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Schlichting!: Schneeflocken in Licht und Schatten

Wenn bei Windstille Schneeflocken fallen, erzeugen sie faszinierende Spiele von Hell und Dunkel. Im Lichtkegel einer Straßenlaterne etwa laufen ihre Schatten auf dem kreisförmig erleuchteten Boden von außen nach innen.
Eine nächtliche Straßenszene mit starkem Schneefall. Mehrere Straßenlaternen beleuchten die schneebedeckte Straße, während die Schneeflocken im Licht sichtbar sind. Die Umgebung ist dunkel, und die Straße wirkt verlassen.
Das nächtliche Schneetreiben in den Lichtkegeln von Straßenlaternen kann zu einigen physikalischen Beobachtungen hinreißen.
Hinter zahlreichen alltäglichen Dingen versteckt sich verblüffende Physik. Seit vielen Jahren spürt H. Joachim Schlichting diesen Phänomenen nach und erklärt sie in seiner Kolumne. Schlichting ist Professor für Physik-Didaktik und arbeitete bis zur Emeritierung an der Universität Münster. Alle seine Beiträge finden sich auf dieser Seite.

Endlich schneit es mal wieder! Offenbar hat der Schnee die Sonne überrascht, denn sie ist noch durch die üppig fallenden Schneeflocken zu sehen. Die Welt erscheint plötzlich in Grautönen: Die Schneeflocken stellen nicht nur ihr angestammtes Weiß zur Schau, sondern sehen mitunter nahezu schwarz aus.

Da die Schneeflocken alle demselben Himmelslicht ausgesetzt sind und es in gleicher Weise streuen, müssten jedoch sämtliche Flocken gleich hell oder gleich dunkel sein. Der vermeintliche Unterschied kann daher nur das Ergebnis einer optischen Täuschung sein.

Dass dem so ist, davon kann man sich anhand eines Fotos des Geschehens leicht überzeugen. Dazu muss man den jeweiligen Hintergrund ausblenden, indem man die entsprechenden Teile auf dem Foto abdeckt. Man kann auch in einem Bildbearbeitungsgramm eine helle Flocke vor dunklem Hintergrund herauskopieren und vor den hellen Hintergrund verschieben.

Dann stellt man fest, dass der scheinbare Helligkeitsunterschied verschwindet. Erst der Kontext macht den Text; diese Weisheit bestätigt sich hier einmal mehr eindrucksvoll.

Täuschung in Grautönen | Je nachdem, ob die Schneeflocken vor dem hellen Himmel oder dem dunklen Boden erscheinen, wirken sie dunkel oder hell.

Die weißen Schneeflocken absorbieren im Unterschied zur übrigen Landschaft wenig vom einfallenden Licht und reflektieren einen Großteil. Deshalb sind sie heller als dieser Hintergrund – aber dunkler als der Himmel. Von diesem bekommen sie den wesentlichen Teil des Lichts, jedenfalls sofern man wie hier entgegen der leicht bedeckten Sonne blickt.

Das Beispiel zeigt, dass optische Täuschungen nicht unbedingt künstlich hergestellt werden müssen. Auch die Natur kann uns narren.

Künstlerisch geschaffene Illusionen, die auf dem Prinzip basieren, gibt es reichlich. Eine einfache Variante ist ein einheitlich grauer Streifen vor einem Hintergrund, dessen Helligkeit von Schwarz nach Weiß variiert. Genau derselbe Effekt lässt die Schneeflocken in unterschiedlichen Grautönen erscheinen.

Wechselhafte Wahrnehmung | Blendet man den Hintergrund aus, so erkennt man, dass der mittlere Streifen von einem einheitlichen Grau ist.

Dieser Täuschung glaubte ich eines Tages zu erliegen, als ich bei regem Schneefall an einer Bushaltestelle unter einer Straßenlaterne auf den nächsten Bus wartete. Beim Blick auf den Boden meinte ich, lebhaft bewegte dunkle Flocken zu sehen. Bei näherem Hinsehen zeigte sich, dass die vermeintlichen Flocken nicht nur dunkel waren. Sie schienen außerdem wie Tierchen zu krabbeln: über den von der Laterne kreisförmig erleuchteten Boden vom Rand her kommend, schwankend, aber stets in Richtung Zentrum. Dabei wurden sie langsamer und verschwanden früher oder später auf eine geheimnisvolle Weise spurlos.

Natürlich dachte ich daran, Schneeflocken zu sehen. Das dunkle Erscheinungsbild irritierte mich zunächst weniger, weil ich mir ja schon am helllichten Tag die Farbwechsel von Schneeflocken klargemacht hatte. Aber die einheitlich nach innen gerichtete, leicht torkelnde Bewegung über den Boden blieb zunächst rätselhaft. Bis ich feststellte, dass das, was da an dunklen Wesen über den Boden krauchte, weitgehend immateriell war.

Als ich nämlich meine Hand dicht über dem Boden mit der Bewegung mitführte und die immateriellen Wesen gewissermaßen in Händen hielt, stelle ich fest: Ich hatte es mit den Schatten einzelner Flocken zu tun. Erst im letzten Moment ihres Verschwindens materialisierten sie sich in meiner flachen Hand zu realen Exemplaren.

Nach der ersten Verblüffung erschien das Geschehen plötzlich sehr einleuchtend. Die horizontale Bewegung der Schatten wird verständlich, wenn man sich den Lichtkegel als zusammengesetzt denkt – aus Lichtstrahlen, die schräg von der Lampe ausgehen.

Lichtkegel unter einer Laterne | Die Linien deuten divergierende Lichtstrahlen an, die von einer Lampe ausgehen. Eine Flocke tritt von oben in den Lichtkegel ein. Ihr Schatten erscheint am äußeren Rand des beleuchteten Lichtkreises auf dem Boden und läuft nach innen.

Sinkt eine Schneeflocke senkrecht vom Himmel herab und tritt von oben in den Lichtkegel ein, so erscheint ihr Schatten am äußeren Rand des kreisförmig erhellten Bodens. Während sie sich weiter dem Straßenbelag nähert, gerät sie in zentraler liegende Lichtstrahlen. Dadurch läuft ihr Schatten nach innen. Das Herabtorkeln der Schneeflocken wird durch ein schwankendes Krabbeln ihrer Schatten über den Boden abgebildet.

»Wie viel Stunden habe ich damit verbracht, den Spiralbahnen des fallenden Schnees im fahlen Licht der Straßenbeleuchtung zuzusehen«Anita Albus, deutsche Schriftstellerin

Wenn dann die Flocken den Boden erreichen, treffen sie mit ihrem eigenen Schatten zusammen und lassen ihn – und letztlich auch sich selbst – verschwinden. Das ist der Moment, in dem ich die Schneeflocke auf meiner Hand fühlte, die ich dem Schatten nachführte.

Da etliche Flocken über den ganzen Lichtkegelmantel verteilt ins Licht rieseln, laufen gleichzeitig viele Schatten an verschiedenen Stellen – weit außen beginnend, mehr oder weniger weit in Richtung Fußpunkt der Laterne. Ich war so fasziniert von diesem Schauspiel, dass ich fast enttäuscht war, als der Bus schließlich eintraf.

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