Auf dieser Seite finden Sie eine physikalische Erklärung zum Foto des jeweils vergangenen Monats

Erklärung zum Rätselfoto des Monats Februar 2018

Frage: Wie kommt es zu den blauen Augen?
Antwort:
Die blauen Augen sind Blasen im Eis. Sie sind dadurch entstanden, dass Gase biologischer Aktivität auf dem Boden aufgestiegen sind und sich unter der Eisschicht des zufrierenden Teiches zu einer Gasblase vereinigt haben. Diese Blase ist dann von der nach unten wachsende Eisschicht eingeschlossen worden. Sie hat die Form einer Linse. Blasen tendieren dazu, Kugelform anzunehmen, um die Grenzflächenenergie zwischen Gas und Flüssigkeit zu minimieren. Denn die Grenzflächenenergie ist proportional zur Grenzfläche. Nur so kann das System maximal viel Energie an die Umgebung abgeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik). Durch den schwerkraftsbedingten Auftrieb wird Höhenenergie vermindert, was im vorliegenden Fall dazu führt,  dass die Blase flach gedrückt wird. Da das aber nur zum Preis einer zunehmenden Oberfläche zu haben ist, stellt sich ein Kompromiss zwischen Kugelform und Ebene ein.
Auch optisch tut sich hier einiges. Das Sonnenlicht fällt auf die Eisschicht, wird zum Teil reflektiert und dringt zum Teil durch die transparente Eisschicht in den Teich ein. Dass die Sonne scheint, ist nicht nur an den hellen Strukturen auf dem Boden des Teichs zu erkennen, sondern auch an den spiegelnden Reflexionen des Sonnenlichts an den Luftblasen.
Wenn das Sonnenlicht das Wasser durchdringt und anschließend am Boden diffus reflektiert wird, wird es an den winzigen Schwebeteilchen im Wasser von der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts gestreut.  Dadurch geht vor allem kurzwelliges (blaues, violettes) Licht verloren (Rayleigh-Streuung), und es dominieren die langwelligen (rot, gelb) Anteile. Es ist also ähnlich wie beim Sonnenuntergang, wenn das Sonnenlicht auf dem langen Weg durch dichte Luftschichten seine kurzwelligen Anteile einbüßt. Wegen der wesentlich größeren Dichte des Wassers, genügen dazu vergleichsweise  kürzere Wege.

H. Joachim Schlichting