von gleißend hellen Linien der Lichtstreuung umgeben, während sie im Winter eher von Reifkristallen eingerahmt erscheinen und berandete Wolken und berandete nasse Blätter, berandete Dünen in der Sandwüste…
Ein weiteres meist von einer höheren Warte aus zu beobachtendes Phänomen sind die hellen Ränder an den Meeresküsten (Foto). Es handelt sich um das weiß schäumende Wasser der brandenden Wellen und man fragt sich vielleicht, warum sie unabhängig vom jeweiligen Küstenverlauf stets senkrecht einlaufen.
Die je nach der Windrichtung, den Meeresströmungen und anderen Einflüssen aus einer bestimmten Richtung gegen die Ufer anlaufenden Wellen werden in dem Maße wie ihre Höhe die Größenordnung der abnehmenden Wassertiefe erreicht im unteren Bereich durch Reibung mit dem Boden gebremst. Weil die Seite der schräg einlaufenden Wellen, die zuerst Bodenkontakt erfährt zuerst gebremst und verlangsamt wird und sich dieser Prozess über die ganze Länge der Front fortsetzt, kommt es zu einem Einschwenken der Welle bis sie nahezu senkrecht zum jeweiligen Uferabschnitt weiterläuft. Dabei wird sie im unteren Bereich so stark gebremst, dass sie aus Trägheit im oberen Bereich weiterlaufend sich überschlägt und weißschäumend und tosend ihre Bewegungsenergie verbraucht, d.h. durch Wärme an die Umgebung abgibt.
Da der Schaum des brandenden Wassers aus zahlreichen Luftbläschen besteht, an denen das Licht in alle Richtungen vor allem durch Totalreflexion gestreut wird, erscheint es uns weiß.

Weiße Blüten durch Totalreflexion

Buschwindröschen erfreuen uns vor allem in der Zeit, in der die Bäume noch kein Laub haben und die Sonne den Waldboden erreicht, wo sie vornehmlich wachsen und blühen. Später, wenn das Blätterdach der Bäume so dicht ist, dass nur noch wenig Licht zu ihnen vordringt, verziehen sie sich in die dunkle Unterwelt des Rhizoms, in dem die während der kurzen Vegetationsperiode erworbenen Nährstoffe für das nächste Frühjahr gespeichert werden. Weiterlesen

Steine: Ein natürlicher Lichtleiter

ulexit_dscf5881a_rvEines meiner sehr frühen Fundstücke auf einer Mineralienbörse war ein flacher, weicher Stein geringer Dichte, der äußerlich nicht besonders beeindruckt, aber die tolle Eigenschaft besitzt, durchscheinend zu sein. Erst viel später fand ich durch Zufall heraus, dass es sich dabei um Ulexit, einem natürlich vorkommenden Mineral handelt, das einen typischen Lichtleitereffekt zeigt. Volkstümlich ist auch von Fernsehstein die Rede. Weiterlesen

Verräterische Lichtmuster in der Teetasse

IMG_4469rvSchlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 44/2 (2013), S 98-99

Ein senkrecht durch eine dünne Wasserschicht dringender Laserstrahl zeichnet auf dem Boden eines Gefäßes ein strukturiertes Ringsystem. Ursache ist die diffuse Reflexion am Tassenboden.

PDF: Verräterische Lichtmuster in der Teetasse

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