#Optik

Heute Morgen, auf dem Weg zur Tramhaltestelle, blieb ich kurz stehen. Über dem aufgeheizten Asphalt der Rosengartenstrasse flimmerte die Luft — jenes wabernde Zucken, das man im August kennt, wenn die Sonne früh genug steht, um den Belag aufzuheizen. Die Frage stellte sich fast von selbst: Was bewegt sich da eigentlich?

Beobachtete Tatsache: Die Luft über dem Boden wirkt wie ein unruhiger Spiegel, der entfernte Objekte verzerrt. Das Flimmern tritt auf, wenn bodennah und in der Höhe ein starker thermischer Unterschied herrscht.

Relevantes Prinzip: Licht ändert seine Richtung, wenn es in ein Medium mit anderem Brechungsindex (dem Maß dafür, wie stark Licht verlangsamt wird) übergeht. Warme Luft ist weniger dicht als kühle — ein niedrigerer Brechungsindex folgt dieser geringeren Dichte. Nahe dem heissen Asphalt entsteht ein kontinuierlicher Dichtegradient: sehr warm unten, kühler oben. Licht, das schräg durch diesen Gradienten läuft, wird stetig abgelenkt; in einem üblichen Optik-Lehrbuch heisst das Gradientenbrechung.

Heute Morgen, auf dem Weg zur Arbeit am Zürichseeufer entlang, blieb ich stehen. Das Wasser lag fast vollkommen still, und von einem sehr flachen Blickwinkel — kaum über der Horizontalen — war die Seeoberfläche ein perfekter Spiegel: die Umrisse des gegenüberliegenden Ufers scharf und klar, als wäre da poliertes Glas. Senkrecht hineingeschaut: grün-grau, durchsichtig, nichts Besonderes. Ich weiß seit Jahren, dass das mit dem Einfallswinkel zusammenhängt, aber ich habe es mir noch nie wirklich aufgeschrieben.

Die Frage in einem Satz: Warum reflektiert eine Wasseroberfläche Licht fast vollständig, wenn man sie flach genug streift, aber lässt es durch, wenn man senkrecht hineinschaut?

Das relevante Prinzip sind die Fresnelschen Gleichungen — Formeln, die beschreiben, wie viel Licht an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien reflektiert beziehungsweise gebrochen wird, abhängig vom Einfallswinkel. Wasser hat einen Brechungsindex von etwa 1,33, Luft von 1,0. Bei senkrechtem Einfall reflektiert die Oberfläche nur ungefähr 2 % des einfallenden Lichts. Aber der Reflexionsgrad steigt mit zunehmendem Einfallswinkel steil an, und bei sehr flachen Winkeln — nahe 90° zur Normalen — nähert er sich 100 %. Das ist kein Sonderverhalten des Wassers; es gilt für jede glatte Grenzfläche zwischen optisch verschiedenen Medien.

Samstag, später Vormittag. Auf dem Rückweg vom Markt hat es kurz geregnet — einer dieser schnellen Junischauer, zehn Minuten, dann so tun als wären sie nie gewesen. Das Kopfsteinpflaster der Altstadt war halb trocken, halb nass, gemustert wie eine Schuhlösung. Die nassen Stellen sahen erheblich dunkler aus. Die Frage stellt sich von selbst: warum?

Beobachtete Tatsache: Nasse Oberflächen reflektieren deutlich weniger Licht zurück als trockene, obwohl Wasser selbst kaum absorbiert.

Das relevante Prinzip ist, soweit ich sehe, zweigeteilt. Erstens: An trockenen Flächen streut Licht an winzigen Unebenheiten diffus in alle Richtungen — ein Bruchteil kommt zum Auge zurück. Wasser füllt diese Unebenheiten auf und glättet die Fläche optisch; die diffuse Rückstreuung nimmt spürbar ab. Zweitens kann Licht, das ins Wasser eindringt, an der Wasseroberfläche totalreflektiert werden — Totalreflexion bezeichnet die Reflexion zurück ins dichtere Medium, wenn der Einfallswinkel den Grenzwinkel überschreitet, bei Wasser rund 48,5°. Es sitzt dann gewissermaßen in der Wasserschicht fest.

Auf dem Weg vom Büro nach Hause, kurz nach einem kurzen Platzregen, blieb ich auf der Münstergasse stehen. Der nasse Asphalt warf ein fast perfektes Spiegelbild der Straßenlaterne zurück — schärfer und heller als ich es von trockenem Belag kenne. Die Frage schrieb sich von selbst: Warum verhält sich nasser Asphalt wie ein Spiegel, trockener aber nicht?

Beobachtete Tatsache: Trockener Asphalt streut Licht in alle Richtungen — man nennt das diffuse Reflexion. Die raue Oberfläche schickt jeden einfallenden Strahl in einen anderen Austrittswinkel. Nasser Asphalt hingegen trägt eine dünne, ebene Wasserschicht. Diese Schicht verhält sich geometrisch wie ein flacher Spiegel und liefert spekulare Reflexion, bei der Einfallswinkel und Ausfallswinkel gleich sind.

Das relevante Prinzip steht in jedem Optik-Lehrbuch: der Fresnelsche Reflexionskoeffizient — ein Maß für den Anteil des zurückgeworfenen Lichts an einer Grenzfläche — steigt mit flacher werdendem Einfallswinkel steil an. Bei sehr schrägem Einfall kann eine Wasser-Luft-Grenzfläche 50 bis 70 % des Lichts reflektieren; bei senkrechtem Blick sind es nur rund 2 %. Ich stand schräg genug, um in den hohen Reflexionsbereich zu fallen. Soweit ist das gesicherte Theorie.

Auf dem Weg ins Büro heute Morgen, kurz nach neun — der Asphalt der Langstraße noch feucht vom gestrigen Regen, aber die Sonne schon kräftig genug. Über dem schwarzen Belag flimmerte es: diese zitternde Schicht, die Fußgänger weiter hinten kurz auflöst und wieder zusammensetzt, als wäre die Luft selbst unscharf.

Die Frage formulierte sich von selbst: Was sehe ich da genau, und warum tritt es über dunklen Flächen auf?

Beobachtete Tatsache. Dunkler Asphalt absorbiert solare Einstrahlung deutlich effizienter als helle Flächen — Albedo grob 0,05 gegenüber ca. 0,20 für hellgrauen Beton. Bei direkter Einstrahlung von vielleicht 700 Watt pro Quadratmeter, so die Größenordnung an einem klaren Junimorgen, erwärmt sich die Oberfläche auf 50–60 °C oder mehr.

Heute Nachmittag am Zürichsee, Richtung Mythenquai. Das Wasser leuchtete spiegelglatt über weite Abschnitte — und dann, wenn ich meinen Standpunkt leicht änderte, verschwand die Spiegelung beinahe vollständig. Ich kannte das Phänomen dem Namen nach. Aber kannte ich es wirklich?

Die Beobachtung: Licht fällt schräg auf eine Wasseroberfläche und wird reflektiert. Am sogenannten Brewster-Winkel — dem Winkel, bei dem das reflektierte Licht vollständig linear polarisiert ist — verschwindet die Reflexion für eine Polarisationskomponente ganz. Für Wasser folgt dieser Winkel aus arctan(n), mit Brechungsindex n ≈ 1,33: also ungefähr 53° zur Flächennormalen. Das ist Standardphysik.

Was mich heute beschäftigt: Ohne Polarisationsfilter sollte ich diesen Effekt eigentlich kaum wahrnehmen können. Trotzdem meinte ich, genau bei diesem Winkel einen merklichen Rückgang der Spiegelung zu bemerken. Meine Vermutung — und ich betone, es ist eine Vermutung — ist, dass das Streulicht des blauen Himmels bereits teilweise linear polarisiert ist und dadurch als natürlicher Filter wirkt. Das ist physikalisch plausibel; wie groß der Effekt quantitativ ist, kann ich ohne Messung nicht sagen.

Heute morgen hörte ich in der Straßenbahn, wie jemand zu einem Kind sagte: „Spiegel drehen alles um – links wird rechts." Das Mädchen nickte verwirrt. Dieser klassische Irrtum begegnet mir immer wieder, und jedes Mal denke ich: Wie erkläre ich das besser?

Ein Spiegel dreht nichts um. Er kehrt die Tiefe um, genau genommen die Achse, die senkrecht zu seiner Oberfläche verläuft. Wenn du vor einem Spiegel stehst, bleibt oben oben und links bleibt links – aus deiner Perspektive. Was sich ändert, ist die Richtung zwischen vorne und hinten. Dein Spiegelbild zeigt nicht nach rechts, sondern durch dich hindurch, als wäre die Welt hinter der Spiegelfläche eine Kopie der realen Welt, nur nach hinten verschoben.

Stell dir vor, du legst ein durchsichtiges Blatt mit einem Buchstaben „R" vor den Spiegel. Im Spiegel erscheint der Buchstabe gespiegelt, weil die Vorderseite des Blattes jetzt „hinter" der Spiegelfläche liegt. Die Vorstellung von „links-rechts" ist unsere menschliche Interpretation. Wir stellen uns vor, dass das Spiegelbild eine Person ist, die uns gegenübersteht – und relativ zu dieser imaginären Person sind die Seiten vertauscht.