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Wärmestrahlung

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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.

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Skurrile Eispodeste auf dem Baikalsee

VLADIMIRPB / GETTY IMAGES / ISTOCK

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 1 (2022), S. 60 – 61

Das Schöne ist eine Manifestation
geheimer Naturgesetze

Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832)

Selbst bei lang anhaltenden tiefen Temperaturen kann die Eisdecke eines Sees allmählich schrumpfen. Das liegt an der Wärmestrahlung des Tageslichts. Aufliegende Steine schirmen diese unter sich ab, während das restliche Eis abgetragen wird. Sie finden sich daher schließlich auf einer Säule balancierend wieder.

In unseren Regionen trifft man auf einem zugefrorenen Gewässer zuweilen Steine, Blätter und Äste an, die sich in einer Mulde befinden, so als wären sie dort unter dem eigenen Gewicht eingesunken (siehe »Schmelzabdruck«). Der Eindruck trügt. Vielmehr absorbieren sie die direkte Sonnenstrahlung und erwärmen sich deswegen über den Gefrierpunkt hinaus. Bei nicht allzu tiefen Temperaturen entsteht zunächst Schmelzwasser und dann mit dessen Verdunstung eine passgenaue Mulde, die bei länger andauernder Sonneneinwirkung immer tiefer wird. Das Eis an sich ist weitgehend transparent und nimmt nur wenig Sonnenenergie auf. Es wird an unberührten Flächen in der Umgebung also kaum angegriffen.

Manchmal lässt sich aber eher das Umgekehrte beobachten, etwa bei lang anhaltenden tiefen Temperaturen auf schneefreien, zugefrorenen Seen wie dem Baikalsee in Sibirien. Dort sind Steine zwar auch von einer Mulde umgeben, aber statt darin zu liegen, scheinen sie vielmehr darüber zu schweben. Tatsächlich werden sie von einem schmalen Eispodest getragen, das aus der Vertiefung herausragt. Wegen der visuellen Ähnlichkeit zu meditativ genutzten Steintürmchen werden solche Fundstücke gelegentlich als Zen-Steine bezeichnet (siehe »Zen-Stein«).

Die Kontur der Zen-Steine erinnert an pilzartige Felsformationen, wie sie beispielsweise im türkischen Kappadokien zu bewundern sind (siehe »Feenkamine«). Solche »Feenkamine« entstehen, indem härteres Gestein, das auf weicherem liegt, an manchen Stellen die Erosion durch Wasser und Wind abschirmt und damit verzögert.

Es war bereits bekannt, dass die Erosion auch beim Entstehen der Zen-Steine eine wesentliche Rolle spielt. Bisher ließ sich allerdings nicht erklären, welcher Mechanismus bei derart tiefen Temperaturen das Eis so stark abträgt. Denn einerseits ist die direkte Sonneneinstrahlung jahreszeitlich bedingt sehr schwach, und zum anderen erfolgt die Strukturbildung der Zen-Steine unabhängig davon, ob und aus welcher Richtung die Sonne scheint.

Im Oktober 2021 haben die Physiker Nicolas Taberlet und Nicolas Plihon von der Universität Lyon das Problem gelöst. Sie konnten sowohl experimentell als auch anhand eines physikalischen Modells zeigen, dass die Erosion durch die Sublimation von Eis bewirkt wird. Beim Sublimieren einer Substanz geht diese direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Das flüssige Stadium wird sozusagen übersprungen. Das ist kein ungewöhnlicher Vorgang – im Winter verschwindet Schnee selbst in unseren Breiten unter bestimmten Bedingungen, ohne zuvor flüssig geworden zu sein (siehe »Spektrum« 2/2020, S. 78). Ein solcher unmittelbarer Übergang geschieht außerdem beispielsweise beim festen Kohlenstoffdioxid, das umgangssprachlich bezeichnenderweise Trockeneis heißt und bei Umgebungstemperatur in einer stürmischen Reaktion gasförmig wird (siehe »Spektrum« 11/2009, S. 52).

Bei der Sublimation von Eis finden Schmelzen und Verdampfen gewissermaßen gleichzeitig statt. Daher muss die dazu nötige Wärme für beides auf einmal aufgebracht werden; obendrein ist beim Wasser jeweils relativ viel Energie dafür erforderlich. Woher stammt sie? Eis absorbiert Licht sichtbarer Wellenlängen kaum. Deswegen kommen fast ausschließlich die langwelligen Anteile des diffusen Tageslichts in Frage, das aus allen Richtungen einstrahlt.

Aus dessen Intensität lässt sich die Rate der Eiserosion durch Sublimation abschätzen. Dabei zeigt sich: Der Schwund geht sehr langsam vonstatten. Dabei schirmt ein auf dem Eis liegender Stein die unter ihm befindliche Fläche ab und schützt sie vor Verlusten. So senkt sich allmählich das Eisniveau außerhalb des Schattens, und der Stein bleibt auf einem Podest liegen. Dieses scheint aus der sinkenden Eisfläche herauszuwachsen und wird dabei der diffusen Strahlung des Tageslichts stärker ausgesetzt. Dadurch trifft die von überall kommende Wärme auch auf die zunehmend hohen Seiten der Eissäule, die zu einem immer schmaleren Stiel erodiert – der schließlich unter dem Gewicht des Steins bricht.

Taberlet und Plihon haben ihre Theorie durch Laborexperimente abgesichert. Sie führten sie in einer Vakuumkammer durch, wie sie zur Gefriertrocknung etwa von Lebensmitteln verwendet wird. Bei den dort herrschenden niedrigen Drücken und Temperaturen konnten die beiden Physiker die Sublimationsrate wesentlich erhöhen und damit die Erosionsdauer entsprechend verkürzen. Sie stellten die Geschehnisse auf dem Baikalsee gewissermaßen im Zeitraffer nach. Statt Steine verwendeten sie kleine Metallplatten. Diese wurden mit dem Schrumpfen der umliegenden Eisschicht in der Kammer schnell auf ein immer höheres und schmaleres Podest gehoben. Bei Versuchen mit Plättchen unterschiedlicher Art war der Effekt unabhängig vom Material. Insbesondere spielte die Wärmeleitfähigkeit des Stoffs keine Rolle.

Bei einem näheren Blick fällt auf: Ähnlich wie bei den eingangs genannten Blättern auf hiesigen zugefrorenen Flächen bildet sich unter den Zen-Steinen ebenfalls eine Mulde. Denn sie absorbieren – anders als Eis – auch Energie im sichtbaren Bereich des Tageslichts und geben diese als Wärmestrahlung an die Umgebung ab. Das erodiert die in unmittelbarer Nähe befindliche Eisfläche zusätzlich. Hier zu Lande bringt das die Unterlage üblicherweise zum Schmelzen, in Sibirien aber erhöht es wegen der sehr tiefen Temperaturen lediglich die Sublimationsrate.

Quelle

Taberlet, N. , Plihon, N.: Sublimation-driven morphogenesis of Zen stones on ice surfaces. PNAS 2021 Vol. 118 No. 40 e2109107118

Erst Tau dann Frost

Manchmal sieht man nach einer kalten Nacht neben den gewohnten Eiskristallen auch schön gerundete Eiskugeln. Das sieht schön aus und es lohnt sich in dieser Zeit darauf zu achten. Wie kommt es dazu?

Wenn sich die Erde nachts bei klarem Himmel abkühlt, sinkt die maximale Wasserdampfkonzentration. Wird dabei der Wert der absoluten, also der tatsächlich vorhandenen Wasserdampfkonzentration unterschritten, muss der überschüssige Wasserdampf kondensieren. Man sagt auch, der Taupunkt werde unterschritten. Das ist die Temperatur, bei der absolute und maximale Wasserdampfkonzentration gleich sind. Meist führt das dazu, dass besonders an den kleinen Teilen von Blättern Tautropfen entstehen. Wenn in der kalten Jahreszeit auch noch der Gefrierpunkt unterschritten wird, geht der Wasserdampf direkt in Eiskristalle über (Resublimation), die sich besonders an den winzigen Blattspitzen zeigen.
In manchen Nächten, in denen zunächst Tautropfen entstehen und die Temperatur anschließend noch unter den Gefrierpunkt sinkt, entstehen fortan Eiskristalle durch Resublimation. Aber gleichzeitig gefrieren die bereits abgesonderten Tautropfen und es entstehen kleine Eiskugeln. Dann kann man wie im obigen Foto beides beobachten, gefrorene Tropfen und Eiskristalle.
Die Eiskügelchen sitzen relativ fest auf dem Blatt. Man muss sie förmlich losreißen, meist von den Blatthärchen, an denen sie festgefroren und somit verankert sind.

Das kalt gebliebene Osterfeuer

Auch wenn Osterfeuer wie fast jedes Massenereignis der Umwelt schaden, erinnere ich mich gern an die vergangenen Feuer, in denen man Naturgewalt des Feuers unmittelbar zu spüren bekommt. Das Feuer sorgt durch seine intensive Strahlungsenergie, die bei hoher Temperatur abgegeben wird, dafür dass man freiwillig auf Abstand bleibt. (Was in anderen Bereichen kaum zu erreichen ist – das sage ich aus aktuellem Anlass.) Demgegenüber sind poetische, kulturelle, physikalisch u. Ä. Annäherungen gefahrlos möglich. Sie zeigen dass die Komplexität des Phänomens durchaus mit der abgestrahlten Wärme mithalten kann. Selbst die abgegebenen Gase sind so heiß, dass sie auch dann noch durch einen Funken entzündet werden können, wenn sie die Verbindung zum verbrennenden Holz bereits verloren haben.
Die Osterfeuer sind in diesem genau wie im vorigen Jahr abgesagt. Wenn ich an das Osterfeuer unserer Gemeinde denke, das mit dem liegen gebliebenen Brennmaterial des Vorjahres nunmehr die doppelte Größe erreicht hat, so hoffe ich dass es im nächsten Jahr mit dreifacher Größe, dreifacher Wärme und dreifachem Jubel über die dann hoffenlich überstande Coronazeit ein positives Lichtzeichen in die Welt senden wird.

Das Foto zeigt den übrig gebliebenen Schornstein einer seit Jahrzehnten aufgegebenen Zieglei. Obwohl er ziemlich zittrig aussieht und durch die Flammen des Osterfeuers hindurch gesehen den Eindruck erweckt, jeden Moment umzukippen, handelt es sich dabei nur um eine optische Täuschung. Da der Brechungsindex der Luft von der Temperatur abhängt, wird das vom Schornstein ausgehende Licht den chaotischen Bewegungen der unterschiedlich heißen Gasfragmente entsprechend mal in die eine, mal in die andere Richtung abgelenkt. Das vermeintliche Zittern von Sternen (Twinkle, twinkle, little star…) hat die gleiche Ursache.

Osterfeuer – Verheißung von Licht und Wärme

Nicht nur das Osterei, sondern auch das Osterfeuer gilt den Christen als ein Symbol für die Auferstehung von Jesus Christus. Auch in diesem Fall wird auf vorchristliche Traditionen zurückgegriffen, wonach mit Licht und der Wärme des Feuers der Winter und die dunkle Jahreszeit verabschiedet oder ausgetrieben werden. Weiterlesen

Ein Blatt schmilzt durchs Eis

eisschmelze_dsc08556rvNachdem der Teich zugefroren ist, weht ein frischer Wind einige Blätter auf die Eisfläche. In den folgenden Tagen scheint hin und wieder die Sonne. Die Lufttemperatur bleibt indessen etwa 1 bis 2 Grad unter Null. Offenbar schmilzt unter dem Blatt das Eis und es sinkt immer tiefer in die Eisschicht ein. Weiterlesen

Schnee oder nicht Schnee – das ist hier die Frage.

schneemuster_dsc07714rvViele Vorgänge laufen im Verborgenen ab. Vielleicht ist es auch ganz gut so, weil wir ansonsten der Komplexität der Welt in noch stärkerer Weise ausgesetzt wären und uns noch mehr bemühen müssten, zu übersehen statt zu sehen. Dieser Gedanke kam mir, als ich gestern auf dem blauen Geländer unserer Eingangstreppe den liegengebliebenen Schnee in regelmäßiger Weise gemustert vorfand. Weiterlesen

Die schmale Insel der Behaglichkeit

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

Erkenntnis und Empfindung
gehen immer Hand in Hand
Friedrich Hebbel (1813–1863) Weiterlesen

Reif überlebt im Schatten der Bäume

Raureif-im-NebelReif gedeiht vor allem an Stellen, die dem unbedeckten Himmel ausgesetzt sind. Denn angesichts dieses extrem kalten Gegenübers strahlen die Gegenstände wesentlich mehr Energie ab, als sie aus der Umgebung erhalten. In abgeschatteten Bereichen ist der Energieverlust wesentlich geringer, sodass es dort unter ansonsten gleichen Bedingungen meist nicht zur Eiskristallbildung kommt.
Während hier also der Schatten die Raureifbildung behindert, bewahrt er an sonnigen Tagen den Raureif vor einem allzu schnellen Verschwinden. Weiterlesen

Im Jahr des Lichts (5) – lichterlohes Osterfeuer

OstefeuerrvFlammen 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. Weiterlesen

Ein Schilfrohr versucht sich, vom Eis zu befreien

Schilfrohr-als-WärmeleiterIn diesen Tagen ist es kalt. Der Teich ist zugefroren, aber die Sonne scheint fast den ganzen Tag. Trotz der niedrigen (Luft-) Temperaturen wissen einige Objekte, die Sonnenwärme zu nutzen. Das bräunlich gelbe im Eis eingefrorene Schilfrohr ragt aus einer schüsselförmigen Vertiefung heraus, in der eine kleine Wasserlache steht. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Dezember 2013

095_Weihnachtsbäume aus Eis

Wie kommt es zu diesen weihnachtsbaumartigen Strukturen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2013

Frage: Dunkelblaues und türkisblaues Wasser zwischen und auf dem Packeis sind charakteristisch für das arktische Eismeer. Wie kommt es zu diesen Farbunterschieden?
Antwort: Blickt man aus dem Flugzeugfenster aus großer Höhe auf das Packeis des Nordpolarmeeres, so entdeckt man ein selbstähnliches Muster von Eisschollen verschiedener Größenordnungen. Jedenfalls sieht ein Ausschnitt aus dem Foto ganz ähnlich aus wie das Foto selbst und auch ein Ausschnitt des Ausschnitts aus dem Ursprungsbild ist auf den ersten Blick von letzteren nicht zu unterscheiden. Es ist zu vermuten, dass das Eisschollenmuster skaleninvariant ist und einem Potenzgesetz genügt.
Die weißen Flächen auf den Schollen rühren vom Schnee her, der sie weitgehend bedeckt. Die fein ziselierten Muster auf den Schollen sind hauptsächlich das Werk von Winden, die den Schnee ihren wechselnden Richtungen entsprechend verwehen. Zwischen den Eisschollen ist das Meer zu erkennen, auf dem sie schwimmen. Die Farbe des Meeres ist dunkelblau, fast schwarz, weil fast alles Licht, das in das tiefe Wasser eindringt, absorbiert wird.
Was jedoch besonders ins Auge fällt, sind die hellblauen Flecken auf den Eisschollen, die das Schwarz-Weiß-Szenario mit intensiven Farbtupfern zu einem künstlerisch wirkenden Tableau gestalten. Dabei handelt es sich um mehr oder weniger große Wassertümpel, die durch die Sonne in den Sommermonaten in die Eisschollen eingeschmolzen werden. Da die Eisschollen weitgehend aus Süßwasser bestehen enthalten diese Tümpel ebenfalls Süßwasser.
Das erscheint zunächst erstaunlich, denn das Meerwasser enthält einen Salzgehalt von 3,5 %. Doch da das Salz beim Gefrieren nicht in die Kristallgitter des Eises eingebaut werden kann, entstehen reine Süßwasserkristalle, während das Salz außen vor bleibt und sich in einer flüssigen Salzsole anreichert. Die so entstehenden Eisschollen bestehen daher zunächst aus Süßwasserkristallen, die von einem Netzwerk von Kanälen durchzogen sind, in das die Sole abgegeben wird. Weil die Salzsole jedoch eine größere Dichte als das Eis hat, sickert sie allmählich aus den Eisschollen heraus, so dass diese im Laufe der Zeit immer weniger salzhaltig werden. Hinzu kommt, dass der Schnee auf den Schollen aus Süßwasser besteht, der während der Schmelze in den Sommermonaten in die Solekanäle eindringt und die Verdrängung des Salzwassers noch beschleunigt. Das Eis ist schließlich so salzarm, dass man es als Trinkwasser benutzen kann. Das wussten schon die Seefahren des 16. und 17. Jahrhunderts, die in den Süßwassertümpeln ihre Trinkwasservorräte nachfüllten.
Aber der unterschiedliche Salzgehalt zwischen dem Meerwasser und Schmelzwasser der Tümpel kann nicht der Grund für den deutlichen Farbunterschied sein. Reflektiertes Himmelslicht kommt als Ursache auch nicht Frage, weil aufgrund des fast senkrechten Blicks aus dem Flugzeug den Fresnelschen Gleichungen entsprechend die Reflexivität nur sehr gering ist. Außerdem wäre damit der Unterschied zur Farbe des Meerwassers nicht zu erklären.
Farbgebend ist vielmehr die Eigenfarbe der Eisschollen, die man auch von Eisbergen und Gletschern kennt. Das Licht dringt durch das Wasser der Schmelzwassertümpel in die Eisschicht ein. Lediglich das typische Blau des Eises wird reflektiert und führt zu der typischen Kolorierung der Tümpel.
Es sollte nicht unerwähnt bleiben, dass diese schönen Tümpel eine hässliche Kehrseite haben. Ihr massenhaftes Auftreten in jüngster Zeit trägt in nicht unerheblichem Maße zur Erwärmung des Nordpolarmeeres bei. Denn an diesen schneefreien Stellen wird verhältnismäßig viel Sonnenenergie absorbiert, während sie an den schneebedeckten Teilen weitgehend reflektiert wird.

 

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