Naturphänomene und Anregungen für den Physikunterricht 

Beispiele für Naturphänomene
(es werden anhand von Fotos in unregelmäßigen Abständen besondere Naturphänomene vorgestellt. Das Urheberrecht der hier gezeigten Bilder liegt - falls nicht anders gekennzeichnet - bei W.B. Schneider. Gastbeiträge sind willkommen. Weitere interessante Bilder zu Naturphänomenen findet man auf der Homepage des Arbeitskreises Meteore: http://www.meteoros.de)

Besondere Föhnwolke

Weiter unten wird schon eine Föhnwolke mit den typischen Schichtungen. Hier wird die Ausbildung einer Föhnwole mit nur einer Schicht gezeigt, die die Forma eines "UFOs" zeigt. Die Entstehung und Entwicklung dauerte ca 2 Stunden (14.02.2019 auf der Westseite von la Palma).

Heiligenschein

Der Heiligenschein tritt ähnlich wie die Glorie (siehe weiter unten) als helle Erscheinung um den Schatten einer Person auf. Hier sind es keine Nebeltröpfchen, die für das Auftreten verantwortlich sind, sondern Wassertropfen, die sich auf den Grashalmen befinden. Die Erscheinung ist am besten morgens bei einer betauten Wiese zu sehen, da hier viele Tropfen beitragen können. Die Erscheinung läasst sich mit dem Katzenaugeneffekt deuten. Licht, das von entfernten Gegenständen ausgeht, wird auf der hinteren Tropfenhaut konzentriert, dort wird es zum Teil reflektiert und läuft dann auf  gleichem Weg zum Ausgangspunkt zurück.

In der Situation im unteren Bild hat dies zur Folge, dass mehr Licht aus der Umgebung des Kopfes zurückkommt als aus der weiteren Umgebung, was zu der Aufhellung um den Kopf (Kamera) führt. Der Heiligenschein spielt auch in der Mystik - ähnlich wie die Glorie - eine bedeutende Rolle. Sie wird herangezogen, um die Einzigartigkeit einer Person zu unterstreichen. Einem dicht neben der Person stehenden Beobachter ist es nicht möglich, den Heiligenschein seines Nachbarn zu sehen. Er sieht nur seinen eigenen Heiligenschein. Man kann dies verdeutlichen, wenn man die Kamera zur Seite hält und dann fotografiert. Dann "sieht" die Kamera nur ihren eignen Heiligenschein:

Seltene, gleichtzeitige Beobachtung von Glorie und Regenbogen



 

 

Regenbogen und Glorie treten auf, wenn der Beobachter die Sonne im Rücken hat und der Schatten auf eine "Tropfenwand" trifft. Außerdem muss die Tropfenwand ausreichen ausgedehnt sein, damit man den Regenbogen noch gleichzeitig mit der Glorie sieht. Die Bedingung Schatten des Beobachters auf ausreichend ausgedehnten der Wand sind selten gegeben. Leichter findet man sie vom Flugzeug aus. Das obere Bild zeigt den Schatten des Flugzeugs (des Beobachters) der von einem hellen, kreisrunden Fleck umgeben ist und am Rand den Ausschnitt des Regenbogensystems. Im unteren Bild - aufgenommen mit einer kleineren Brennweite - zeigt mehr vom Regenbogen. Den Schatten des Flugzeugs mit dem weißen Fleck (Glorie) kann man nur noch andeutungsweise erkennen.
Eine bessere Darstellung einer Glorie finde manweiter unten im Beitrag Bugwelle im Wolkenmeer mit Glorie.
Aufnahmen: WB. Schneider, Januar 2015

Geheimnisvoller grüner Strahl kurz vor Sonnenuntergang

Ein relativ seltenes Naturphänomen ist der sogenannte grüne Strahl, den man einige Sekunden vor dem Verschwinden der Sonne unter besonderen Eigenschaften der Atmosphär beobachten kann. Wegen der Seltenheit ranken sich viele Mythen um ihn. Schon Jules Verne hat die Erscheinung in verklärender Weise beschrieben.
Man kann den grünen Strahl am besten am Meer und zwar von einem Standpunkt in etwa Meereshööhe beobachten. Die Atmosphäre sollte möglichst frei von Streuteilchen sein, was oft nach einem Regenguss gegeben ist. Erscheint die Atmosphäre rot, dann ist kaum mit der Erscheinung zu rechnen. Wichtig ist, dass man bewusst danach sucht. Entscheidend ist der kurze Moment kurz vor dem Verschwinden der Sonne unter dem Horizont, der nur einige wenige Sekunden beträgt. Man kann die Erscheinung zufällig sehen, was aber sehr unwahrscheinlcih ist. Auch das Fotografieren ist nicht einfach. Manchmal sieht man auch Wolken grün angestrahlt, die sich etwas oberhalb des grünen Strahls befinden.
Die Deutung erfolgt mit Hilfe der gesicherten Vorstellung, dass die Atmosphäre wie ein Prisma wirkt, so dass beim Verschwinden unter dem Horizont in kurzer Folge  ein isolierter, roter und dann ein grüner Anteil des Sonnenlichts zum Beobachter gelenkt wird. Der kurze Moment vor dem Verschwinden ist für die Beobachtung notwendig, da dann die Sonnensichel so schmal ist, dass sie wie ein Spalt wirkt und zur Trennung der sprektralen Anteile durch das Prisma "Atmosphäre" führt.Weitergehende Informationen findet man in: Michael Vollmer "Luftspiele in der Luft", München 2006.

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Die obere Abbildung zeigt den Moment kurz bevor der Wechsel von rot nach grün im unterren Bild erfolgt.
Aufnahmen: W.B. Schneider, Februar 2013

Geheimnisvoller Bogen bei Sonnenuntergang

Dieser Streulichtbogen wurde im 25. Juli 2012  um 21.03 Uhr - kurz nach Sonnenuntergang - Blickrichtung S-Untergangspunkt - von W. Stadter aufgenommen. Die Erscheinung ist geheimnisvoll. Es ist uns nicht gelungen, die Erscheinung zu deuten. Wir vermuten, dass es sich um eine zufällige Wolkenformation - evtl. Kondensstreifen, der durch Höhenwinde passend verformt wurde - handelt, die diese bogenförmige Streulichverteilung verursachte. Wir sind offen für weitere Deutungsvorschläge.

Roter Regenbogen

Dieses seltene Regenbogenphänomen entsteht, wenn die Regentropfen, die für den Regenbogen verantwortlich sind, nur mit rotem Licht beleuchtet werden. Diese Erscheinung tritt auf, wenn die Sonne sehr tief steht und das Licht der Sonne durch den dann langen Weg durch die Atmosphäre aufgrund der Lichtstreuung nur noch einen im roten liegenden Frequenzanteil enthält.

Bugwelle im Wolkenmeer mit Glorie

Das Bild wurde aus einem Flugzeug aufgenommen, daher die grauen Streifen des Lukenfensters. Die homogene Wolkenschicht driftet hier offensichtlich auf ein Hindernis, das aus der Wolkenschicht heraus ragt. Dies führt zu der Bugwelle und die Wellenanregung nach dem Hindernis. Das analoge Phänomen in Wasser ist unten dargestellt.
Glorien kann man oft von Flugzeugen aus sehen. Man muss nur auf der richtigen Seite sitzen. Sieht man den Schatten des Flugzeugs auf der Wolkenschicht, so ist die Bedingung erfüllt, dass Lichtquelle, Beobachter und Nebelwand in einer Richtung stehen. In diesem Fall kann eine Glorie beobachtet werden. Hier sieht man den Schatten nicht, da die Wolkenwand zu weit entfernt ist. Näheres zur Glorienstreuung findet man unter: Werner B. Schneider, "Die Glorie" in Wege in der Physikdidaktik, Band 5 Seite 1-12.

Bugwelle im Wasser

  
Die Bilder stellen das analoge Phänomen zur Bugwelle im Wolkenmeer (obiges Bild) dar. Es handelt sich um ein Phönome, das man leicht am Sandstrand beobachten kann. Nach einer anlandenden Welle fließt das Wasser gegen Ende in einer dünnen, gleichmäßgen Schicht über dem Sand ab - hier von links nach rechts. Es trifft auf ein Hindernis, in diesem Fall jeweils ein Stein von ca. 1cm Durchmesser, und es entsteht das Wellenphänomen Bugwelle.

Föhnwolke (Lenticularis)

In Föhnwolken tritt oft eine Schichtung von trockener und feuchter Luft auf. Diese kann man anhand der Wolkenbildung beobachten. 

Lichtsäule mit Nebensonne

Eine Lichtsäule - hervorgerufen durch die Sonne - kann man sowohl bei Sonnenuntergang als auch Sonnenaufgang beobachten. Sie tritt auf, wenn sich in er Atmophäre ausgerichtete Eiskristalle befinden, der untere Fläche wie ein Spiegel wirkt und das Licht in Richtung des Beobachters reflektieren. Ein weiteres Zeichen für ausgerichtete Eiskristallte ist die gerade über dem Horizont sichtbare Nebensonne, die Aufgrund der Lichtbrechung an senkrecht ausgerichteten Eiskristallen auftritt. Siehe auch den Artikel von M. Vollmer in Wege in der Physikdidaktik Band 5 (upload/wege/band5/Wege5-30-41.pdf). (Aufnahme Werner B. Schneider, April 2010 Belle Isle.  Anmwerkung: die atmosphärischen Bedingungen blieben über Nacht stabil, so dass man am Morgen das Phänomen weiterhin beobachten konnte.

Lichtsäule mit oberer Sonne

Diese Aufnahme entstand ca. 30 min nach Sonnenuntergang. Bei dem hellen Fleck handelt sich um die Spiegelung der Sonne nach oben. An der Stelle der oberen Sonnen muss die Dichte der orientierten, reflektierenden Eiskristalle wesentlich größer sein als in dem Bereich der sich anschließenden Lichtsäule.
Aufnahme. W.B. Schneider, Belle Isle Juni 2011. 

 

Luftspiegelung oder Fata Morgana

Abb. 1: Spiegelung nach oben.
Eine Luftspiegelung nach oben ist weit seltener als die Spiegelung nach unten (s. Abb. 3 und 4). Hier liegt die spiegelnde Luftschicht oberhalb der Meeresoberfläche, so dass Teile der Küste nach oben gespiegelt werden.

Abb. 2: Spiegelung nach oben.
Das Bild ist etwas später als Abb. 1 aufgenommen und zeigt, dass die spiegelnde Grenzschicht laufend ihre Eigenschaften ändert. Bei Abb. 1 und 2 handelt es sich jeweils um eine Aufnahme der Insel Groix (südliche Bretagne) aus einer Entfernung von ca 50 km. Aufnahmestandort Belle Isle (südliche Bretagne, gegenüber der Halbinsel Quiberon).

Abb. 3: Spiegelung nach unten.
Die Spiegelung bewirkt dem hellen Streifen vor der Häuserzeile. Typisch sind hier oft horizontal orientierte, V-förmige Formen.

Abb. 4 a und b: Spiegelung nach unten.
Die Spiegelung nach unten sieht man häufig z.B. über erwärmten Landmassen, Straßen, oder Wassermassen. Abb. 3 ist bei Ebbe in der Nähe der Insel Noirmoutier (Vendee, Frankreich) entstanden und Abb. 4 a und b zeigen zwei Nachbarinseln von Belle Isle aus gesehen.

Weiterführende Literatur (herunterladbar von www.solstice.de):
Vollmer, Michael: Oasen, Seeungeheuer  und weitere Spielereien der Fata Morgana  
(Wege in der Physikdidaktik Band 5, herunterladbar unter: upload/wege/band5/Wege5-57-69.pdf)

Beschreibung eines einfachen Experiments zur Luftspiegelung: H. Möller, W. B. Schneider: "Ein überraschender Versuch zum Thema Fata Morgana: Der "weggeblasene Lichtstrahl",
Physik in der Schule 32 (2), 63 (1994)

Irisierende Wolken

Irisierende Wolken: Dieses Phänomen ist relativ selten. Es tritt auf, wenn sich dünne Eisplättchen in den Wolken befinden. Dann kann man dieses überraschende Interferenzphänomen beobachten (Farben an dünnen Blättchen). Dieses Bild ist im Februar 2009 auf La Palma aufgenommen. Es hat mich (W.S) überwältigt, den Himmel über einen so weiten Bereich  bunt zu sehen. Das Photo kann das Naturereignis nur begrenzt wiedergeben.

 

Solitäre Wellen

Beispiele für ein weniger bekanntes Wellenphänomen:
Im Folgenden zwei Filmausschnitte gezeigt, die ein Phänomen dokumentieren, das man bei entgegenlaufenden solitären Wellenberg hierm am Beispiel von Wasserwellen am Strand beobachten kann:

 

Beim ersten Beispiel befindet sich im Überlagerungsbereich zweier gegenläufiger Wellen eine Person, die von dem Phänomen überrascht wird. Ähnliches passiert z.B. beim Hochlaufen einer Flutwelle in eine Flussmündung. In der Südbretagne ist dieses Phänomen in der Mündung des Flusses Etel (in der Nähe von Lorient) als Barre d’Etel bekannt. 

 

Im zweiten Beispiel kann man verfolgen, wie lange die meerwärts laufende solitäre Welle bestehen bleibt.


Ziele von Solstice
Das Ziel der Initiatoren von www.solstice.de (Prof. Dr. W. Schneider , Dr. German Hacker*,  Dr. H. Dittmann und StD Winfried Stadter) ist, Informationen und Anregungen zu den Bereichen Naturphänomene und Physikunterricht zur Verfügung zu stellen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Bereitstellung der Unterrichtsanregungen, die in der Zeit von 1982 bis 2005 in der Abteilung Didaktik der Physik der Universität Erlangen-Nürnberg erarbeitet wurden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf neuen Veröffentlichungen und Informationen. Gastbeiträge sind willkommen. Zusätzlich werden Veröffentlichungen der Initiatoren  W. S., G. H. und H. D. wieder leicht zugänglich gemacht. Zu den Unterrichtsanregungen gehören auch Simulationsprogramme zur Veranschaulichung physikalischer Sachverhalte. Diese Programme können heruntergeladen werden und sind frei nutzbar (Angabe der Quelle Voraussetzung). Neben diesen Programmen ist auch das von Dr. G. Hacker erarbeitete multimediale Lernprogramm zur Teilchenphysik hier wieder zugänglich geworden. Winfried Stadter arbeitet seit dem 1.1.2009 aktiv an den Seiten mit. Er ist Physik- und Mathmatiklehrer am Gymnasium Fridericianum in Erlangen. Er wird aktuelle Beiträge aus dem Physikunterricht bereitstellen.
*) G. Hacker ist seit 2008 Bürgermeister der Stadt Herzogenaurach.