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Wasser

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Tropfen im Dreieck

Es gibt gleichseitige, gleichschenklige, rechtwinklige Dreiecke und solche, die durch Grashalme gebildet werden an denen sich Tautropfen niederlassen. Ein solches besonderes Dreieck haben wir hier (Foto).

Die Tropfen an den Halmen sind gut gerundet. Das spricht dafür, dass die Halme wasserabweisend (hydrophob) sind. Allerdings verfügen sie über kleine wasserliebende (hydrophile) Härchen, an denen sich die Tropfen angehängt haben.

Bildschöne Schmelzwassertümpel im Nordpolarmeer

Beim Flug über das arktische Meereis war ich beeindruckt von der Schönheit der Strukturen im Eis. Was aus dem Flugzeugfenster wie kleine blaue bis zuweilen auch schwarze Tierchen mit langem Ringelschwanz aussah (linkes Foto), waren Süßwassertümpel (rechtes Foto), die in den Sommermonaten durch das Sonnenlicht in die Eisschicht hineingeschmolzen werden. Da die Eisschollen weitgehend aus Süßwasser bestehen, enthalten diese Tümpel ebenfalls Süßwasser.
Doch die Schönheit dieser Seen ist trügerisch. Zwar gibt es diese Tümpel schon lange, aber im Zuge der Klimaerwärmung nimmt ihre Zahl zu und das ist fatal. Denn diese azurblauen bis schwarzen Seen absorbieren mehr Sonnenenergie als die wasserfreien oft schneebedeckten Flächen, die das Licht hauptsächlich reflektieren. Damit wird aber das Abschmelzen des Eises beschleunigt.
Ein wesentlicher Grund für die Zunahme der Tümpel liegt nach Untersuchungen des Alfred-Wegener-Instituts darin, dass nicht nur die Polareisflächen abnehmen, sondern die Eisschichten jünger und dünner sind. Junges Eis ist glatter als das ältere, das durch Schollenbewegungen und Zusammenstöße rau und zerklüftet ist. Und da sich das Schmelzwasser auf der glatten Oberfläche besser verteilen kann, bilden sich Netze aus vielen Tümpeln.

Gut getarnt oder zufällige Ähnlichkeit

Diese Silbermöwe war kaum zu erkennen. Ihr gesprenkeltes Gefieder harmoniert so gut mit dem durch Lichtreflexe an den Wellen erzeugten Muster, dass man schon genau hinschauen muss.
Ich frage mich, ob das Zufall ist oder ob das Gefieder den Reflexen des leicht welligen Wassers angepasst ist.
In einem früheren Beitrag zeigte ich eine Ente, deren Gefieder ein ähnliches Muster aufweist wie die Wellen, die es beim Schwimmen erzeugte. Dort stellt sich dieselbe Frage.

Sonnenauf- und -untergang

Ein mit dunklen Wolken bedeckter Himmel gibt am frühen Morgen den Blick auf die aufgehende Sonne frei. Aber eine Lücke tut sich für kurze Zeit auf und es kommt kurzfristig zu einer Art Lichtexplosion, die dann innerhalb von einigen Minuten ausklingt. Die Sonne verschwindet wieder hinter den Wolken und lässt mich mit schummerigem Tageslicht zurück.

Grenzgänger

Es mag unterschiedliche Motive geben, am Saum des Meeres halb im flachen Wasser halb auf dem festen Land zu gehen und in diesem Fall die Stimmung zu genießen, die durch die tiefstehende und bald untergehende Sonne, das leise Rauschen des Meeres, den Kontakt der nackten Füße mit den Elementen und durch die frischen Gedanken… bei der einen oder dem anderen hervorgerufen wird.
Wir gehen auf der Grenze zwischen Wasser und festem Land, wir sind Grenzgänger – hier sogar im wörtlichen Sinn.
Ich will das hier nicht weiter vertiefen aber vielleicht mit einem Wort Georg Christoph Lichtenbergs (1742 – 1799) ein wenig herausfordern: Auf der Grenze liegen immer die seltsamsten Geschöpfe.

Strukturbildung beim Wasserfall

Alle Gegenstände und Medien, also auch Wasser, tendieren dazu die unter den gegebenen Umständen mögliche tiefste Lage einzunehmen. Dahinter steckt das natürliche Prinzip (2. Hauptsatz der Thermodynamik), soviel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben. Das Ergebnis wäre eine ebene Wasseroberfläche. Aber dazu kommt es im vorliegenden Fall gar nicht erst, weil der Behälter eine Öffnung hat, durch die das Wasser der gleichen Tendenz folgend in das nächst tiefere Becken fällt.
Aber selbst beim Fallen des Wassers gibt es eine Möglichkeit, Energie an die Umgebung abzugeben, indem die Oberfläche, zu deren Ausbildung verhältnismäßig viel Energie nötig ist, verkleinert wird. Doch auch dieser Prozess bleibt im Ansatz stecken, denn inzwischen hat das Wasser ein noch tieferes Becken erreicht.
Aber man kann immerhin erkennen, dass die fallende Schicht sich nach unten hin zusammenzieht mit der Tendenz Zylinderform anzunehmen. (Auch dazu würde es nicht kommen, wie ich in einem früheren Beitrag gezeigt habe).
Der nahezu freie Fall der Wasserschicht wird modifiziert durch Einflüsse der Ränder. Die sich beim schrägen Anstrom auf die Öffnungen aufwölbenden Wasserströme tendieren dazu, aus Trägheit ihre Richtung beizubehalten und führen in der unteren größeren Schale dazu, sich zu überkreuzen bevor sie abermals gestoppt werden und sich im Becken verwirbelnd zur nächsten Öffnung bewegen. Alle diese Vorgänge werden durch individuelle Einflüsse von Unregelmäßigkeiten an den Rändern u.Ä. überlagert und entsprechend modifiziert. Auf diese Weise entstehen naturschöne Wasserstrukturen.

Falsche Reflexionen?

Schaut man sich diese Szenerie genauer an, so könnte man den Eindruck gewinnen, dass bei der Spiegelung der Baumgruppe im Wasser irgendetwas nicht stimmt: Sowohl die hellen Lücken zwischen den Bäumen als auch die Bäume selbst werden auf dem Wasser nicht wie von einem ordentlichen Spiegel erwartet abgebildet; die Spiegelung wird gewissermaßen in die Länge gezogen.
Nun, der Spiegel ist nicht ordentlich. Er besteht aus einer welligen Oberfläche. Und die hat die Eigenschaft, das eintreffende Licht von mehreren Stellen aus in  unsere Augen zu reflektieren. Wir kennen das Phänomen vom Schwert der Sonne, jener Lichtbahn auf dem welligen Wasser bei tiefstehender Sonne oder die Lichtbahnen von Straßenlaternen am Rande eines Gewässers. In diesen Fällen wird die Lichtquelle auch nicht an einer bestimmten Stelle gespiegelt, sondern an vielen jeweils passend geneigten Flanken der Wasserwellen, sodass in der Summe ein ganzer Wasserstreifen zu sehen ist.
Genau das ist auch hier der Fall: Das von den Punkten der Baumgruppe ausgehende Licht wird ebenfalls an zahlreichen Stellen des welligen Wassers gespiegelt und entsprechend in die Länge gezogen.

Rätselfoto des Monats September 2022

Warum erscheinen die Linien verzerrt?


Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2022

Frage: Wie entstehen diese Strukturen?

Antwort: Wir blicken auf eine leicht bewegte aber glatte Wasseroberfläche. Sie reflektiert das auftreffende Licht spiegelnd. Da die Aufnahme in einem Jachthafen gemacht wurde, spiegelt sich nicht nur der blaue Himmel, sondern auch das von den Schiffen diffus reflektierte Licht. Weil die Oberfläche unterschiedliche Krümmungen aufweist, wird das Licht in unterschiedliche Richtungen reflektiert, sodass die nachbarschaftliche Ordnung der gespiegelten Originale durcheinander gerät und diese daher nicht mehr zu erkennen sind.
Fasst man die bewegte Wasseroberfläche als Abfolgen von sich ändernden hohl- und wölbspiegelartigen Deformationen auf, so kommt es zu entsprechenden mehr oder weniger starken Verzerrungen der abgebildeten Gegenstände. Je nachdem ob eine gegebene Deformation der Wasseroberfläche groß oder klein ist, befinden sich die gespiegelten Objekte innerhalb oder außerhalb der Brennweiten der flüssigen Hohlspiegel mit der Folge, dass neben den einfachen Verzerrungen auch noch „kopfstehende“ Abbilder auftreten. Damit geht die Kohärenz der gespiegelten Objekte vollends verloren und die Spiegelbilder mutieren kaleidoskopartig zu abstrakten Mustern, die zwischen verschiedenen, aber auf selbstähnliche Weise sich wiederholenden Grundstrukturen changieren.

Ein Glas Wasser im Licht der Sonne

Ein vergessenes Glas Wasser. Die Sonne ist weiter vorgerückt, der Schatten einer Wand rückt auf das Glas vor und macht einige Lichtphänomene sichtbar, die im prallen Sonnenlicht untergehen.
Das Glas und das heißt vor allem das in Glasform gebrachte Wasser wirft trotz seiner Transparenz einen Schatten, weil das auftreffende Licht gebrochen und zu einem Brennfleck gebündelt wird und just den Bereich teilweise wieder aufhellt, dem das Licht gerade entzogen wurde. Lediglich im oberen Bereich, der vom Sonnenlicht ausgeschnitten wurde, bleibt es dunkel. Dorthin verirrt sich kein Licht.
Der heranrückende Schatten einer Wand macht das am Glasrand reflektierte Licht in Form halbkreisförmiger Aufhellungen sichtbar. Ohne Schatten hätte man von diesem Phänomen nichts gesehen. Auch der kurze Lichtstreifen, der vom Glas ein Stück weit in den Schatten läuft, sollte nicht übersehen werden. Aus nächster Nähe betrachtet erkennt man, dass er in Spektralfarben zerlegtes Licht projiziert (siehe Ausschnittsvergrößerung). Es ist das Licht, das im Glas teilweise an der Rückwand reflektiert und bei anschließenden erneuten Auftreffen auf die Glaswand teilweise aus dem Glas heraus gebrochen und dabei in Farben zerlegt wird. Dies entspricht dem Vorgang, der bei einem fallenden Regentropfen zur Entstehung des Regenbogens beitragen würde.

Skulpturen am Strand

Als Kind habe ich Sandburgen am Strand gebaut. Heute wage ich mich an etwas weniger martialische Objekte. Dabei forme ich ganz grob ein Objekt aus der an diesem Strand vorherrschenden Mischung aus hellem und dunklem Sand und überlasse der Flut die Feinarbeit. Damit meine „Kunstwerke“ nicht vorher von Menschen zerstört werden, richte ich es möglichst so ein, dass die Flut ihre Detailarbeit des Nachts ausführt, damit ich morgens als einer der ersten der Ergebnis in Augenschein nehmen und fotografisch sichern kann. Der Anteil des Wassers an der Gestaltung ist in jedem Fall wesentlich kreativer als mein eigener. Meist kommt etwas ganz anderes dabei heraus, als ich mir vorgestellt habe. Diese Skulptur erinnert mich an einen Fisch, was angesichts des wässrigen Kontexts nicht ganz abwegig ist.

Weinende Pflanzen

Mich beeindruckt immer wieder, wenn an einem trockenen Morgen, die Blätter einer Pflanze nichts besseres zu tun haben, als Flüssigkeit an die Umgebung abzugeben. Dieser als Guttation bezeichnete physiologische Vorgang ist eine Art Notfallprogramm der Pflanzen, seinen Säftehaushalt zu regulieren.
Weil ich mich immer wieder von diesen weinenden Pflanzen auch ästhetisch angesprochen fühle, möchte ich hier einmal mehr auf dieses Naturphänomen aufmerksam machen.

Ein physikalischer Fußtritt

Wenn wir unseren Fuß auf festem, feuchten Sand am Meeressaum aufsetzen, machen wir eine auf den ersten Blick merkwürdig erscheinende Entdeckung: In dem Maße, wie wir den Druck auf den Boden steigern, breitet sich ein Hof nahezu trocken gelegten Sandes um den Fuß herum aus. Seine maximale Ausdehnung erreicht er, wenn der Fuß fest aufgesetzt ist. Hebt man ihn wieder an, so sammelt sich Wasser in der Delle, die wir in den Boden gedrückt haben. Sobald die Fußspur verblasst, verschwindet auch das Wasser wieder.
Mit dem Auftreten wird der Sand etwas zu den Seiten weggedrückt und dort aufgewölbt. Da die Sandkörner kleine Brücken bilden, die wie eine Torwölbung die Gewichtskraft nach den Seiten „ableitet“, wirkt diese nicht nur senkrecht nach unten, sondern auch zu den Seiten. Durch die unelastische Wechselwirkung verschieben sich die bis dahin maximal dicht gepackten Sandkörner gegeneinander. Dadurch wächst das Volumen zwischen ihnen und füllt sich mit Wasser aus den benachbarten Bereichen, so dass der „Wasserspiegel“ im darüber lagernden Sand absinkt. Die oberste Sandschicht wird gewissermaßen trocken gelegt. Nur so kann verhindert werden, dass ein Vakuum entsteht. Letztlich wird die dazu erforderliche Energie vom einsinkenden Fuß aufgebracht, der den Widerstand als angenehm empfundene Härte des Bodens zu würdigen weiß.
So weit so gut. Aber steht die im rechten Foto dargestellte Situation nicht im Widerspruch zu diesem Phänomen? Nein. Verglichen mit der dünnen Wasserschicht, aus der der Sand durch den Tritt gewissermaßen herausgehoben wird, ist der Hof wesentlich „trockener“.

Gebrochenes und dadurch gekrümmtes Licht

Wasser ist transparent. Glas ist transparent. Durch beides kann man fast ungestört hindurchblicken. Und dennoch passiert etwas mit dem durchgehenden Licht. Es wird gebrochen und obwohl alles mit rechten (physikalischen) Dingen zugeht, kommt man manchmal nicht umhin, über das Ergebnis zu staunen: Aus einer geraden Linie wird eine geschwungene Linie, wobei der „Schwung“ davon abhängt, von wo und wie man durch das Glas Wasser hindurch auf die Linie blickt.
Aufgefallen ist mir dieses Phänomen in einer geselligen Runde in einer Kneipe. Ich wagte es nicht, meinen Fotoapparat zu zücken und das Bild festzuhalten. Ich stellte es zu Hause so gut wie möglich nach. Und dies ist das Ergebnis (siehe Foto).

Rätselfoto des Monats August 2022

Wie entstehen diese Strukturen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2022

Frage: Was hält die Tropfen fest?

Antwort: Damit ein Tropfen an einem Blatt haftet, muss er mit diesem eine gemeinsame Grenzfläche ausbilden, womit eine Abweichung von der Kugelgestalt einhergehen würde. Auf dem vorliegenden Foto lässt sich jedoch eine solche Abweichung kaum entdecken.
Dieser scheinbare Widerspruch wird dadurch gelöst, dass die Tropfen keinen direkten Kontakt mit einer flächenhaften Blattoberfläche haben, sondern mit kleinen Härchen, die bei manchen Pflanzen vor allem auf der Unterseite der Blätter vorhanden sind. Diese Härchen sind hydrophil, ziehen Wassertropfen an und werden von diesen umschlossen, ohne dass sie dadurch merklich deformiert würden und daher der Kugelgestalt ziemlich nahe kommen.
Man mag darüber staunen, dass der Tropfen durch eine derart kleine gemeinsame Fläche gehalten wird. Das Erstaunen hängt einmal mehr damit zusammen, dass unsere Anschauung im Bereich mittlerer Dimensionen geprägt wurde. Bei so kleinen Tropfen, mit denen wir es hier zu tun haben, ist die die Schwerkraft bestimmende Masse sehr klein im Vergleich zur Oberfläche, durch die die Adhäsionskraft bestimmt wird (Flächen-Volumenrelation). Das nehmen wir offenbar als Missverhältnis wahr.

Strähnen im Sand

Das Foto zeigt eine Momentaufnahme eines scheinbar bewegten Vorgangs. Aber die wirbelnde Strömung wurde nicht erst durch die Fotografie stillgelegt. Sie war es schon vorher. Man blickt nämlich auf die letzten Spuren des durch anbrandende und am Sandstrand auslaufende Wellen in ein quasigeordnetes Bündel von Sandsträhnen überführten Ensembles.
Die Strähnen sind nämlich schon lange getrocknet, das Wasser ist mit der Ebbe schon weit entfernt und dennoch sieht es so aus, als habe sich das Geschehen in dem aus hellem und dunklem Sand gestalteten Muster verewigt. Wer schafft es das nachzumachen?

Lavendel im Regen

Sie sind kaum wiederzuerkennen, die Lavendelblüten. Sie wirken etwas unnatürlich großzügig gerundet, aber auch ungewöhnlich kräftig in der Farbe. Regentropfen haben die feinen Zwischenräume überbrückt und leuchten nun ihrerseits wie kleine Lampen im typischen Blau-violett des Lavendel. Die Farbe wirkt kräftiger und gesättigter als im Normalfall. Weiterlesen

Natürliche Wasserfarben

Auch die Natur malt zuweilen mit Wasserfarben. Dazu tragen vor allem die grünen und gelben Blätter sowie der durch die Lücken im Blätterdach der Bäume leuchtende blaue Himmel bei, die sich hier im bewegten Wasser eines kleinen Baches spiegeln. Dies ist nur eine Augenblicksaufnahme, die in genau dieser Form wohl kaum wieder zu sehen sein wird, egal wie lange man warten würde. Das heißt nicht, dass sich das fließende Wasser völlig zufällig verhält. Denn die Struktur der Sohle des Baches und die Geschwindigkeit des fließenden Wassers ändern sich nur sehr langsam. Aber das System des fließenden Baches ist chaotisch, will sagen es besitzt viele sogenannte sensitive Punkte, an denen benachbarte Wasserteilchen weit auseinander getrieben werden können, sodass ihre Bahnen nicht einzeln, sondern nur als Ganzes als „berechenbar“ angesehen werden können. Dieses äußert sich auch in den weitgehend ähnlichen Strukturen, die sich in dem Foto zeigen. Sie sind in – sagen wir – einer Minute zwar nicht exakt dieselben aber insofern gleichartig, als man den Eindruck hat, stets das gleiche Bild vor Augen zu haben – einen wohlstrukturierten Ausschnitt aus einem munter dahin plätschernden Bach.

Wirbel allenthalben

Ich bin immer wieder von Strukturen begeistert, die in völlig unterschiedlichen Kontexten vorkommen. In diesem Blog habe ich das Thema schon öfter angesprochen und dokumentiert. Trotzdem möchte ich hier noch einmal zwei Wirbel aus völlig anderen Bereichen und von sehr unterschiedlicher Größe zeigen.
Links ein Wirbel, wie man ihn auf einer Seifenblase sehen kann, wenn die dünne Wasserschicht, aus der der Seifenfilm besteht, leicht angeblasen und dadurch verwirbelt wird.
Rechts haben wir ein größeres Wasserbecken als Blickfang etc. in einer Stadt, in dem man Wasser wie im Abfluss einer Badewanne verschwinden sieht, so als wollte es zu guter Letzt noch einen eleganten Kratzfuß hinlegen.

Farben fließenden Wassers

Wasser ist transparent. Jedenfalls, wenn man kleine Mengen betrachtet: ein Glas Wasser, einen Eimer Wasser, Tropfen… Aber schon bei einer gefüllten Badewanne deutet sich eine meist grünliche Eigenfarbe des Wassers an. Dennoch können auch dünne Wasserschichten mit Farben durchwirkt sein, wie das Foto zeigt. Aber es sind von der Umwelt geliehene Farben. So erscheint die glatte Fläche in der Mitte des Fotos blau, weil hier die Wasseroberfläche so orientiert ist, dass der blaue Himmel spiegelnd in die Augen reflektiert wird. An anderen Stellen blickt man auf den mit grünen Pflanzen marmorierten Grund. Die Farben werden zudem durch das Fließen und der dadurch bedingten endlichen Zeitauflösung bei der Wahrnehmung bzw. Fotoaufnahme modifiziert. Bei günstigen Lichtverhältnissen ist fließendes Wasser auch immer ein Kaleidoskop von Farben.
Die Eigenfarbe reinen Wassers ist übrigens blau, was man allerdings erst bei sehr großen Wasserschichten wahrnehmen kann.

Entpuppung der anderen Art

Lange hatte ich das Spiel des auf- und ablaufenden Wassers am Strand beobachtet. Der schwarze Stein in der Strömung erzeugte zu beiden Seiten eine Wirbelstraße, indem das zunächst zu beiden Seiten abgelenkte Wasser den drohenden Leerraum hinter ihm zu füllen versuchte. Diese Wirbel lösten sich ab und wurden durch neue ersetzt, sodass sich eine ganze Straße ergab. Leider hatte ich keine Kamera dabei, sodass ich die Bilder im Kopf speichern musste.
Stunden später als das Wasser bei Ebbe weiter unten seine Spielchen mit Steinen und anderen Hindernissen trieb, traf ich erneut auf den Stein. Er schien mich diesmal wie der Leibhaftige anzugrinsen, konnte jedoch durch die im Sand gezeichneten Abbilder der Wirbel vom Mittag nicht verbergen, dass er nur ein Stein und nichts als ein Stein war, durch den der Sand teilweise entmischt und gestaltet worden war. Oder hatte ich hier einen der Köpfe des Höllenhundes Kerberos vor Augen?

Wolken – drunter und drüber

Der selektive Spiegel des Wassers hat es nur auf die Wolken abgesehen. Die Bäume, das Segelboot bleiben außen vor. Was geht hier vor?

Mit der Pünte über den Kanal

Ostfriesland ist von Kanälen durchzogen. Das wird dann zu einem Problem, wenn der selbst gewählte einsame Weg plötzlich an einem Kanal endet und wer nicht schwimmen kann oder will denselben Weg zurück gehen muss. Da der Wander- und vor allem der touristische Fahrradverkehr in den letzten Jahren stark zugenommen haben, wurde von einigen Gemeinden eine gute Idee realisiert und einige Kanäle mit Fähren ausgestattet, sogenannten Pünten. Damit wird übrigens wieder eine alte Tradition aufgenommen, die früher eine verkehrstechnische Notwendigkeit war und heute dem Freizeitvergnügen gewidmet wird. Diese Pünten werden von Menschenhand mit einer Kurbel über den Kanal gezogen. Durch das Kurbeln zieht man die Pünte samt Ladung (meistens Fußgänger und Fahrräder) an einer im Wasser befindlichen Kette über das Gewässer. Da alles in Eigenregie der übersetzungswilligen Menschen erfolgt, wird die Aktion oft zu einem wahren Erlebnis und einer sportlichen Übung.
Auf diese Weise vermeidet man große Umwege. Aber das ist nicht das Entscheidende, da ja letztlich jede Wanderung und fast jede Radtour ein freiwillig begangener/befahrener Umweg ist. Wichtiger ist, dass man sich oft die Benutzung der Wege entlang der besonders in Ferienzeit vielbefahrenen Autostraßen erspart.

Sandseile am Strand

Wind und Wasser formen den Sand am Strand und in den Dünen oft zu merkwürdigen Rippeln. Im vorliegenden Fall (Foto) glaubte ich in der schon nahenden Dämmerung sich langsam auflösende armdicke Seile vorzufinden, die hier irgendjemand abgelegt hat. Schnell wurde jedoch klar, dass – wie im einzelnen auch immer – die gestaltenden Kräfte der Natur auch dieses vermeintlich vom Menschen erdachte Muster in ihrem Repertoire hat.

Rätselfoto des Monats Juli 2022

Was hält die Tropfen fest?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Juni 2022

Frage: Wie kommt es zu der doppelten Abbildung?

Antwort: Wir haben es mit zwei Abbildungen zu tun. Die eine auf dem Fliesenboden durch das Sonnenlicht projizierte Abbildung des Fensters, d.h. des Schattens und des Lichts leuchtet unmittelbar ein. Bei der zweiten Abbildung handelt es sich um eine spiegelnde Reflexion des durch das Himmellicht beleuchteten Fensters auf dem nunmehr nicht als Projektionswand, sondern als Spiegel fungierenden Fußboden. Charakteristisch für das Spiegelbild ist eine leichte Blaufärbung.
Wenn man als Beobachter seine Position ändert, verschiebt sich auch das Spiegelbild entsprechend, denn es muss stets der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel sein. Dabei wirkt der Himmel als ausgedehnte Lichtquelle, was auch die leichte Blaufärbung erklärt. Die beiden Abbildungen sind also völlig unterschiedlicher Natur.
Im Unterschied zu einem normalen Spiegel, auf den man kein Bild projizieren kann, weil er es postwendend spiegelnd reflektiert, ist der vorliegende Fußboden ein hybrides Gebilde zwischen Projektionsfläche und Spiegel. Er ist glatt und matt zugleich und vermag wie viele andere „unvollkommene“ Spiegel im Alltag das Licht sowohl diffus als auch spiegelnd zu reflektieren.

Multiphänomenal

Ein Blatt, das im stürmischen Regenschauer vom Baum heruntergerissen kommt rücklings auf dem Boden zu liegen. Einige versprengte Wassertropfen sind in muldenförmigen Vertiefungen des Blatts zur Ruhe gekommen, malerisch inszeniert durch die inzwischen wieder dominierende Sonne. Das zeigt sich nicht nur in den Schattierungen des Blattes, sondern auch in den hellen Lichtflecken. Diese kommen dadurch zustande, dass die Wassertropfen wie Sammellinsen wirken und das Licht auf einen Lichtfleck fokussieren. Dieser ist im Vergleich zur Umgebung so hell, dass die grüne Farbe des Blattes überstrahlt wird (Irradiation bzw. Blooming). Außerdem wirkt die Tropfenlinse als Lupe und zeigt die Struktur des Blattes in leicht vergrößerter Form.
Dass der aufprallende Regen sich in Tropfen sammelt ist der Minimierung der Grenzflächenenergie zwischen Wasser, Blatt und Luft zu verdanken. Um die Grenzflächenenergie zu minimieren strebt das Wasser die Form an, die unter den gegebenen Bedingungen die kleinste Grenzfläche hat – das ist die Kugel. Sie wird allerdings näherungsweise nur von den kleinen Tropfen erreicht, weil einerseits der Einfluss der Schwerkraft umso geringer ist, je kleiner die Masse der Tropfen ist und andererseits für die Ausbildung einer Grenzfläche mit dem Blatt verhältnismäßig viel Energie nötig ist. Man sagt auch, das Blatt sei hydrophob. Die Hydrophobie wird hauptsächlich durch winzige Härchen auf den Blättern hervorgerufen, auf denen die Tropfen gewissermaßen ruhen und daher nur winzige Berührflächen mit dem Blatt haben.
Trotzdem oder vielleicht gerade deshalb ein naturschöner Anblick.

Himmelsfarben beim Blick nach unten

Diese Luftaufnahme zeigt drei Seen, die alle einen unterschiedlichen Blauton aufweisen. Auf den ersten Blick denkt man vielleicht an eine unterschiedliche Beschaffenheit des Wassers. Aber es scheint eine andere Ursache vorzuliegen. Dafür spricht, dass der Blauton umso dunkler erscheint, je steiler man auf die Wasseroberfläche blickt.
Da zur Farbe von Gewässern auch die Reflexion des Himmellichts beiträgt, sind die unterschiedlichen Farbnuancen eine Folge der unterschiedlichen Himmelsregionen, die in den Seen spiegelnd in unsere Augen reflektiert werden. Der vordere See spiegelt höhere Regionen in der Nähe des Zenits, die bekanntlich ein intensives Blau aufweisen, der mittlere See bietet einen Blick auf tiefere Himmelsregionen, die schon deutlich an Farbsättigung eingebüßt haben und der entfernte See gibt das helle horizontnahe Himmelsblau wieder.

Die Thoreau-Reynolds-Welle – eine unscheinbare Grenze im Fluss

Wer einen Spaziergang an einem Bach unternimmt, sollte es nicht versäumen, dessen Oberfläche nach einer unauffälligen, nahezu fadenförmigen Welle abzusuchen. Sie läuft in den meisten Fällen wie eine dünne Linie senkrecht zur Strömungsrichtung über das Gewässer und zeichnet bei Sonnenschein einen feinen Streifen fokussierten Lichts auf den Boden (siehe »Kleiner Wellenkamm«). Wenn man die filigrane Struktur zum Beispiel mit dem Finger stört, bildet sie sich anschließend kaum verändert wieder neu. Der winzige Wall und vor allem sein Umfeld sind nicht nur schön anzusehen. Die Erscheinung deutet auf ein komplexes Strömungsgeschehen hin, von dem man direkt kaum etwas zu sehen bekommt.

Diese Art von Welle wurde zum ersten Mal 1854 vom US-Schriftsteller und Philosophen Henry David Thoreau beschrieben. Sie hat später Generationen von Forschern zu experimentellen und theoretischen Untersuchungen angeregt, beginnend 1881 mit dem britischen Physiker Osborne Reynolds. In englischsprachigen Publikationen wird sie daher meist als Reynolds ridge bezeichnet.

Kleiner Wellenkamm: Die Thoreau-Reynolds-Welle steht senkrecht zur Fließrichtung. Am Boden ruft ein Teil von ihr unter Sonnenlicht eine helle Brennlinie (Kaustik) hervor.

Hinter der Thoreau-Reynolds-Welle steckt ein subtiles Zusammenspiel von Oberflächen- und Strömungseffekten. Es beginnt mit einer Barriere, die sich in einem Fluss gebildet hat, wenn etwa ein Ast quer darauf liegt oder Unrat stecken bleibt. Daran stauen sich natürliche Tenside und Eiweiße aus Pflanzenrückständen. Das Material verändert die physikalischen Eigenschaften der Wasseroberfläche. Die Moleküle streben dorthin und ordnen sich mit einem hydrophilen Ende im Wasser und einem hydrophoben in der Luft an. Das setzt die Spannung der obersten Wasserschicht herab, die nun auseinanderstrebt und sich sozusagen dagegen wehrt, erneut zusammengedrückt zu werden. Die Lage aus mikroskopischen Verunreinigungen wirkt anschaulich gesprochen wie ein unsichtbares fixiertes Brett auf das heranströmende Wasser. Dieses kann nur dadurch ausweichen, dass es auf seinem weiteren Weg darunter hinwegtaucht.

Zwischen dem in die Tiefe abgelenkten Strom und dem starren Oberflächenfilm gibt es eine Grenzschicht, die das weitere Geschehen maßgeblich bestimmt. Normalerweise spielt in laminar fließendem Wasser dessen Zähigkeit so gut wie keine Rolle. In der Grenzschicht haften die angrenzenden Flüssigkeitselemente jedoch direkt am Verunreinigungsfilm und die Geschwindigkeit passt sich nach außen hin immer mehr der Hauptströmung an. Infolge des dadurch hervorgerufenen Reibungswiderstands baut sich im nachkommenden Volumen auf kurzer Strecke ein erhöhter Druck auf. Das hebt an der Wasseroberfläche unmittelbar vor der Vorderkante der molekularen Verschmutzungen – also dort, wo das Wasser abtaucht – einen schmalen Bereich auf dessen ganzer Breite um knapp einen Millimeter an. Diese Erhebung ist die Thoreau-Reynolds-Welle.

Kapillarwellen: Bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit können sich stromaufwärts vor der Grenzlinie feine Rippel bilden. Im barriereseitigen Gebiet lässt die Oberflächenzusammensetzung das nicht zu. Hier sieht man die Wellen indirekt durch ihre Kaustiken auf der Sohle des Baches.

Natürliche Gewässer führen fast immer oberflächenaktive Substanzen mit sich. Darum gibt es den Wall trotz seiner geringen Bekanntheit recht häufig. Vermutlich zieht er selten Aufmerksamkeit auf sich, da sowohl er als auch die Fläche mit den angestauten Substanzen unauffällig sind und sich in einigem Abstand von der ursächlichen Barriere befinden.

Ein solches Hindernis muss nicht besonders groß sein, um passendes Material aufzuhalten. Oft genügt dazu schon ein Schilfhalm oder ein kleiner Zweig. Letztlich ist die Thoreau-Reynolds-Welle selbst ein untrüglicher Hinweis auf einen weit gehend ruhenden Bereich. Sie ist so etwas wie eine Demarkationslinie zur bewegten Umgebung.

 Das Phänomen kann sogar in stehenden Gewässern wie einer Pfütze beobachtet werden. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn ein starker und gleichmäßiger Wind obenauf treibendes Material zum Rand der Pfütze hin zusammenfegt. Das auf diese Weise gereinigte übrige Oberflächenwasser bewegt sich ebenfalls in die Richtung und findet eine ähnliche Situation vor wie im blockierten Wasserstrom. Es prallt auf den Schmutzfilm und taucht vor ihm ab – in dem Fall natürlich nicht darunter hindurch, sondern als bodennahe Unterströmung wieder zurück. So entsteht ein geschlossener Kreislauf, der im Idealfall so lange bestehen bleibt, wie der Wind weht.

Die Geschwindigkeit der Strömung spielt eine Rolle dabei, wie auffallend die Thoreau-Reynolds-Welle ist. Sobald eine Geschwindigkeit von 23 Zentimeter pro Sekunde überschritten wird, können stromaufwärts vor der Linie »Kapillarwellen« entstehen, deren Verhalten vor allem von der Oberflächenspannung bestimmt wird. Die dadurch hervorgerufenen Kräuselungen machen indirekt auf die Linie aufmerksam, zumal der starre Oberflächenfilm  auch weiterhin nicht aus der Ruhe zu bringen ist.

Das neuere Forschungsinteresse an Thoreau-Reynolds-Wellen bezieht sich einerseits auf Meeresströmungen unter dem Einfluss unterschiedlicher natürlich vorkommender Substanzen. Andererseits hat das Phänomen längst Eingang in die labormäßige Untersuchung der Wirkung oberflächenaktiver Stoffe in einem viel allgemeineren Sinn gefunden.

Literaturtipp

Harald Berner. Der Thoreau-Reynolds-Grat und andere stehende Kapillarwellen. Books on Demand, 2021

In dem allgemeinverständlichen Buch sind unter anderem zahlreiche ästhetisch ansprechende Fotos zu sehen..

Die Schönheit des Wüstensands

Wer sagt die Wüste sei öd und leer, der kennt nicht die ganze Wahrheit. Die Sandwüste bestehend aus Myriaden von Sandkörnern, die in ihrer Schlichtheit und scheinbaren Nichtigkeit kaum zu überbieten sind, die durch die Finger rinnen und sich scheinbar allenfalls an den Partnerkörnern stoßen können, bringen oft durch Wind und Wellen „beflügelt“ faszinierende Strukturen und Muster hervor. Ich kann mich bei Wanderungen in Wüsten oder auch nur in begrenzten Dünenlandschaften oft kaum sattsehen an naturschönen Anblicken. Sie stellen darüber hinaus oft Rätsel über ihre Entstehung und temporäre Stabilität dar, die nicht selten ungelöst bleiben müssen. Allenfalls lassen sich Teilaspekten physikalisch aufklären. Das habe ich in der Vergangenheit an vielen Stellen in diesem Blog getan. Diesmal lasse ich die Strukturen einmal physisch, physikalisch und gedanklich völlig unangetastet…

Blütenstaubmuster

Der in unserer Gegend lang vermisste Regen hat ein kurzes Intermezzo eingelegt und zumindest den Blütenstaub vom Dach gespült. Dieser bildet unter den (auf)rührenden letzten Tropfen auf der Wasseroberfläche der Regentonne herrliche, chaotische Muster (siehe Foto). Schaut man genau hin so sieht man am oberen Rand der Mitte des Fotos gerade einen etwas verwischten Tropfen, der im nächsten Moment ins Wasser fällt und ein völlig neues Muster hinterlässt.
Auf dem Foto sind außerdem drei gleichartige Embleme zu erkennen. Wer weiß, woher sie stammen?

Sonnenbildchen auf bewegtem Wasser

In der Natur bedarf es nicht viel, um ästhetisch ansprechende Strukturen hervorzurufen. Hier ist es ein Ausschnitt aus einem kleinen, flachen Bach, in dem durch kleine Störungen Kapillarwellen ausgelöst werden, die wie optische Linsen wirkend, den Boden abbilden. Die durch die endliche Belichtungszeit der Kamera gegebene Bewegungsunschärfe sorgt für kleine Verzerrung des bewegten Wassers. Die dadurch gegebenen Strähnen sorgen für eine künstliche Beigabe, die das Foto zu einem künstlerischen Strukturbild werden lässt. Der naturschöne Aspekt geht dadurch aber in keiner Weise verloren.
Auffallend sind die zahlreichen Sonnenbildchen, die für den Moment der Aufnahme auf gleichsinnig orientierte Oberflächenelemente der bewegten Wassers verweisen. Sie sind hier für einen Augenblick stillgestellt und versehen das Szenario mit blendend hellen Lichtaugen.

Ringwellen in der Literatur

Wenn ihr einen Stein ins Wasser werft, so beurteilt ihr die Größe Masse und Gewicht des Steins nach den Zirkeln die er im Wasser beschreibt.*

Offenbar waren solche Veranschaulichungen von abstrakten Gegebenheiten mit Hilfe von Naturphänomenen zur Zeit von Jakob Michael Reinhold Lenz (1751 – 1792), der diese Zeilen geschrieben hat, verständlich. Heute würden viele Menschen ihre Probleme damit haben.
Lenz wusste also und setzte dieses Wissen auch bei seinen LeserInnen voraus, dass die „Zirkel“, also die Ringwellen, die ins Wasser geworfene Steine hinterlassen, je nach der Größe des Steins unterschiedlich ausfallen.
Für größere Steine beobachtet man nämlich, dass die von der Sinkstelle ausgehenden Wellen nach außen hin eine größere Wellenlänge aufweisen und sich daher mit einer größeren Geschwindigkeit ausbreiten als die mit der kleineren Wellenlänge. Bei sehr kleinen Steinen ist es genau umgekehrt.

Physikalische Erklärung


 * Jakob Michael Reinhold Lenz. Über Götz von Berlichingen. In: Essays und Reden. Berlin 2017.

Die Natur neigt zu Kreisen…

Obwohl beide Bilder einander sehr ähneln, indem sie ein System konzentrischer Kreise zeigen, stellen sie völlig verschiedene Situationen dar. Links blicken wir auf ein Gespinst von Spinnweben und rechts auf konzentrische Wasserwellen, die durch einen Steinwurf ins Wasser erzeugt wurden.
Während jedoch die Wellen sehr real sind ist das Spinnengewebe an sich völlig chaotisch. Lediglich der Blick gegen die Sonne erweckt den Eindruck, man habe es hier mit konzentrisch gesponnenen Fäden zu tun. Auch die Farben werden durch kein Pigment hervorgerufen, sondern durch Beugung des Lichts an den Spinnfäden und hier insbesondere an den winzigen Klebetropfen, mit denen die Spinnen ihre Netze zu tödlichen Fallen für die Insekten machen. Dennoch – das Kreisförmige drängt sich geradezu auf.

Polygonale Sandmuster

Dieses polygonale Muster sah ich in einem dicht am Meer gelegenen hinter einigen Dünen tief gelegenen Sandgebiet. Obwohl es während der Beobachtung (Fotografie) völlig trocken war, vermute ich, dass die Musterung darauf zurückzuführen ist, dass unterhalb des Sandbodens das Grundwasser in geringer Tiefe anzutreffen ist. Und dieses Grundwasser dürfte wegen der Nähe des Meeres salzhaltig sein (Brackwasser). Durch die Verdunstung eines Teil des in Kapillaren zwischen den Sandkörnern aufsteigenden Salzwassers an der Oberfläche des Sandes bleibt gelöstes Salz zurück. Es führt allmählich zu einer Anreicherung des Salzes an der Oberfläche und damit zu einer helleren Färbung. Da ein Teil des Wasser an den Rändern solcher Polygone durch absinkendes Wasser innerhalb der Polygone teilweise kompensiert wird, entsteht ein solches an eine Bénardkonvektion erinnerndes Muster.

Dies ist eine grobe vorläufige Vermutung und muss weiter untersucht werden.

Morgensonne gespiegelt im Waldbach

Wegen der noch tiefstehenden Sonne lag bei diesem Morgenspaziergang der Wald noch weitgehend im Schatten. Hier und da gab es einen hellen Sonnenfleck, der wegen des Kontrasts die Details des Waldbodens überstrahlte. Erst wenn man näher kam und die Augen sich auf die Helligkeit einstellen konnten, war alles zu erkennen. Einer dieser Sonnenflecken fiel auf den Waldbach und dessen bewegtes Wasser reflektierte das Licht spielgelnd in die Augen. Da der Spiegel in diesem Fall aus einer bewegten, teils stationären, teils sich verändernden welligen Oberfläche bestand, wurden die gespiegelten Gegenstände entsprechend deformiert. Hinzu kommt, dass sich wegen der Transparenz des Wassers auch noch Details des Untergrunds mit einmischen, sodass sich bewegte Bilder ergaben, von denen das Foto eine Momentaufnahme zeigt.
Auch wenn man nicht wüsste, welcher Gegenstand in dieser Aufnahme gezeigt wird, düfte intuitiv klar sein, dass wir es nicht mit einem zufallsgenerierten Szenario zu tun haben, sondern mit dem Anblick eines real ablaufenden Vorgangs.

Viel Wirbel bei der Begrüßung eines Wasserstroms

Diese Wirbel entstehen dadurch, dass sich ein schäumender Wasserstrom in ein größeres Becken ergießt, um dort im Einvernehmen mit dem Wasserbecken zur Ruhe zu kommen. Das geschieht vor allem dadurch, dass die Bewegungsenergie durch Verwirbelungen aufgezehrt wird. Normalerweise merkt man kaum etwas von diesen Vorgängen. Durch die hellen und offenbar sehr haltbaren Blasen des ankommenden Wassers werden jedoch die Spuren der Wasserbewegungen sichtbar und zeigen naturschöne Vorgänge, die man ohne den Schaum nicht zu Gesicht bekommen hätte: Schäume erzeugen Säume, die Bilder gestalten wie Träume.

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