5. – 13. Schuljahr

Hans Joachim Schlichting

Lichtschwerter auf dem Wasser und anderswo

„Der Reflex auf dem Meer entsteht, wenn die Sonne sich neigt: Vom Horizont her schiebt sich ein blendender Fleck zum Ufer, ein Streifen aus tanzenden Glitzerpunkten; dazwischen verdunkelt das Mattblau des Meeres sein Netz , und der Sonnenreflex auf dem Meer wird ein schimmerndes Schwert, das sich vom Horizont heran bis zu ihm erstreckt Während die Sonne tiefer sinkt, färbt der Reflex sich von schimmerndem Weiß zu kupfergoldenem Rot. Und wohin Herr Palomar sich auch wendet, stets ist er selber die Spitze des schlanken Dreiecks. Das Schwert folgt ihm und deutet auf ihn wie ein Uhrzeiger mit der Sonne als Zapfen ([1], S. 18).
So beschreibt der Schriftsteller Calvino das bei tiefstehender Sonne auftretende Naturphänomen, das wohl jeder bereits gesehen und vielleicht sogar am Meer erlebt hat (s. Abb. 1 ). Physikalisch hat man es mit einer interessanten Wechselwirkung des Sonnenlichts mit dem welligen Wasser zu tun. Dabei wird die physikalische Intuition insbesondere dadurch herausgefordert, dass die Lichtflexion auf einen so schmalen und langgestreckten Bereich beschränkt ist, und auch dadurch verblüfft, dass sie immer auf den Beobachter gerichtet bleibt und wie Calvino eindrucksvoll beschreibt mit diesem mitgeht.
Wellenflanken als geneigte Spiegel
Eine unbewegte Wasseroberfläche reflektiert das Licht der Sonne wie ein liegender ebener Spiegel. Das Spiegelbild der Sonne scheint dann dem Reflexionsgesetz entsprechend genau an einer durch die Position von Sonne und Beobachter bestimmten Stelle aus den Tiefen des Wassers heraus zu leuchten. Bereits eine geringe Welligkeit der Wasseroberfläche lässt das Bild der Sonne in eine mehr oder weniger lange Lichtbahn entarten. Man sieht jetzt statt eines einzigen viele Sonnenreflexe. Denn jede Wellenflanke stellt ein eigenes Spiegelelement dar, und wenn sie vom Licht getroffen wird, reflektiert sie das Licht der jeweiligen Neigung entsprechend in eine bestimmte Richtung.
Bei einer ungeordneten Verteilung sehr vieler Wellenflanken wird ein von einer bestimmten Position aus auf die Wasseroberfläche blickender Beobachter gleichzeitig Licht von vielen Wellen empfangen, die zufällig die passende Neigung aufweisen. Doch warum kommt dabei das reflektierte Licht aus einem mehr oder weniger eng begrenzten Bereich, der die Form eines Schwerts aufweist (vgl. [2] und [3])?
Experimenteller Zugang zur Lichtbahn
Mithilfe einer Lampe, die in einer bestimmten Höhe über einer ebenen Fläche angebracht wird, lässt sich die Form einer solchen Lichtbahn leicht untersuchen (s. Abb. 2 ). Blickt man durch ein ebenfalls in einer bestimmten Höhe angebrachtes Visierloch auf die beleuchtete Fläche, so kann man mit einem kleinen Spiegel zunächst den Ursprung P der Lichtbahn markieren. Darunter verstehen wir den Punkt auf der Verbindungslinie zwischen den Fußpunkten von Beobachter und Lampe, in dem das Spiegelbild der Lampe im flach auf der Unterlage liegenden Spiegel gesehen wird. Um sich einen Überblick darüber zu verschaffen, welche Neigung eine Welle in einer bestimmten Entfernung vom Ursprung auf der Verbindungslinie der Fußpunkte von L und B haben müsste, wird der Spiegel an dieser Stelle so geneigt, dass man das Spiegelbild der Lampe in ihm sehen kann. [2]
Die maximale Neigung, die dabei auftreten kann, ist durch die Stärke des Wellengangs gegeben. Dadurch werden der Anfangs- und Endpunkt und damit die Länge der Lichtbahn bestimmt.
Um auf analoge Weise die Breite der Bahn abzutasten, verschiebt man den Spiegel von der Verbindungslinie ausgehend zu den Seiten und neigt ihn, bis der Maximalwinkel der Wellen erreicht ist. Da das Licht von Punkten seitlich der Verbindungslinie nicht nur von unten nach oben, sondern auch von links nach rechts oder umgekehrt reflektiert werden muss, um ins Auge zu gelangen, ist bei gleichem Abstand eine stärkere Neigung erforderlich als nur in Längsrichtung. Als Form...

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