Warum funkeln die Sterne?

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Wer in einer klaren Nacht einmal den Sternenhimmel betrachtet hat, dem wird aufgefallen sein, dass die Sterne nicht starr leuchten, sondern zu funkeln scheinen, besonders, wenn sie in Horizontnähe stehen, ja sehr helle Sterne sogar die Farbe wechseln.Diesem Phänomen wollen wir einmal auf den Grund gehen.

Genau wie für die geröteten Auf- und Untergänge von Sonne und Mond, so ist auch hier die Erdatmosphäre verantwortlich. Die ist nämlich nie gleichmäßig temperiert. Ständig findet ein Austausch zwischen warmen und kalten Luftmassen statt. An der Grenzschicht zwischen warmen und kalten Luftmassen findet aber stets eine Lichtbrechung statt, vor allem dann, wenn das Licht in einem sehr flachen Winkel auf diese Grenzschichten fällt. Nun sind diese Grenzschichten nicht starr, sondern bewegen sich ständig, so dass sich auch der Brechungswinkel ständig ändert, und das führt dazu, dass die Sterne zu funkeln scheinen. Bei sehr hellen Sternen ist sogar ein ständiger leichter Farbwechsel zu beobachten, besonders, wenn sie in Horizontnähe stehen. Das kommt daher, weil verschieden farbiges Licht unterschiedlich stark gebrochen wird, deswegen wird das weiße Sternenlicht bei Passieren der bewegten Grenzschicht zwischen unterschiedlich temperierten Luftmassen auch noch in seine Grundfarben zerlegt, was den ständigen Farbwechsel erklärt.
Bei dem äußerst seltenen Ereignis einer totalen Sonnenfinsternis kann man sogar die Schattenbilder dieser Luftschlieren sehen, und zwar kurz vor und kurz nach der Totalität, wenn von der Sonne nur noch oder schon eine extrem schmale Sonnensichel oder gar nur ein Punkt zu sehen ist. Die Ursache dieser sogenannten "Fliegenden Schatten" ist die selbe die auch für das Funkeln der Sterne verantwortlich ist, unterschiedlich temperierte Luftmassen treffen aufeinander, brechen das Licht und erzeugen so bewegte Schlieren in der Luft. Das unten stehende Video veranschaulicht die Vorgänge in der Atmosphäre durch zwei Versuche.

Was sind Polarlichter und wie entstehen sie?

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Es sind ohne Zweifel prachtvolle Phänomene, die der Himmelsbeobachter in hohen geographischen Breiten gar nicht so selten zu sehen bekommt, das Nord- oder Polarlicht. In der Antarktis heißen sie Südlichter. Was das für seltsame Erscheinungen sind, und wie sie entstehen, dieser Frage wollen wir einmal nachgehen.

Zwei Komponenten spielen bei der Entstehung von Polarlichtern eine Rolle, zum einen die Sonne, zum anderen das Magnetfeld der Erde. Dessen Pole befinden sich in der Nähe der geographischen Pole.
Wie der Name schon sagt, treten Polarlichter bevorzugt in hohen geographischen Breiten auf, in Mitteleuropa   aber extrem selten.
Die Sonne sendet ständig einen Strom elektrisch geladener Teilchen aus, den sogenannten Sonnenwind. Und dem ist auch die Erde ständig ausgesetzt. Das Magnetfeld verhindert aber, dass die von der Sonne ausgehenden Elektronen und Protonen direkt auf die Erdatmosphäre treffen. Vielmehr werden sie vom irdischen Magnetfeld zunächst eingefangen und verbleiben eine Weile im sogenannten "van Allen Gürtel", einem Strahlungsgürtel, der nach dem besagten Wissenschaftler benannt ist. In diesem Strahlungsgürtel verbleiben die Teilchen aber nicht ewig, weil die Sonne ständig Nachschub liefert, vor allem dann, wenn es zu sogenannten "Sonnenstürmen" kommt, heftigen Sonneneruptionen, bei denen besonders viele Teilchen ausgestoßen werden. Dabei wird das irdische Magnetfeld regelrecht durchgeschüttelt, man spricht vom sogenannten "geomagnetischen Sturm". Bewegen sich die Magnetfeldlinien, so werden die im Strahlungsgürtel vorhandenen Elektronen und Protonen in Richtung der magnetischen Pole beschleunigt, der Strahlungsgürtel wird regelrecht "ausgeschüttelt". In der Nähe der geomagnetischen Pole treffen die Teilchen schließlich in 80- 200 km Höhe auf die Luftmoleküle der obersten Atmosphäreschichten. Die werden dabei ionisiert und zum Leuchten angeregt, und das ist das, was wir als Polarlicht sehen. Dieses hat eine typische Struktur senkrechter Streifen, die sind nichts anderes als die Feldlinien des Erdmagnetfeldes. Die Farben des Polarlichts reichen von rot über gelbgrün bis hin zu blauviolett, strahlt aber mitunter auch silbrigweiß. Es können mehr oder weniger heftige Bewegungen auftreten, oft laufen dabei Wellen von Licht die senkrechten Strahlenbündel hinauf, weil sich die magnetischen Feldlinien beim Eintreffen Wolke aus geladenen Teilchen bewegen.
In Mitteleuropa treten auffällige Polarlichter extrem selten auf, und meist nur dann, wenn gerade eine hohe Sonnenaktivität herrscht und eine extrem starke Sonneneruption stattgefunden hat, die genau auf die Erde gerichtet war.
Nachfolgend ein paar Bilder von Polarlichtern, die ich im Januar 1990 in Abisko, Nordschweden aufgenommen habe.
Dazu ein Video, in dem ich das Phänomen des Polarlichts anhand einer Zeichnung erkläre, ferner zeigt es ein künstliches Polarlicht, eine Plasmaentladung in verdünnter Luft in einem Glasgefäß.

Die Bilder oben von Polarlichtern habe ich im Januar 1990 in Abisko, Nordschweden aufgenommen.

Wie erkennt man Falschgeld?

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Zu allen Zeiten haben Kriminelle versucht, Zahlungsmittel wie Geldscheine, Wertpapiere, aber auch andere Dokumente, wie z.B. Ausweise, Pässe, usw., zu fälschen. Um das zu verhindern, wurde die Produktion von Geldscheinen und Dokumenten immer ausgefeilter. Sie findet heute unter höchsten Sicherheitsstandarts statt. Zur Fälschungssicherheit macht man sich der verschiedensten physikalischen Phänomene zunutze.

In die Geldscheine wird zunächst ein Wasserzeichen und der sogenannte Sicherheitsfaden eingearbeitet. Wie das gemacht wird, ist streng geheim und nur wenigen eingeweihten Personen bekannt. Im Gegenlicht lassen sich diese Merkmale aber leicht erkennen.
Ein weiteres Echtheitsmerkmal ist das sogenannte Hologramm, ein dreidimensionales Bild, das Licht so reflektiert, dass die abgebildeten Objekte in allen Regenbogenfarben schillern, wobei sich die Farbe je nach Einfallswinkel des Lichtes ändert. Es ist unmöglich, diese beschriebenen Sicherheitsmerkmale zu kopieren. Wie die Hologramme hergestellt werden, ist ebenfalls geheim.
Als Drittes macht man sich die Eigenschaft gewisser Substanzen zunutze, unsichtbares kurzwelliges ultraviolettes Licht in sichtbares Licht umzuwandeln, kurz, zu fluoreszieren. In das Papier, aus dem die Geldscheine hergestellt werden, sind kleine Fädchen eingearbeitet, die diese Eigenschaft besitzen und nur unter ultraviolettem Licht sichtbar werden. Weitere Sicherheitsmerkmale sind mit einem Farbstoff aufgedruckt, der ebenfalls nur unter ultraviolettem Licht zu sehen ist.
Auf die selbe Art und Weise werden übrigens auch andere Dokumente wie Reisepässe, Personalausweise, fälschungssicher gemacht.
Eine Leuchtstofflampe, die ultraviolettes Licht erzeugt, eine sogenannte "Schwarzlichtlampe" ist in einem Elektrogeschäft leicht zu beschaffen, ebenso über das Internet. Mit ihr lassen sich neben der Echtheitsprüfung von Geldscheinen und Dokumenten auch wunderschöne Experimente und Lichteffekte mit fluoreszierenden Stoffen machen, nicht umsonst werden sie deshalb schon seit Jahrzehnten in Diskotheken eingesetzt, um dort Lichteffekte zu erzeugen, schon alleine deshalb sind sie relativ leicht zu beschaffen.
Das unten stehende Video führt noch einmal alle beschriebenen Effekte vor.

Wie entstehen Kondensstreifen?

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Sehr häufig sehen wir neben den klaasischen Wolkenformen solche, die sich als mehr oder weniger breiten Streifen quer über den ganzen Himmel erstrecken. Es handelt sich dabei um sogenannte Kondensstreifen. Wie aber kommt es zu der Bildung dieser geraden Wolkenstreifen? Dieser Frage wollen wir hier einmal nachgehen.

Die Erzeuger dieser sogenannten Kondensstreifen sind Verkehrsflugzeuge, die durchweg mit Düsentriebwerken angetrieben werden. In den Flugzeugturbinen wird Kerosin verbrannt, ein Mineralölprodukt von sehr geringer Dichte, es gehört chemisch zu den sogenannten Kohlenwasserstoffen.
Bei der Verbrennung entsteht zum einen Kohlendioxid, zum anderen große Mengen Wasserdampf, die nach hinten aus den Düsen ausgestoßen werden. Der Wasserdampf ist dabei der Auslöser für die Entstehung der Kondensstreifen. Da sich die Verkehrsflugzeuge in Höhen zwischen 10 und 12 km bewegen und es in diesen Höhen teilweise unter minus 50°C kalt ist, kondensiert dieser Wasserdampf sofort nach dem Austritt aus der Düse zu Eiskristallen, und das bildet den Kondensstreifen. Ist die Luft in der Flughöhe sehr trocken, so löst sich der Streifen sehr bald wieder auf, die Eiskristalle verdampfen (sublimieren wieder). Ist die Luft aber sehr feucht (nahe dem sogenannten Taupunkt), so bleiben die Kondensstreifen bestehen, wobei sie sich in der Breite ausdehnen. Oft ist dann der ganze Himmel mit diesen Streifen überzogen, obwohl sonst der Himmel eigentlich klar wäre. Das ist aber schon ein Anzeichen dafür, dass eine Schlechtwetterfront sich nähert und ein Wetterumschlag bevorsteht. Sind dagegen keine Kondensstreifen zu sehen, oder lösen sich die Vorhandenen sofort nach der Entstehung wieder auf, so ist die Luft in großer Höhe trocken, und man kann von einer einigermaßen beständigen Wetterlage in den nächsten ein bis zwei Tagen ausgehen.
Die Frage ist, ob sich die Kondensstreifen auf das Wetter und Klima auswirken. Sicher ist, dass hohe Schleierwolken temperaturausgleichend wirken, sie mindern tagsüber die Sonneneinstrahlung und nachts die Wärmeabstrahlung in den Weltraum. Als nach den Terroranschlägen am 11. September 2001 in Amerika der Luftverkehr vorübergehend eingestellt wurde, registrierten die dortigen Wetterstationen einen deutlich höheren Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht. Weil die Kondensstreifen fehlten, konnte mehr Sonnenlicht einstrahlen, was zu einer höheren Tagestemperatur führte. Nachts hingegen wurde es kälter, als sonst, da die Wärmeabstrahlung in den Weltraum nicht durch die Kondensstreifen gemindert wurde.

Hier "zieren" einzig und allein Kondensstreifen den Himmel. Ohne den Luftverkehr wäre der Himmel noch absolut wolkenlos. Das zeigt aber eine zunehmende Luftfeuchtigkeit in großer Höhe - und damit einen baldigen Wetterumschwung an.



Dieses Video zeigt sehr schön, wie ein Kondensstreifen hinter einem Düsenflugzeug entsteht.

Der Golfstrom macht den Winter mild

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Oft ist der Winter bei uns nicht so, wie ihn sich die Wintersportler wünschen. Oft fällt er recht mild mit wenig frost und Schnee aus, dafür aber mit reichlich Sturm. In anderen gegenden auf der Erde, die in den selben Breitengraden liegen wie Mitteleuropa, z.B. Kanada oder Sibirien, ist es im Winter erheblich kälter. Von der geographischen Lage her gesehen, müsste es in Deutschland und Großbritannien in der Tat erheblich kälter sein. Was macht den Winter gerade in Mittel- und Westeuropa relativ mild - dieser Frage wollen wir einmal nachgehen.

Ursache für die relativ milden Winter ist der sogenannte Golfstrom - eine warme Meeresströmung aus der Karibik. Eine Ursache dafür sind die tropischen Passatwinde in der Äquatorregion, die das Wasser im äquatorialen Bereich des Atlantiks von Afrika gegen die Nordostküste Südamerikas drücken, dort umlenken an der Küste Mittelamerikas entlang durch den Golf vom Mexiko und die Karibik, wo die Strömung in Richtung Nordosten - und damit nach Europa umgelenkt wird.
Doch das alleine recht noch nicht aus - der eigentliche Motor des Golfstromes liegt im arktischen Bereich des Nordatlantiks. Hier spielt der Salzgehalt des Atlantikwassers eine Schlüsselrolle. Frieren nämlich der Nordatlantik und das nördliche Eismeer im Winter zu, so wird das Meersalz nämlich nicht ins Eis mit eingelagert - das Eis besteht komplett aus Süßwasser. Vielmehr wird das Meersalz ausgeschieden, wobei der Salzgehalt unter der Eisdecke stark zunimmt. Je salzhaltiger aber das Wasser, umso dichter und schwerer wird es aber. Das führt dazu, dass salzhaltiges Wasser auf den Grund des Nordatlantiks absinkt, während an der Oberfläche Wasser aus Süden nach fließt. Das stark salzhaltige Wasser am Grunde des Atlantiks hingegen fließt nach Süden in Richtung Karibik, was viele Jahrzehnte dauert. So kann selbst das kurze sommerliche Auftauen des arktischen Eises den so entstehenden Meeresstrom nicht stoppen, dafür ist die Auftauphase zu kurz. An der Oberfläche fließt hingegen warmes Wasser nach Nordosten, und da warmes Wasser viel Feuchtigkeit an die Luft abgibt, ist das Wetter bei uns so oft unbeständig und regnerisch - aber eben relativ mild für unsere Breiten.
Bei der Wasserverdunstung über dem Atlantik bleibt das Meersalz in Ozean zurück, daher steigt der Salzgehalt auf dem Wege nach Norden wieder an. So wird auch wieder Meersalz in die arktischen Meeresregionen transportiert, welches sich mit dem Süßwasser der im Sommer schmelzenden Eisdecke mischt, so dass im Winter der Prozess von neuem beginnt. Sorge macht den Wissenschaftlern allerdings die zunehmende Eisschmelze im Sommer, bedingt durch die Klimaerwärmung. Im Sommer 2012 ist so viel Eis abgeschmolzen, wie noch nie zuvor beobachtet worden ist. Zuviel Süßwasser würde aber den Salzgehalt so stark mindern, dass beim winterlichen Ausfrieren weit weniger Salz ausgeschieden wird, als normal - der Golfstrom könnte sich so stark abschwächen, oder sogar ganz zum Erliegen kommen. So paradox es klingen mag, aber die Erwärmung der Arktis könnte dadurch dazu führen, dass es in einigen Regionen der Erde - auch bei uns - zumindest vorübergehend - sogar kälter wird. Mal ganz abgesehen von dem steigenden Meeresspiegel, der zu Überschwemmungen bis hin zur Unbewohnbarkeit in tiefliegenden Regionen, wie z.B. der Nordseeküste führen könnte.

Das Bild zeigt deutlich, dass Salzwasser dichter und schwerer ist, als Süßwasser, und deshalb nach unten sinkt.



In diesem Video erkläre ich den Golfstrom und veranschauliche die physikalischen Vorgänge durch ein Experiment.

Wie entsteht Schnee?

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Zu einem zünftigen Winter gehört natürlich ordentlich Schnee. Vor allem für die Weihnachtszeit wünschen wir uns das. Aber auch für Wintersportarten wie Skilaufen, Rodeln und Snowboardfahren ist er unverzichtbar. Aber wie entsteht eigentlich Schnee? Das wollen wir uns einmal näher betrachten.

Salopp gesagt entsteht Schnee, wenn Wasserdampf in unserer Atmosphäre unter Umgehung des flüssigen Zustandes zu Eiskristallen gefriert. Das ist immer dann der Fall, wenn der sogenannte Taupunkt, das ist die Temperatur, bei der der Wasserdampf kondensiert, unter dem Gefrierpunkt liegt. Normalerweise kondensiert der Wasserdampf zu feinen Tröpfchen (Nebel). Liegt die Temperatur jedoch unter dem Gefrierpunkt, so kondensiert der Wasserdampf direkt zu Eiskristallen. Die haben stets eine sechseckige Form. Es können sechseckige Plättchen, Nadeln, meist aber wunderschöne sechszackige Eissterne sein, wobei sich entlang den sechs Zacken oft noch weitere Eisnadeln anlagern. Welche Formen sich ausbilden, hängt in erster Linie von der Temperatur ab, bei der sie sich bilden, aber auch von den sogenannten Kondensationskeimen, Aerosole, Staubpartikel, an denen sich die Eiskristalle anlagern. Schneeflocken entstehen, wenn die Temperatur nur knapp unter null Grad liegt, und die Eissterne ineinander verhaken und verklumpen. Daher treten die größten Schneeflocken nicht in den Polarregionen, sondern in gemäßigten Breiten auf - bei Temperaturen um null Grad. Je kälter es ist, umso feiner ist der Schnee - bis hin zu feinem sogenannten "Diamantstaub", der meist in den Polargebieten auftritt. Das ist nichts anderes als feine Eisnadeln , die entstehen, wenn die filigranen Eissterne zerbrechen. Diese Eisnadeln findet man auch in großer Höhe (8-12 km) in den Cirruswolken. Dort liegt die Temperatur unter minus 50 °C. Die Cirruswolken bestehen komplett aus Eiskristallen. Eiskörner, wie Graupel oder Hagel entstehen, wenn die Schneeflocken in tieferen Luftschichten schmelzen, so zunächst zu Regentropfen werden, dann jedoch in der Schauerwolke wieder in die Höhe gezogen werden, dort wieder gefrieren und eine zusätzliche Eisschicht anlagern. Das Herunterfallen und Wiederaufsteigen mit zunehmender Eisanlagerung wiederholt sich so lange, bis die Hagelkörner zu schwer werden, um noch von den Aufwinden in der Wolke hochgezogen werden zu können.

Dieses Bild zeigt die Schönheit der filigranen Schneekristalle unter dem Mikroskop.

In diesem Video beschreibe ich noch einmal die Entstehung von Schnee - mit faszinierenden Aufnahmen unter dem Mikroskop.

Warum sind Sonnenauf- und -untergänge rötlich?

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Einen farbenprächtigen roten Sonnenauf- oder -untergang zu sehen, gehört zu den schönsten Naturphänomenen überhaupt. Aber warum erscheinen uns die Sonne (und auch der Mond) in Horizontnähe, bei Auf- und Untergang rötlich. Dieser Frage wollen wir in diesem Artikel, unterstützt von einem Video, einmal nachgehen.

Ursache hierfür ist ebenfalls die Erdatmosphäre. Fällt das Sonnenlicht in einem steilen Winkel auf die Erde, so ist sein Weg durch die Erdatmosphäre relativ kurz. Ganz anders ist die Situation, wenn das Licht in sehr flachem Winkel auf die Erde trifft, was bei Sonnenauf- und -untergängen der Fall ist. Dann ist sein Weg durch die Erdatmosphäre erheblich länger, und zwar umso mehr, je flacher der Einfallswinkel ist, wie untenstehende Grafik deutlich macht.

Und noch etwas fällt an der Grafik auf. Fällt das Licht in sehr flachem Winkel auf immer dichter werdende Luftschichten, so wird es gebrochen, wie in einem Prisma, diese Lichtbrechung, man spricht auch von Refraktion, ist umso stärker, je flacher der Einfallswinkel des Lichtes ist, am stärksten ist die Refraktion in den bodennahen Luftschichten. Das führt dazu, dass uns Sonne und Mond in Horizontnähe nicht kreisrund, sondern vertikal abgeplattet erscheinen. Und da die Atmosphäre, wie schon im letzten Artikel beschrieben, den blauen Lichtanteil streut und auch auf dem langen Weg durch die Lufthülle auch den Grünanteil mehr oder weniger stark absorbiert, und nur der Rotanteil die dichten Atmosphäreschichten in Bodennähe mit Dunst am stärksten durchdringt, erscheinen und Sonne und Mond in Horizontnähe mehr oder weniger rötlich, wie auch die von der tiefstehenden Sonne angestrahlten Wolken und Dunstschichten.

Auf diesem Bild vom Mondaufgang sieht man nicht nur die kräftige Rotfärbung des Mondes, sondern auch die durch die Refraktion erzeugte Abplattung der Mondscheibe.

Hier werden hohe Wolken von der untergehenden Sonne farbenprächtig rot angestrahlt.




In diesem Videoclip beschreibe ich die Vorgänge in der Atmosphäre bei Sonnenauf- und -untergang.