Nebelschwaden über schneebedeckten Wiesen

Kurzfassung: Wegen des Regens war eine relative Luftfeuchtigkeit von 100% bei einer Temperatur von ca. 6°C vorhanden. Über den schneebedeckten Feldern kühlte die feuchte Luft ab und überschritt die 100%, d.h. die enthaltene Feuchtigkeit kondensierte zu kleinen Tröpfchen und es entstand der lokale Nebel.

a) Eine schneebedeckte Wiese mit Nebelschwaden. b) Foto einer Wiese ohne Schneebedeckung in unmittelbarer Nähe – es ist kein Nebel sichtbar.

Vor drei Tagen fiel mir um die Mittagszeit auf, dass gerade über den Wiesen und Feldern, die noch mit Schnee bedeckt waren Nebelfelder lagen, während über den Wiesen daneben ohne Schnee keine Nebel war. Es regnete ziemlich stark und die Temperatur betrug 6°C.

Ein, zwei Wochen vorher hat es stark geschneit und es lag viel Schnee. Durch die Wärme der letzten Tage und dem Regen seit zwei Tagen ist der meiste Schnee schon geschmolzen. Nur auf einigen Wiesen und Feldern liegt der Schnee noch ziemlich durchgehend auf anderen keiner mehr. Auch diesen großen Unterschiede sind interessant, da sich die Wiesen mit und ohne Schnee abwechseln und keine äußeren Unterschiede wie mehr oder weniger Schatten, Höhenunterschied etc. erkennen lassen. Ich vermute, dass der Unterschied durch unterschiedlich hohes, bzw. dichtes Gras unter dem Schnee zustande kommt, das als Isolierschicht wirkt. Aber dazu (falls es sich ausgeht) später noch, jetzt zurück zum Nebel und Schnee.

Da es längere Zeit bei konstanter Temperatur regnete, ist die relative Luftfeuchtigkeit bei 6°C auf 100% angestiegen. Der Großteil der Wiesen war ohne Schnee und es bildete sich ein Gleichgewicht zwischen Wasser und Luftfeuchtigkeit bei diesen 6°C aus. Knapp über den schneebedeckten Feldern muss die Luft aber kühler sein, da der Schnee selbst ja höchstens 0°C haben kann. Da die sehr feuchte Luft von der Umgebung mit 6°C in diese kälteren Gebiete wandert (es war absolut windstill, es war mehr eine Diffusion, ein äußerst langsames strömen aufgrund der Temperaturunterschiede) kühlte sie sich dort ab und konnte die 100% Luftfeuchtigkeit der höheren Temperatur nicht mehr in gasförmigem Zustand halten. Die Luftfeuchtigkeit war für die kälteren Zonen zu hoch und kondensierte zu Tröpfchen, die in Form von Nebel sichtbar waren.

Der ganze „Spuck“ hat nur ca. eine Stunde gehalten. Ich musste mir erst einen Fotoapparat besorgen und nach einer Stunde hatten sich die Nebelfelder bereits teilweise aufgelöst. Die Temperatur hatte sich vermutlich etwas geändert und es setzte eine leichte Luftbewegung ein, da man sah, dass die Nebelschwaden in südliche Richtung zogen und sich auflösten. Ich konnte gerade noch ein halbwegs gutes Foto einer etwas größeren Wiese machen, die anderen Nebelschwaden hatten sich bereits aufgelöst.

Zurück zu meiner Vermutung, warum sich der Schnee über einigen Wiesen deutlich länger gehalten hat. Wenn die Erde von einer dickeren Grasschicht bedeckt ist, so hat dies mehrere Auswirkungen. Wenn der erste Schnee fällt, ist die Erde manchmal noch warm und der Schnee bleibt noch nicht liegen. Wenn eine dichte Grasschicht vorhanden ist, so wirkt diese isolierend. Sie kühlt an der Oberseite durch den fallenden Schnee und kalte Luft rasch ab, der Schnee bleibt liegen, obwohl die Erde darunter noch wärmer ist. Es bildet sich auf der dichteren Grasschicht eine dickere Schneedecke aus. Aber dies ist nicht der einzige Effekt, die Wärme kann unter bestimmten Umständen auch von unten "zurückkommen".

Es war in diesem Winter im Dezember überdurchschnittlich lange sehr kalt. Dann friert der Boden ein Stück weit nach unten ein, d.h. die Temperatur im Boden liegt unterhalb von 0°C. Aber das geht trotzdem nicht sehr tief. Einen halben Meter unter der Oberfläche ist der Boden meist nicht mehr gefroren, darunter liegt die Temperatur oberhalb von 0°C und es ist jede Menge an Wärme dort gespeichert.

Wenn nun die Lufttemperatur einige Tage bei ca. 0°C liegt, wie es bei uns unterhalb einer dichten Hochnebeldecke tatsächlich der Fall war, so schmilzt der Schnee nicht von oben her, aber die Wärme aus den tieferen Erdschichten kommt durch die Wärmeleitfähigkeit des Bodens von unten nach oben. Nur wenn die Luft entsprechend kalt bleiben würde, könnte das Temperaturgefälle in die Tiefe des Erdbodens hinein aufrechterhalten bleiben. Ist dies eben nicht der Fall, so wird der die Erde unterhalb der Schneeschicht „von selber“ wieder wärmer und der Schnee kann von unten her schmelzen – aber nur, wenn keine gute Isolierschicht dazwischen liegt. Wenn also eine dicke Grasschicht vorhanden ist, die gut isoliert, so kann der Schnee von unten her kaum geschmolzen werden, über eine kaum geschützten Erde aber schon.

Unter gewissen Wetterbedingungen kann eine isolierende Grasschicht auf der Erde daher zweifach zu einer dickeren Schneedecke führen. Und über den schneebedeckten Wiesen können lokale Nebelfelder entstehen.

Warum ist Glas durchsichtig?

Diese Frage ist nicht wirklich neu. Ich habe sie schon öfter gehört und konnte mich nur noch vage an die Erklärungen erinnern. Nun wurde sie mir von einem Bekannten gestellt, dessen Tochter schon vor vielen Jahren danach fragte (die Tochter war damals 4 Jahre, inzwischen ist sie ziemlich erwachsen; aber danke Günter für die Wiederholung der anregenden Frage). Als ich nun eine Antwort auf die Frage zu geben versuchte, wurde mir erst klar, dass alles was zum Verständnis notwendig ist, in meiner eigenen Vorlesung über Festkörperphysik vorkommt. Aber ich habe die Dinge noch nie so kombiniert, wie es für die Beantwortung dieser Frage notwendig ist.

Ich möchte die Frage für einen geordneten Festkörper diskutieren und dann darauf eingehen, warum dies auch für Glas weitgehend zutrifft, obwohl Glas bekanntermaßen ein amorpher Stoff ist. Ein geordneter Festkörper ist ein Kristall. Alle Atome (oder Moleküle) sind in Reih und Glied perfekt regelmäßig angeordnet. Dadurch sind nur bestimmte örtliche Schwingungen der Atome und bestimmte Anregungen der Elektronen möglich.

Licht wiederum ist eine elektromagnetische Schwingung, die sich im Raum ausbreitet. Das Wort Strahlung möchte ich hier vermeiden, da es heutzutage weitgehend negativ besetzt ist. Aber ohne Licht (von der Sonne kommend) könnten wir gar nicht leben. Das Licht besteht aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich abwechseln und gegenseitig erzeugen. Licht ist aber nichts Materielles. Licht kann nicht direkt mit Atomen zusammenstoßen. Licht kann aber die Elektronen eines Atoms zum Schwingen anregen und wenn die Frequenz, bzw. die Energie passt, kann das Licht absorbiert werden. Dabei wird eine Lichtportion, das ist ein Lichtquant, ein Photon vernichtet und dessen Energie vom Atom aufgenommen. Energieerhaltung muss unbedingt gelten, das ist eines der Grundgesetze der Physik (solange nicht eine Umwandlung von Energie in Masse oder umgekehrt stattfindet – in Einklang mit der allgemeinen Relativitätstheorie – aber dann ist Masse eine andere Energieform und das Erhaltungsgesetz ist wieder in Ordnung).

Licht ist quantisiert und kann nur in Portionen abgegeben oder aufgenommen werden. Da kommen wir nicht drum herum. Das hat Einstein bei der Erklärung des photoelektrischen Effekts behauptet und dafür den Nobelpreis bekommen (wohl aus Verlegenheit – die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie waren noch zu umstritten). Max Planck wollte das anfangs nicht so ganz ernst nehmen obwohl er selbst für die Berechnung der Schwarzkörperstrahlung eine Quantisierung des Lichtes angenommen hat, aber es hat sich als absolut richtig herausgestellt und den Beginn der Quantenmechanik eingeläutet. Die Quantenmechanik war nach der Relativitätstheorie der zweite große Paradigmenwechsel in der Physik des zwanzigsten Jahrhunderts. Mit Paradigmenwechsel meint man, dass die Grundfesten auf denen die gesamte Physik ruht (eigentlich ruht sie gar nicht) geändert werden müssen.

Mit der Relativitätstheorie erkannte man, dass es keine einheitliche Längenskala und keine einheitliche Zeit im Weltall gibt. Alles hängt vom Bewegungszustand des jeweiligen Beobachters ab. Raum und Zeit sind somit nicht vorgegeben und es befinden sich darin Gegenstände sondern, sondern Raum und Zeit werden erst durch die Objekte selbst festgelegt. Die Quantenmechanik besagt, dass sowohl Materie als auch Licht in (kleinen) Portionen, d.h. Quanten vorhanden ist. Gleichzeitig hat aber beides auch Wellencharakter. Dies stellt nach der klassischen Physik einen Widerspruch dar, da hätte man gesagt, etwas ist entweder Teilchen oder Welle. Aber nach dem Verständnis der modernen Physik besitzen die Dinge beide Eigenschaften und je nach der Art der Beobachtung (des Experimentes) tritt entweder die eine oder die andere Eigenschaft in Erscheinung. Darauf sind nicht einmal die griechischen Philosophen gekommen, obwohl die gedanklich fast alles durchgedacht haben. Die Betonung liegt auf „durchdacht“ nicht auf gewusst. Bei der Quantenphysik kommt dann noch dazu, dass bestimmte Eigenschaften von Objekten nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhergesagt werden können und prinzipiell nicht mit absoluter Sicherheit, aber darauf wollen wir nicht weiter eingehen.

Zurück zum Licht. Es ist also nicht nur so leichtfertig dahergesagt, dass Licht nur in ganz bestimmten Portionen aufgenommen oder abgegeben werden kann – nein da steckt die Erkenntnis vieler Gelehrter und eines halben Jahrhunderts dahinter. Und genau diese Portionierung, bzw. Quantisierung ist der tiefere Grund, warum Glas durchsichtig ist.

Die elektromagnetische Strahlung kann fast beliebige Wellenlängen besitzen. Für das menschliche Auge sind Wellenlängen in einem ganz kleinen Bereich zwischen etwa 400 und 700 Nanometer (abgekürzt: nm) sichtbar. Die kurzen Wellenlängen sind für das Auge als blaues Licht, die langen als rotes Licht sichtbar. Die anderen Farben liegen dazwischen, bzw. sind Mischungen der unterschiedlichen Wellenlängen. Wenn wir Glas als durchsichtig bezeichnen meinen wir, dass diese sichtbaren Wellenlängen durchgehen, es sagt aber nichts über andere Wellenlängen aus. Tatsächlich ist Glas für die meisten anderen Wellenlängen nicht durchsichtig. Warum ist dies so?

Aufgrund der Quantenphysik kann Licht nur in bestimmten Energiemengen aufgenommen werden. Aber auch in einem Festkörper sind alle Zustände im Inneren quantisiert, auch hier gelten die Gesetze der Quantenphysik. Wegen der Energieerhaltung muss nun die Energiemenge eines Photons (Lichtquants) genau der Energiedifferenz zwischen zwei Zuständen im Festkörper entsprechen, damit die Absorption möglich ist. Und genau hier liegt das Problem. In einem geordneten Festkörper sind wegen der Gleichartigkeit der Atome und der Ordnung auch die Energiezustände einheitlich. Im gesamten Objekt sind nur ganz bestimmte Übergängen zwischen diesen einheitlichen Zuständen möglich und nicht beliebige. Dies ist der große Unterschied zu einem ungeordneten festen Körper. In diesem ist aufgrund der unterschiedlichen Atome und Moleküle und aufgrund der unterschiedlich starken Wechselwirkungen wegen der ungeordneten Anordnung so eine großes inneres Durcheinander vorhanden, dass so gut wie alle möglichen Energiezustände und auch alle möglichen Energiedifferenzen vorkommen. Es kann praktisch jedes Lichtquant in Einklang mit der Energieerhaltung absorbiert werden. Die Ordnung macht den Unterschied aus.

Um welche inneren Zustände handelt es sich? Es sind einerseits gemeinsame, mechanische Schwingungen der Atome und andererseits die Zustände der Elektronen im Kristall. Die gemeinsamen Schwingungen der Atome sind sogenannte Gitterschwingungen, bzw. da auch diese quantisiert sind tragen sie den Namen Phononen. Diese besitzen allesamt niedrige Energien und können nur kleine Energiemengen pro Absorptionsprozess aufnehmen. Wir haben die Größe der Energiemengen von Licht noch nicht näher diskutiert. Die Energie hängt einzig von der Wellenlänge des Lichtes ab. Je kürzer die Wellenlänge ist, umso größer ist die Energie, und je länger die Wellenlänge desto kleiner die Energie. Die kleinen Energiemengen der Phononen führen daher zu einer Absorption von Licht im langwelligen, infraroten Bereich, der vom Auge nicht wahrgenommen wird.

Die elektronischen Zustände besitzen ebenfalls aufgrund der regelmäßigen Anordnung der Atome nur bestimmte Energiezustände, die mit den sogenannten Energiebändern beschrieben werden. In den möglichen Zuständen kann jeweils nur ein einziges Elektron (wenn man den Spin ebenfalls in unterschiedlichen Zuständen beachtet) untergebracht werden, auch das ist wieder eine Folge der Quantenphysik (Stichwort Antisymmetrie von Elektronenzuständen, bzw. Pauli-Verbot). Wenn in einem Kristall ein solches Energieband vollkommen aufgefüllt ist, so können die Elektronen nur in Zustände in ein leeres Energieband mit viel höherer Energie angeregt werden und das hierbei absorbierte Lichtquant liegt im kurzwelligen, ultravioletten Bereich, der vom Auge ebenfalls nicht mehr wahrgenommen wird. Für das sichtbare Licht gibt es in geordneten Festkörpern aber keine anderen inneren Anregungen, die die Energiemengen des sichtbaren Lichtes aufnehmen könnten.

Wie anfangs erwähnt, ist Glas aber kein perfekt geordneter Kristall sondern ein amorpher Festkörper. Aber in Glas herrscht nicht so viel Unordnung wie man vielleicht meinen würde. Glas ist sehr ähnlich zu Quarz, einem sehr schönen absolut geordneten Kristall, nämlich Bergkristall. Allerdings sind in Glas auch andere Atom beigemischt, sodass etwas Unordnung entsteht. Über etwas größere Abstände hinweg sind die Atome nicht mehr in Reih und Glied und es würden zunächst manchmal die Möglichkeiten fehlen, sodass alle Elektronen in einer chemischen Bindung im Inneren untergebracht werden können. Aber durch die Beimischung eines entsprechenden Anteils Wasserstoff, können auch die restlichen Elektronen eine Bindung eingehen und es sind keine freien Elektronen vorhanden, die bei sichtbaren Energien angeregt werden können. Auch die Gitterschwingungen sind weitgehend wie in einem perfekten Kristall. Aufgrund der Unordnung die dennoch im Glas herrscht, kommen im Unterschied zum perfekten Kristall elektronische Anregungen zu einem kleinen Teil auch schon bei etwas niedrigeren Energien und Gitterschwingungen ebenfalls zu einem kleinen Teil schon bei etwas größeren Energien vor, aber diese reichen nur so minimal in den sichtbaren Teil des Lichtspektrums hinein, dass Glas praktisch durchsichtig ist.

Die Durchsichtigkeit von Glas liegt letztlich daran, dass es keine passenden Energiezustände im Inneren gibt, die die Energie des Lichtes aufnehmen könnten. Und dies ist nur dadurch zu verstehen, dass sowohl die Energie des Lichtes als auch die inneren Zustände von Glass durch die Gesetze der Quantenphysik zu beschreiben sind.

Todesopfer auf schneeglatter Fahrbahn

Es gab eine Massenkarambolage auf schneeglatter Fahrbahn im dichten Abendverkehr. Der Sicherheitsabstand wurde nicht eingehalten. Zwei Fahrzeuge kollidierten, die nachkommenden konnten nicht mehr rechtzeitig bremsen. Es gab mehrere Leichtverletzte aber nach Bericht im Radio ein Fahrzeug, das sehr schwer beschädigt war und der Lenker den Unfall letztendlich nicht überlebte. Warum wurde das eine Fahrzeug besonders stark in Mitleidenschaft gezogen?

Ich möchte nicht nachforschen, wie es wirklich war. Man kann sich aber trotzdem einige Gedanken darüber machen. Ein Todesfall in der Nähe gibt einem meist mehr zu denken, als wenn etwas in weiter Ferne geschieht. Man denkt dann eher, dass es einen vielleicht selbst hätte treffen können. Ich bin dieselbe Strecke einen Tag vorher gefahren, ebenfalls am Abend, ebenfalls bei Schneefall.

Wurde das eine Fahrzeug zufällig so unglücklich gedreht, dass die nachfolgenden Fahrzeuge einen so schweren Schaden angerichtet haben? Möglich. Es könnte aber auch sein, dass dieser PKW ein kleines, weniger stabiles Fahrzeug war und davor und dahinter gerade ein paar moderne „Straßenpanzer“ unterwegs waren. Auch das wäre möglich. Mit Straßenpanzer meine ich die großen, schweren, teuren Fahrzeuge, die auf unseren Straßen vermehrt auftauchen. Keine normalen Autos, sondern schnelle, überschwere Fahrzeuge. In diesen Fahrzeugen hat man statistisch gesehen bei einem Unfall sicher bessere Überlebenschancen als in den kleineren. Geld spielt also auch hier eine Rolle. Aber das ist ja eigentlich gar nicht verwunderlich, eigentlich eh vollkommen klar. Geld verschafft im Überlebenskampf Vorteile, und dieser Überlebenskampf ist in unserer Gesellschaft schon ziemlich verbreitet.

Bitte mich nicht falsch zu verstehen. Ich habe keine Ahnung wie sich der Unfall in der Nähe tatsächlich zugetragen hat und ich will niemand eine Schuld geben. Aber es haben sich mir eben diese Gedanken aufgedrängt. Das gesagte (geschriebene) soll zum Nachdenken anregen!

Schnee und Quantenmechanik

Schnee ist kalt, Schnee ist weiß, Schnee ist eine direkte Manifestation der Gesetze der Quantenmechanik! (Manifestation = Offenlegung, Erscheinung, Sichtbarmachung)

Unsere gesamte Welt würde nicht so (oder überhaupt nicht) existieren, wenn nicht die Gesetzt der Quantenmechanik so wären wie sie sind. Die chemischen Eigenschaften aller Elemente werden durch die quantenmechanischen Eigenschaften der Elektronenhülle bestimmt. Wieso soll das anhand von Schnee noch einmal besonders deutlich hervortreten?

Vergrößertes Bild einer Schneeflocke (Snow_flake_4.jpg aus http://www.partow.net/miscellaneous/snowflakes.html).

Es liegt an der schönen, sechseckigen Form der Schneekristalle, die den Bindungswinkel des Wassermoleküls H20 direkt widerspiegeln. Der Bindungswinkel von ca. 104° ist eine direkte Konsequenz der quantenmechanischen Gesetze. Das zentrale Sauerstoffatom nimmt die Elektronen der beiden gebundenen Wasserstoffatome zum Großteil auf und ist dann negativ geladen. An den Wasserstoffatomen verbleibt jeweils die positive Ladung des Atomkerns, der hier nur aus einem einzigen Proton besteht. Die beiden positiven Ladungen der H-Atome stoßen sich ab und nach den klassischen Gesetzen würde ein lineares Molekül entstehen.

a) Lineares Molekül wie CO2, b) abgewinkeltes H2O Molekül.

Allerdings entstehen die quantenmechanischen Bindungsorbitale des zentralen Sauerstoffatoms aus einer Überlagerung der s- und p-Orbitale und es entstehen sogenannte sp3-Hybride mit Bindungsarmen, die einen Bindungswinkel von 104° besitzen. Dies ist eine rein quantenmechanische Auswirkung und nur deshalb hat das Wasser die zum Teil besonderen Eigenschaften, die es auszeichnen, wie die Anomalie bei 4°C, wo es die größte Massendichte besitzt.

Auch der sechseckige Grundkörper einer Schneeflocke entsteht aus dem Bindungswinkel des Wassermoleküls heraus. Aus der sechseckigen Geometrie einer Schneeflocke erkennt man, dass die Winkel von 60° und 120° eine besondere Rolle spielen. Die 104° des Bindungswinkels eines Wassermoleküls stimmen nicht ganz überein mit den 120° in der Schneeflocke. Aber dennoch scheint dies die passende Geometrie zu sein, sodass eine möglichst gute Übereinstimmung erzielt wird. Entweder wird das Wassermolekül in der Schneeflocke entsprechend verzerrt, oder der entstehende Festkörper ist trotz der nicht vollkommen angepassten Bindungswinkel entsprechend stabil.
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PS: Der ideale Bindungswinkel von 109,5° eines sp3-Orbitals entspricht dem Winkel unter dem man von der Mitte des Tetraeders aus zwei Ecken sieht. Im Wassermolekül kommt aufgrund zusätzlicher Wechselwirkung (die ich nicht genau verstehe) zu Abweichungen davon.
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PS_2:
In einem Kommentar zu diesem Post wird gefragt, warum die Schneeflocken zwar unterschiedlich, jede für sich aber wieder so schön symmetrisch ist. Das kann ich nicht so einfach beantworten, da muss ich einige Vermutungen anstellen und ein bisschen raten.
Es ist ja wirklich erstaunlich, jede Schneeflocke sieht anders aus, aber (fast?) jede Schneeflocke hat vom Zentrum ausgehend an denselben Stellen Seitenarme, die wiederum alle gleich aussehen. Wie weiß der eine Arm, wann auf der anderen Seite ein Arm entsteht und jetzt auch wachsen muss?
An der Quantenmechanik liegt es kaum, die kann in diesem Fall wohl nicht über so große Entfernungen wirken. Sie wirkt immer nur, sodass gerade das nächste Molekül im richtigen Winkel angebaut wird. Aber wann es dann (wieder im richtigen Winkel) Seitenarme gibt hängt wohl von was anderem ab.
Meiner Meinung nach sind das mechanische Verspannungen im Kristall. Der quantenmechanische Bindungswinkel beträgt ja nicht 120° sondern weicht mit 104° doch deutlich davon ab. Daher entstehen bei der Aneinanderreihung der Wassermoleküle zu Eis im entstehenden Sechseck mechanische Verspannungen. Ohne diese Verspannungen würden vermutlich gar keine Schneeflocken mit den sechs Hauptarmen entstehen sondern einfach sechseckige Plättchen. Erst durch die mit der Größe des inneren sechseckigen Plättchens anwachsenden Verspannungen reißt der Kristall auf und es entstehen die sechs Hauptarme.
(Aus Wissenschaft und Forschung ist bekannt, dass die mechanischen Verspannungen die Entstehung von kristallinen Schichten ganz wesentlich beeinflussen und sogar steuern. Meine Kollegen am Physikinstitut setzen diesen Effekt ganz gezielt ein, um Nanokristalle auf Oberflächen herzustellen.)
Wann die Hauptarme an den Schneeflocken entstehen, sollte von der Temperatur abhängen, aber auch von der Geschwindigkeit mit der der Kristall wächst, vielleicht auch noch weitere Parameter, die ich jetzt übersehe (ja, z.B. vom Grad der Verschmutzung der Luft mit anderen Teilchen, die mehr oder weniger eingebaut werden). Da diese Bedingungen aber für eine einzelne Schneeflocke rundherum gleich sind, setzt das Wachstum der Arme an allen Seiten ziemlich genau gleichzeitig ein. Ich vermute, dass es auch mit den weiteren kleineren Seitenarmen so ist. Wann diese zu wachsen beginnen, weil die Verspannungen in den Hauptarmen zu groß werden, hängt wiederum von den Umweltbedingungen ab, ist aber für eine einzelne Schneeflocke wieder an allen sechs Ecken gleich.
Für unterschiedliche Schneeflocken sieht das aber anders aus. Sogar in einer Wolke kann eine Schneeflocke in größerer Höhe oder weiter herunten entstehen, wo der Luftdruck, die Temperatur, die Feuchtigkeit, etc. unterschiedlich sind und sich daher jede Schneeflocke etwas anders formt. Wenn man dann im Web Abbildungen von Schneeflocken aus unterschiedlichen Teilen der Erde vergleicht, so sind die sicher nicht unter denselben Bedingungen entstanden.

Unstete Lichterketten

Um diese Jahreszeit werden bei uns unzählige Lichterketten aufgehängt. Ist Ihnen bei einer raschen Bewegung schon so vorgekommen, als ob sich diese Lichter ruckartig bewegen würden? Das ist tatsächlich so, funktioniert aber nur bei den modernen Lichterketten mit Leuchtdioden, kurz LED’s genannt. Das steht bei den neuen Packungen in den Geschäften schon fast überall drauf, die alten Glühlampen gibt’s kaum noch. LED ist die Abkürzung für „light-emitting diode“, also Licht-emittierende Diode. Man muss zur Beobachtung des Effektes nicht einmal den Kopf drehen, es genügt schon eine rasche Augenbewegung über die Lichter hinweg, wobei man auf gar nichts Bestimmtes blicken sollte, sondern eben nur so „darüberfliegen“.

a) Foto einer Lichterkette auf einem Bäumchen mit schneller, eckiger Bewegung des Fotoapparates bei langer Belichtungszeit - das gepulste Licht ist gut zu erkennen. b) Noch schnellere Bewegung, sodass die Lichtpulse weit auseinander gezogen werden. Die durchgehenden Streifen dazwischen stammen vom Reflex einer Straßenlaterne.

Bei den Lichterketten werden die LED’s fast immer mit Wechselstrom betrieben, da es um einiges aufwändiger wäre in den Netzgeräten einen ordentlichen Gleichstrom zu erzeugen. Die Leuchtdioden sind echte Gleichrichterdioden, die einen guten Teil der freiwerdenden Energie in Licht umwandeln. Aber eben wie Dioden das so an sich haben, nur in eine Stromrichtung. Um trotzdem beide Richtungen eines Wechselstroms auszunutzen, ist als Kompromiss bei den LED-Lichterketten (zumindest bei den die ich bisher gesehen habe), im Kabel ein Brückengleichrichter eingebaut. Dort wird der Strom so umgepolt, dass aus den positiven und negativen Halbwellen dann lauter positive werden und der Strom danach nur noch in eine Richtung fließt. Da er aber direkt aus dem 50-Hertz Wechselstrom erzeugt wird, geht er nach jeder Halbwelle wieder auf Null zurück und ändert sich dann mit 100 Hz – und genau das sieht man bei den rasch reagierenden LED-Lichtern.

Die herkömmlichen Glühlampen sind wesentlich träger. Bei ihnen wird der Metallfaden zum Glühen gebracht und kühlt nach jeder Strom-Halbwelle nur so langsam aus und das ausgesandte Licht nur wenig abnimmt, bis die Erhitzung durch die nächste Halbwelle folgt. Bei LED’s ist das anders, sie sind sehr schnell, da die Lichterzeugung nicht auf einer Erwärmung des Materials beruht. Die Elektronen im Inneren, die den Stromtransport verursachen, fallen von einem hohen Energiezustand (Leitungsband) in einen niedrigen Energiezustand (Valenzband) hinunter und die Energiedifferenz wird direkt in Licht umgewandelt. Dieser Prozess funktioniert auch noch, wenn die LED selbst auf Temperaturen weit unterhalb von Raumtemperatur abgekühlt wird.

Es stellt sich die Frage, warum die Pausen zwischen den Helligkeitsphasen einer Leuchtdiode, die mit gleichgerichtetem Wechselstrom betrieben wird, so lang sind. Das liegt daran, dass die Spannung an den LED’s bei jeder Halbwelle einen relativ großen Wert erreichen muss, bevor der Strom durchgelassen und Licht erzeugt wird. Wie man aus der rechten Abbildung oben erkennt, ist die LED etwa die halbe Zeit hell und die andere Hälfte dunkel.

Die zeitliche Schwankung der Lichtintensität wurde bei den obigen Bildern durch eine rasche Bewegung des Aufnahmegerätes in eine örtliche Variation übergeführt, um sie in einem Foto sichtbar zu machen. Man kann auch einen anderen Weg gehen, indem man den Fotoapparat ruhig stehen lässt und die variable Lichtintensität im Aufnahmebereich schnell bewegt. Im linken Foto darunter habe ich das Ende der LED-Lichterkette aus dem Handgelenk kreisen lassen.

a) Das Ende der Lichterkette kreist um das Handgelenk, man erkennt sehr schön die Hell- und Dunkelphasen der LED-Lichter. b) Zum Vergleich eine rasche Bewegung über zwei mit Wechselstrom (weiße) und eine batteriebetriebene (blaue) LED – der Unterschied ist klar erkennbar.

Auch hier sieht man sehr gut, dass während der Kreisbewegung die LED’s etwa die Hälfte der Zeit leuchten, bzw. dunkel sind. Aufgrund der Helligkeitsänderungen mit 100 Hz, ergibt sich aus den 12 Helligkeitsphasen der LED eine Belichtungszeit von 12 mal einer hundertstel Sekunde, also 0,12 Sekunden. In dieser Zeit wird fast ein halbe Kreisbewegung durchgeführt. Eine ganze Umdrehung hätte ca. 0,25 s gedauert, woraus sich vier Kreisbewegungen der Lichterkette pro Sekunde ergeben.

Der ganze Effekt ist nur bei LED’s zu beobachten, die tatsächlich mit ungeglättetem Wechselstrom betrieben werden. Wenn der Wechselstrom durch Kondensatoren geglättet wird oder LED’s gar durch Gleichstrom aus einer Batterie versorgt werden, dann „stottert“ das Licht natürlich nicht. Dies sollte auch überprüft werden. Wenn eine Theorie einen Test zulässt, der sie widerlegen kann, so sollte dieser durchgeführt werden. Im rechten obigen Foto wurde der Fotoapparat rasch über zwei mit Wechselstrom und eine mit Gleichstrom betriebene LED hinwegbewegt. Die gleichstrombetrieben, genaugenommen von einer USB-Schnittstelle versorgte LED zeigt keine Unterbrechungen. Auch die rasche Bewegung über eine normale Glühbirne einer Deckenlampe zeigte aufgrund der thermischen Trägheit keine erkennbaren Helligkeitsschwankungen (ohne Abbildung).

Reflektiertes Licht

Nachdem der erste Schnee gefallen ist und heute die Sonne scheint, ist es sehr hell unter freiem Himmel. Das Licht wird reflektiert, die Energie der Sonnenstrahlen wird zurückgeworfen und der Schnee schmilzt langsamer. Auch die weißen Wolken leuchten in der klaren Luft.
Der hauptwörtliche Gebrauch von reflektieren in diesem Sinne ist Reflexion, wie in Lichtreflexion. Also nicht Lichtreflektion, wie man vielleicht meinen würde, zumindest nicht nach dem offiziellen Sprachgebrauch, siehe reflektion-oder-reflexion-ableitung-des-lateinischen-wortes. Obwohl mir für den physikalischen Gebrauch Reflektion angebracht erschien, um es vom medizinischen Reflex als Reaktion des Körpers auf einen bestimmten Reiz klar zu unterscheiden. Im englischen gibt es diesen Unterschied als „reflection“ und „reflex“. In den deutschsprachigen Physiklehrbüchern wird aber formal korrekt Reflexion verwendet, ich muss mich ja nicht unbedingt dran halten.

Je stärker die Reflektion ist, umso heller sehen wir die Gegenstände (falls Licht vorhanden ist). Körper die kein Licht reflektieren sind schwarz, wir sehen sie nicht. Wir sehen sie nur, weil sie sich von der hellen Umgebung unterscheiden. Wenn wir mehrere kleinere schwarze Gegenstände vor einem schwarzen Hintergrund anbringen, können wir sie nicht sehen – sofern sie wirklich perfekt schwarz sind. Dies kann aber kaum wirklich erfüllt werde, zumindest an Ecken und Kanten reflektieren sie meist doch ein wenig. Je nach Wellenlänge des Lichtes empfinden wir die unterschiedlichen Farben – aber das ist eindeutig ein eigenes, und gar nicht so knappes Kapitel.

Die Reflektion des Lichtes spielt für den Wärmehaushalt eines Körpers eine große Rolle. Ein heller Gegenstand reflektiert viel Licht und nimmt wenig Energie aus der Strahlung auf, ein dunkler Körper entsprechend mehr. Ja – Licht ist eine Strahlung – eine elektromagnetische Strahlung. Das Wort Strahlung ist leider so negativ besetzt, man denkt meist sofort an die Gefahren der Strahlung. Auch Radioaktivität setzt Strahlung frei und Röntgenstrahlen sind alles andere als gesund (außer wenn man dadurch ein noch größeres Risiko, nämlich das einer schweren Erkrankung entdecken und abwenden kann). Ist Strahlung immer schädlich – natürlich nicht. Ohne die Wärmestrahlung und das Licht der Sonne könnten wir gar nicht leben. Wir brauchen das Licht um gewisse Vitamine in der Haut bilden zu können. Ohne die Wärmestrahlung würden wir erfrieren.

Zurück zum Wärmeinhalt der Strahlung. Wenn wir im Sommer in der Sonne eine dunkle Kleidung tragen werden wir stärker aufgeheizt als von einer hellen Kleidung. Der Wärmehaushalt der Erde hängt auch davon ab, wie viel des Sonnenlichts reflektiert wird und wie viel durchgelassen wird. Allerdings hängt die Erwärmung der Erde auch genauso stark davon ab, wie viel von der Wärme die auf der Erde ist, abgestrahlt werden kann. Da setzt der Treibhauseffekt ein. Wenn sich die Zusammensetzung der Atmosphäre ändert, durch CO2 und dergleichen, wird weniger abgestrahlt und die Temperatur steigt. Ebenfalls eine Geschichte für sich, das ja zur Genüge bekannt ist und fast pausenlos durch die Medien zieht.

Wenn die Oberfläche rau ist, so wird das einfallende Licht in alle Richtungen reflektiert, wenn die Oberfläche glatt ist, findet bevorzugt eine spiegelnde Reflektion statt. Dies ist auf nassen Strassen in der Nacht ein großer Nachteil. Die diffuse Streuung der eigenen Scheinwerfer und der umliegenden Lichter bleibt aus und die Strasse bleibt dunkel, außer den sich direkt spiegelnden Lichtern der entgegenkommenden Fahrzeuge.

So hat mich der helle Schnee zu etwas unerwarteten Überlegungen geführt.

Erster Schnee und Wärmekapazität

Heute, am 26. Nov. 2010, hat es zum ersten Mal in diesem Herbst bei mir in Linz geschneit. Als ich am Abend noch mit unserem Hund draußen war, ist mir die ungleichmäßige Schneebedeckung aufgefallen. An manchen Stellen ist der Schnee schon liegengeblieben, an anderen noch nicht. Ein Teil der Gegenstände und Bereiche des Bodens kühlen schneller aus, andere langsamer. Das liegt an der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit der Körper, hängt aber auch von deren Größe ab. Die folgenden Abbildungen zeigen einige Beispiele.

Auf den Blättern der Sträucher und auf dem Laub am Boden liegt der Schnee bereits, da diese schon ausgekühlt sind, der Boden selbst ist noch warm.

Der Gehsteig wurde vor einigen Tagen aufgegraben um ein Wasserleitungsrohr zu reparieren. Der Bereich mit dem neuen Untergrund und der frischen Asphaltschicht hat eine andere Wärmekapazität oder eine bessere Isolierung, sodass die Oberfläche schneller ausgekühlt ist und der Schnee dort schon liegt.

Die unterschiedlichen Bereiche der Motorhaube kühlen verschieden schnell aus. Die Verstrebungen unter dem Blech sind dicker, haben eine größere Wärmekapazität und sind noch nicht so weit abgekühlt, dass der Schnee liegen bleibt Das dünnere Blech dazwischen ist schon abgekühlt und mit Schnee bedeckt.

Je größer die Wärmekapazität, das ist die Wärmemenge, die pro Temperatureinheit gespeichert wird, umso länger braucht ein Körper bis er auf eine bestimmte Temperatur abkühlt.

Wenn die Wärmeleitfähigkeit sehr niedrig ist, so kann die Oberfläche schon abgekühlt, das Innere aber noch warm sein – das ist gute Isolierung. Bei großer Wärmeleitfähigkeit ist die Oberfläche nicht viel kälter als das Innere. Die Oberfläche bleibt so lange warm, bis der Körper zur Gänze abgekühlt ist.

Aber auch die Größe der Fläche mit der ein Körper die Wärme abgeben kann spielt eine entsprechende Rolle; und da geht auch die Gesamtgröße der Körper ein. Je größer ein Gegenstand ist, umso größer sind im Allgemeinen sein Volumen und seine Oberfläche. Aber das Volumen nimmt mit der Größe schneller zu, die Oberfläche langsamer und daher gibt ein großer Körper die Wärme langsamer ab, da dies nur über die Oberfläche geht. In der Physik bezeichnet man so ein größenabhängiges Verhalten mit Skalierungsverhalten oder als Skalierungsgesetz.

Auf den Fotos sind einige mehr oder weniger große weiße Punkte zu sehen. Es sind dies die Schneeflocken in der Luft, die das Licht des Fotoblitzes reflektieren. Je näher die Schneeflocken sind umso größer und heller erscheinen sie.