#Wissenschaftsnotizen

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.

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.

Im Tram zur Arbeit, Linie 9, kurz nach halb acht. Draußen bedeckt, laut Handy-App 14 Grad. Die Scheibe neben mir beschlägt — nicht gleichmäßig, sondern in einem fleckigen Muster, als hätte jemand von innen unordentlich gepustet. Ich lehne mich leicht vor.

Die Frage, die sich sofort stellt: Warum genau hier, warum genau jetzt?

Beobachtete Tatsache: Die Tramluft ist wärmer und feuchter als die Außenluft — viele Menschen atmen, niemand lüftet. Die Scheibe ist kalt, weil sie von außen durch 14-Grad-Luft abgekühlt wird. Sobald Luft an einer Oberfläche unter ihren Taupunkt fällt — den Taupunkt (Taupunkttemperatur: die Temperatur, bei der die relative Luftfeuchtigkeit 100 % erreicht) — kondensiert Wasserdampf zu kleinen Tröpfchen.

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 im Tram, Linie 7, kurz nach acht. Draußen leichter Regen, die Scheibe neben mir übersät mit kleinen Tropfen. Die meisten ruhten fast still, kaum einen Millimeter groß. Dann berührten sich zwei – und sofort liefen sie zusammen, rollten nach unten, sammelten weitere ein, wurden schneller. Ich musste innehalten.

Die Frage: warum laufen Tropfen zusammen, und warum warten sie erst so lange?

Das zentrale Prinzip ist die Oberflächenspannung – die Tendenz einer Flüssigkeit, ihre freie Oberfläche zu minimieren. Für Wasser bei Raumtemperatur beträgt sie etwa 72 mN/m (ein Lehrbuchswert). Wenn zwei Tropfen sich berühren, ist ein gemeinsamer größerer energetisch günstiger: eine Kugel hat weniger Oberfläche pro Volumen als zwei kleinere. Der Zusammenfluss ist daher zwingend und passiert quasi instantan.

Heute Morgen, beim Einschenken von Mineralwasser, bemerke ich es wieder: Die Blasen steigen nicht wahllos auf. Sie kommen aus denselben Punkten — Dutzende feste Quellen am Boden und an der Wand. Ich starre einen Moment hin. Warum genau dort?

Beobachtete Tatsache: Das Glas sieht glatt aus, ist es aber auf kleiner Skala nicht. Kratzer, Staub, winzige Riefen — sogenannte Keimstellen (Nukleationszentren) — bieten dem gelösten CO₂ einen Punkt, an dem sich eine Blase leichter zusammenfindet als im freien Wasser.

Das relevante Prinzip: Damit Gas als neue Phase entstehen kann, muss eine Grenzfläche gebildet werden. Das kostet Energie; die Oberflächenspannung von Wasser liegt in der Größenordnung von 70 mN/m. An einer Unebenheit ist diese Barriere kleiner, weil die Grenzfläche dort nicht neu entstehen muss. Das steht in Thermodynamik-Lehrbüchern.

Heute Morgen am Küchenfenster, während das Wasser durch den Filterkaffee lief, sah ich, wie sich die kleinen Wirbel im Trichter im Uhrzeigersinn drehten. Ein Kollege hatte letzte Woche behauptet, das sei kein Zufall: auf der Nordhalbkugel müsse sich alles im Uhrzeigersinn drehen — wegen der Corioliskraft. Ich habe nicht direkt widersprochen, aber die Frage hat mich den ganzen Tag nicht losgelassen.

Beobachtete Tatsache: Ich habe heute dreimal hintereinander Kaffee eingegossen und dabei die Eingussrichtung bewusst leicht variiert. Mal drehte sich der Kaffee im Uhrzeigersinn, mal dagegen — je nachdem, welchen kleinen Drall meine Hand mitgegeben hatte. Die Richtung ist also nicht stabil; sie hängt von den Anfangsbedingungen ab.

Weithin akzeptierte Theorie: Die Corioliskraft ist eine Scheinkraft im rotierenden Bezugssystem der Erde. Auf 47° Breite (Zürich) beträgt der Coriolisparameter f ungefähr 10⁻⁴ s⁻¹. Die dadurch erzeugte Querbeschleunigung auf eine Strömung ist f × v, wobei v die Strömungsgeschwindigkeit ist.