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Winter

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La belleza cristalina de los copos de nieve

schneefall_img_0280Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 2 (2017)

¿Qué procesos determinan la estructura de estas maravillas de la naturaleza?

Desde un punto de vista puramente físico, el hielo y la nieve no son más que agua en estado sólido. Pero ¿qué aspectos nos aclara esta afirmación? Ni siquiera proporciona respuesta a la pregunta, tan simple como evidente, sobre el origen de la exuberante diversidad de formas que presentan los copos de nieve. ¿Cómo pueden el agua y el vapor amorfos dar lugar a estas bellezas cristalinas?

Tal y como nos recuerda una antigua canción infantil alemana, los copos de nieve caen de las nubes y recorren un largo camino. Si los tomamos con una mano enguantada para que no se derritan de inmediato, constataremos que, aunque es cierto que no hay dos copos iguales, todos ellos comparten una misma estructura hexagonal básica. Muy de cuando en cuando encontramos cristales de tres o de doce lados, pero nunca de cuatro u ocho. Siglos antes de nuestra era, el sabio chino T’ang Chin lo explicaba así: «Dado que el seis es el verdadero número del agua, cuando el agua se congela en flores, estas han de tener seis puntas».
En nuestra cultura, la estructura hexagonal de los copos de nieve no comenzó a suscitar interés hasta 1611, con el ensayo de Johannes Kepler Sobre el copo de nieve hexagonal. René Descartes también se maravillaba en su Meteoros, de 1637, de que los cristales de hielo siempre cumplieran ese principio estructural: «Eran pequeñas placas de hielo, muy planas, muy pulidas, muy transparentes, con un espesor como el de una hoja de papel algo gruesa, […] pero tan perfectamente talladas en hexágonos, con los seis lados tan rectos y los seis ángulos tan iguales, que para el hombre sería imposible hacer algo tan exacto». Con todo, los principios de crecimiento de los copos de nieve solo han comenzado a entenderse en las últimas tres décadas, gracias a disciplinas como la geometría fractal y a la mejora en nuestra comprensión de los procesos de autoorganización de sistemas de muchas partículas.

Hexágonos en la naturaleza
Las estructuras hexagonales no son nada inusuales en el mundo natural. Si colocamos varias bolitas de poliestireno del mismo tamaño sobre la superficie del agua y no demasiado lejos unas de otras, observaremos que se acercan entre sí y se juntan en pequeñas balsas con una disposición hexagonal. La razón es la tendencia de todo sistema a ceder tanta energía al entorno como sea posible. Las bolas de poliestireno lo logran formando estructuras hexagonales: si cada una se rodea de otras seis esferas, ocuparán la menor extensión de agua posible y minimizarán de este modo la energía superficial. Un principio de autoorganización similar puede aplicarse a las moléculas de agua. Estas también se unen para adoptar la configuración de menor energía posible, y también en este caso el resultado es una red cristalina con simetría hexagonal… (Weiter)

Die Nadelarbeit des Winters

raureif_nadeln_dsc07825brvSelbst die vom letzten Jahr übriggebliebenen, vertrockneten Blätter einer Buche erstrahlen in neuem Glanz, wenn der Winter sie mit feinen Eisnadeln schmückt. Diese filigranen und gegen Berührung sehr sensiblen Kunstwerke der Natur entstehen zum einen dann, wenn die Temperatur einige Grade unter Null liegt und die Wasserdampfkonzentration sehr hoch ist (relative Feuchte über 90%). Weiterlesen

Schnee ist mehr als gefrorenes Wasser

schnee_tanne_img_6645_rvEs treibt der Wind
im Winterwalde
die Flockenherde wie ein Hirt
und manche Tanne ahnt,
wie balde
sie fromm und lichterheilig wird,
und lauscht hinaus.

Den weißen Wegen
streckt sie die Zweige hin bereit,
und wehrt dem Wind
und wächst entgegen
der einen Nacht der Herrlichkeit.

Rainer Maria Rilke (1875-1926)

Alles ist Übergang

An dherbst_winter_dscf6060_rviesen Satz Michel de Montaigne (1533 – 1592) wurde ich erinnert, als ich die herbstlichen Blätter teilweise ganz, teilweise halb in die Eisschicht eines zugefrorenen Sees sah. Ist das eigentlich noch ein typisches Bild für den Herbst oder zeigt sich darin bereits der Winter? Die Frage ist schwer zu entscheiden. Auch der Kalender hilft nicht viel. Zwar befinden wir uns seit dem 1. Dezember meteorologisch bereits im Winter, aber astronomisch beginnt der Winter erst am 21. Dezember.
Wir befinden uns im Übergang, einer Zeit des „Schon“ oder des „Noch-nicht“. Übergänge sind spannend und haben schon immer Poeten, Künstler aber auch Naturwissenschaftler auf den Plan gerufen. Und man kann sich mit Christiaan L. Hart Nibbrig fragen, ob dieser Übergang „ein bloßes Bindemittel oder eine in sich ruhende Vereinigung (ist). Ein Ausgang oder ein Eingang, ein Anfang oder ein Ende? Ein A oder ein O?
Die Antwort fällt wie eine Münze in den Schlitz des Entweder-Oder, weil die Traumszene vorweg schon begrifflich ausgemünzt ist auf das gesagte Identitätsproblem hin“
(Nibbrig, Christiaan L. Hart: Übergänge. Versuch in sechs Anläufen).

 

Ein erstaunlicher Balanceakt in freier Natur

Eisskulpturen_en_miniatureDieses Foto bekam ich vor ein paar Tagen von einem Kollegen zugesandt. Ich finde es so schön und interessant, dass ich es auch jetzt noch – da ich mit dem Winter bereits abgeschlossen habe – hier zur Kenntnis geben und kurz beschreiben möchte. Zum einen kann ich mich der subtilen Ästhetik der filigranen, im Blau des Himmels leuchtenden Strukturen nicht entziehen, ohne es mit anderen zu teilen. Zum anderen erweist sich das Foto auch physikalisch als äußerst interessant. Weiterlesen

Frühlingsanfang mit winterlichen Relikten

Frühlingsanfang-2aOffiziell ist heute der astronomische Frühlingsanfang. Was sich genau berechnen und messen lässt, ist auf den Tag genau jedoch nicht ohne Weiteres festzustellen geschweige denn zu spüren. Die Weidenkätzchen nehmen es auch nicht so genau. Mal sind sie ein paar Tage früher, mal etwas später dran. Vor zwei Jahren waren zu dieser Zeit bereits die gelben Pollen zu sehen. Vor ein paar Tagen noch haben sie einen eisigen Hut aufgesetzt bekommen. Ein letztes Rückzugsgefecht des Winters. Auch einige Schneeflocken waren gefallen, denen die Sonne aber schnell den Garaus bereitete.

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Der Winter ist zurück…

…und zeigt sich von der besten Seite.Der_Winter_ist_zurueck

Schon bei Sonnenaufgang werden die Dämmerungsfarben von den schneebedckten Bäumen weitgehend ungestört reflektiert. Der Schnee ist deshalb weiß, weil er das aus allen Spektralfarben zusammen gesetzte weiße Sonnenlicht weitgehend ungestört (diffus) reflektiert. Das ist bei anderen Oberflächen anders. Die grünen Nadeln der Bäume, absorbieren die Komplementärfarbe und das liegt im Wellenlängenbereich der Rottöne. Deshalb geben sie nur wenig Licht zurück und bleiben auch dort, wo sie vom Sonnenlicht getroffen werden, ziemlich dunkel und unterstreichen durch diesen Kontrast noch den rot aufflammenden Schnee (fast ein Oxymoron).
Der im Schatten liegende Schnee verhält sich entsprechend, indem er das blaue Himmelslicht reflektiert und daher blau aussieht. Oft erkennen wir das nicht, weil unser visuelles System aufgrund der Farbkonstanz die überwiegende Farbe als weiß definieren „möchte“ und damit in der Regel sehr erfolgreich ist. Weiterlesen

Paradiesgarten fraktaler Kristallmalerei

WinterblickNachdem der Winter nun doch noch Einzug gehalten hat, zeigt er sich auch gleich von seiner schönen Seite. Die einfach verglasten Fenster nichtgeheizter Räume borden nur so über von Eisblumen, die insbesondere in den Farben des Sonnenaufgangs von besonderem Reiz sind. Mit ihren organischen Formen stehen sie den entlaubten Bäumen, die ebenfalls auf dem Foto zu sehen sind in nichts nach. Vielmehr passen sie gut zusammen. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Dezember 2015

Farben feiner Risse

Ein Eisscholle mit einem Riss, der in Farben erstrahlt. Wie kommt es dazu?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Spannung im Spinnennetz

Wege 7: Wo geht es lang?

Wege-7-Warum-bin-ich-hierIch und mein Leben, die immer wiederkehrenden Fragen, der endlose Zug der Ungläubigen, die Städte voller Narren. Wozu bin ich? Wozu nutzt dieses Leben? Die Antwort: Damit du hier bist. Damit das Leben nicht zu Ende geht, deine Individualität. Damit das Spiel der Mächte weitergeht und du deinen Vers dazu beitragen kannst.

Walt Whitman (1818 – 1882)

Stille Winterstraße

SchneewanderungEs heben sich vernebelt braun
Die Berge aus dem klaren Weiß,
Und aus dem Weiß ragt braun ein Zaun,
Steht eine Stange wie ein Steiß.

Ein Rabe fliegt, so schwarz und scharf,
Wie ihn kein Maler malen darf,
Wenn er’s nicht etwas kann.
Ich stapfe einsam durch den Schnee.
Vielleicht steht links im Busch ein Reh
Und denkt: Dort geht ein Mann.

Joachim Ringelnatz (1883-1934)

Der Wald – eine einzige Nadelarbeit

Schneestickerei„Im Winter bleibt der Wald wie angewurzelt stehen, könnte man sagen, wäre er nicht tatsächlich im Boden verwurzelt. Jede Unebenheit, jedes Relief, jedes Spinnenfädchen hat der Schnee sichtbar gemacht, jedes Ästchen ist weiß überstrichen, lauter winzige Kleinigkeiten sind zum Vorschein gekommen, die das Jahr über verborgen geblieben waren. Ein Baum ist nicht länger ein seitlich von ein paar Ästen verlängerter Stamm, sondern Hunderte zarter Gelenke und strichbreiter weißer, in den grauen Himmel gestickter Äderchen, überhaupt ist der ganze Wald in eine einzige feine Nadelarbeit verwandelt, ein sorgfältig angefertigtes, sauberes Häkeldeckchen, wie man sie sonst nur noch in Großmutters Wäscheschrank oder auf Flohmärkten findet“.

Weber, Anne: Besuch bei Zerberus; Suhrkamp Verlag, 2004

Nix als Schnee – Schnee und Nichts

Schnee_NixSchneeflocken sind kleine Kunstwerke, die jede für sich von einzigartiger Gestalt daherkommen. Lässt man Flocken auf die Hand fallen, um sie in all ihrer Schönheit betrachten zu können, muss man sich beeilen, weil sie in dem Maße verschwindet, wie man die Details aufnimmt. Und eh man sich versieht, ist da nix mehr. Schnee und Nix, vulgo Nichts, liegen also dicht beieinander. Im Lateinischen heißt Schnee „nix“. Diesen wohl eher zufälligen Zusammenhang hat schon im Jahre 1611 Johannes Kepler in einem Begleitbrief zu einem Neujahrsgeschenk an seinen Freund und Mäzen Johan Matthäus Wacker von Wackenfeld angesprochen. Das Geschenk selbst war eine Abhandlung über den sechseckigen Schnee „Strena seu de Nive sexangula“, die eine der ersten Schriften darstellt, in der die hexagonale Struktur der Schneeflocken angesprochen wird. In diesem Brief heißt es: Weiterlesen

Kristallene Schönheiten

SchneeflockenSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 1 (2015), S. 42 – 43

Damit aus Wasser eine Schneeflocke werden kann, müssen verschiedene Wachstumsprinzipien ineinandergreifen.

»… unter den Myriaden von Zaubersternchen …
war nicht eines dem anderen gleich … «
Thomas Mann (1875 – 1955)

Rein physikalisch gesehen sind Eis und Schnee nichts anderes als Wasser, das in den festen Aggregatzustand übergegangen ist, nachdem die Temperatur den Nullpunkt unterschritten hat. Aber was ist damit schon erklärt? Bereits auf die so naheliegende wie simple Frage, woher eigentlich die überbordende Vielfalt von Schneeflockenformen rührt, gibt diese Feststellung keine Antwort. Wie also werden aus amorphem Wasser und Wasserdampf kristallene Schönheiten?

Schneeflocken fallen aus den Wolken und haben einen langen Weg hinter sich, heißt es in einem alten Kinderlied. Wer sie mit der behandschuhten Hand auffängt, so dass sie nicht gleich schmelzen, stellt fest, dass zwar keine Flocke der anderen gleicht, sie aber alle eine sechseckige Grundstruktur gemeinsam haben. Sehr selten findet man drei- oder zwölfzählige Kristalle, aber niemals vier- oder achtzählige. Schon Jahrhunderte vor unserer Zeitrechnung erklärte der chinesische Gelehrte T’ang Chin: „Weil Sechs die eigentliche Zahl des Wassers ist, müssen die Blumen, zu der das Wasser gefriert, sechs Spitzen haben.“

In unserem Kulturkreis erlangt die hexagonale Struktur der Schneeflocken erst 1610 einige Aufmerksamkeit, nämlich durch Johannes Keplers Aufsatz „Über die sechszackige Schneeflocke“. Auch René Descartes bewundert in seinen „Météores“ (1637), wie Eiskristalle stets das Strukturprinzip der Hexagonalität einhalten: „Das waren kleine Klingen aus Eis, ganz glatt, intensiv poliert, ganz durchsichtig, ungefähr von der Stärke eines Blatts ziemlich dicken Papiers, (…) aber so perfekt in Sechsecke tailliert und deren sechs Seiten so gerade waren, die sechs Winkel so gleich, dass es den Menschen unmöglich ist, etwas so Exaktes zu machen.“ Besser verstanden hat man die Wachstumsprinzipien der Schneeflocken aber erst in den letzten drei Jahrzehnten, als Themengebiete wie die fraktale Geometrie und die Selbstorganisation von Vielteilchensystemen aufkamen. …

PDF: Kristallene Schönheiten

Naturgesetze in der Kaffeetasse. Physikalische Überraschungen im Alltag

spez_pmt_3_2014_ISchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft Spezial 3 (2014), 82 Seiten

Ob die Geschehnisse in einer Kaffeetasse, die Tropfen am beschlagenen Fenster oder die Mondphasen: Die vielfältigen Phänomene des Alltags erscheinen uns so vertraut, dass wir den darin wirkenden Gesetzen der Physik keine Beachtung schenken. Wer sie aber doch verstehen will, wie es der Physikdidaktiker H. Joachim Schlichting in diesem Sonderheft tut, gewinnt einen völlig neuen und überraschenden Blick auf die Realität.
(28. August 2014)  Weitere Informationen finden Sie hier. Weiterlesen

Ein großer Teich war zugefroren

Teich_zugefrorenEin großer Teich war zugefroren;
Die Fröschlein, in der Tiefe verloren,
Durften nicht ferner quaken noch springen,
Versprachen sich aber, im halben Traum:
Fänden sie nur da oben Raum,
Wie Nachtigallen wollten sie singen.
Der Tauwind kam, das Eis zerschmolz,
Nun ruderten sie und landeten stolz
Und saßen am Ufer weit und breit
Und quakten wie vor alter Zeit.

Johann Wolfgang von Goethe

Unterkühlte Schönheiten

Eispflanze3bJe nachdem, ob man in der Stadt oder auf dem Land lebt, unterwegs ist oder vor dem Fenster sitzt, kann gefrierender Regen als extrem störend oder als schön empfunden werden. Letzteres ist insbesondere der Fall, wenn der Regen vorbei ist und die Welt wie ein funkelnder Glaspalast erscheint. In jedem Fall handelt es sich um ein eindrucksvolles Naturphänomen. Extrem unterkühltes Wasser gefriert an der Stelle, an der es auftrifft: auf dem Boden, auf Bäumen und anderen Pflanzen. Alles wird mit einer mehr oder weniger dicken transparenten Eisschicht überzogen. Diese Eisschicht kann im Extremfall zur Last werden, unter der Bäume zusammenbrechen und Strommasten einknicken: Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2014

097_Abbildung im SchneeWie kommt es zu dieser Abbildung im Schnee?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Blatt als Wärmeabsorber

Eisblumen auf einer Treppenfliese

Eisblumen-auf-TreppenflieseIn der Nacht war es feuchtkalt und windig gewesen. Als ich am Morgen vor die Haustür gehen wollte, fand ich die mit rotbraunen Fliesen versehene Treppe mit wunderschönen Eisblumen verziert vor, wie man sie früher (in der thermopanefreien Vorzeit) nur als Winterschmuck an der Innenseite von Fenstern vorfand. Die nahezu symmetrische Struktur erinnert an eine eingefrorene Wirbelstraße mit zwei gegenläufig rotierenden Wirbeln. Ob der über die Fliesen hinwegstreifende eiskalte Wind hier auf diese Weise seine Spuren hinterlassen hat? Dafür spricht, dass durch die strömende Luft Kristallisationswärme aufgenommen und wegtransportiert, sowie Wasserdampf herangeführt wurde.

Stämme mit weißen Streifen

IMG_6649rv„In die Mitte der Stämme hat der Wind senkrecht weiße Streifen gemalt, angewehter Schnee, der nur auf einer Baumseite haftengeblieben ist. So sieht also der Winter aus: eine Verzierung? Eine Markierung? Eine Schrittfederung, eine Blendung, ein gnädiges In-Schweigen-Hüllen der Welt. Auf dem Weg, Eiswasserpfützen, Spuren von Mensch und Tier. Hunde drücken die vier mal fünf kleinen Polster ihrer Pfoten in das weiße Stempelkissen; ihr Urin brennt gelbe Löcher in die makellose Schneedecke. In den Baumkronen hängt zäher Nebel, als sei eine dicke Wolke nach langem Ringen plötzlich der Schwerkraft unterlegen und hier über diesem Wald, in die zum Himmel ausgestreckten, nackten, spitzen Äste wie in eine Nadelkissen abgestürzt. Da hängt sie nun und regt sich nicht, die Vögel sitzen am Boden und ziehen an übriggebliebenen Grashalmen, Stare fliegen auf, in einem Busch ist eine Blaumeise zugange; lauter unruhige, zarte, unauffällige Wunder.“

Weber, Anne; Besuch bei Zerberus; Suhrkamp Verlag, 2004; ISBN: 3-518-41606-5; S. 38

Eisblumen auf Fensterscheiben

Eiskristalle_1Mit diesem Foto wünsche ich allen Besuchern meiner Internetseite frohe Weihnachten und ein gutes Neues Jahr.
H. Joachim Schlichting

Girlandenförmige Eiskristalle haben die Scheiben eines Gewächshauses von innen überzogen. In der Scheibe spiegelt sich die Umgebung.

Wintersonnenwende

Wintersonnenwende KopieHöher kommt die Sonne nicht. Es ist Wintersonnenwende. In diesem Jahr findet sie am 21.12. statt. Die Tage, die bis zu diesem Zeitpunkt immer kürzer wurden, werden danach wieder länger. Das geschieht aber sehr langsam. In den letzten zwei Wochen hat man kaum etwas davon gemerkt, dass die Zeit zwischen Sonnenauf- und –untergang kürzer wurde, weil sich die zeitliche Veränderung von Tag zu Tag nur wenige Minuten ausmachte. Genauso wird man nicht schon Weihnachten feststellen, dass die Tage wieder länger werden. Vielleicht aber gefühlsmäßig, weil man weiß, dass es jetzt wieder „aufwärts“ geht. In einigen Wochen wird man jedoch sehen, dass die Sonne mittags über dem Hüg(g)el (Foto) wieder etwas höher gekommen ist.

Der gestirnte Baum

RaureifEs ist die Zeit, in der Bäume, Sträucher und andere Gegenstände mit feinen Eisnadeln verziert werden. Raureif entsteht vor allem in kalten, feuchten Sommernächten und überzieht die entblätterten Pflanzen mit einer kristallinen Pracht. Der Anblick hat schon den Barockdichter Barthold, Hinrich Brockes fasziniert und zu einem längeren Gedicht angeregt, in dem der ästhetische Eindruck in Poesie umgesetzt wird. Dabei beeindruckt, wie auch in seinen zahlreichen Naturgedichten, die akribisch genaue Beobachtung: Weiterlesen

Skurrile Eisstrukturen im Garten

WintersprossenNachdem wir uns vor einigen Tagen bereits im Frühling wähnten und bei warmem Sonnenschein uns die ersten Triebe und Sprossen begrüßten, meldete sich der Winter noch einmal mit aller Härte zurück. Aber er verzauberte auch noch einmal die Welt auf seine unnachahmliche Weise mit glänzenden Eissprossen in der blendenden Sonne, so als wollte er das Kommende, nicht mehr Aufzuhaltende schon einmal mit seinen Mitteln vorwegnehmen. Weiterlesen

Der sonnennächste Punkt

Sonnennächster Punkt JSrvHeute „weiß“ ein Jeder, dass die Erde sich um die Sonne dreht, was für den auf der Erde „Mitreisenden“ so aussieht, als bewege sich die Sonne um die Erde. Viele haben auch schon davon gehört, dass die Erde keine Kreisbahn, sondern eine Ellipsenbahn beschreibt, bei der sie sich der Erde bis auf 147,1 Millionen km nähert (sonnennächster Punkt oder auch Perihel genannt) und sich von ihr bis auf 152,1 Millionen entfernt (sonnenfernster Punkt oder auch Aphel genannt). Dieses Wissen hat bei manchen Menschen dazu geführt, die Jahreszeiten als Folge dieser Annäherung an die Sonne und Entfernung von der Sonne anzusehen. Man muss nicht viel Überzeugungkraft anwenden, um diese Ansicht als falsch zu erweisen. Es hilft  der Hinweis, dass der sonnennächste Punkt um den 3 Januar (2. Bis 5. Januar, je nach der Zeit nach dem letzten Schaltjahr; in diesem Jahr am 2. Januar um 6:00 Uhr) erreicht wird, also für die Nordhalbkugel im tiefen Winter. Die Jahreszeiten sind vielmehr eine Folge der schiefen Stellung der Erdachse und der daraus resultierenden periodischen Veränderung des Stromdichte der Sonnenenergie.

Lange Winter lange Zapfen

Lange WinterSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/3 (2012), S.52-53

Wie genau bilden sich Eiszapfen? Selbst Forscher können nicht alle Fragen dazu beantworten. Weiterlesen

Des Raureifs Glanz im Sonnenlicht

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 37/6 (2006) 295

Es ist erstaunlich, wie die Natur Ränder und Begrenzungen auf unterschiedliche Weise hervorzuheben vermag. Im Winter können wir wieder verfolgen, wie Raureif und Eisnadeln die Ränder von Blättern verzieren. Wie kommt es zu diesem Effekt?

PDF: Des Raureifs Glanz im Sonnenlicht