Gesiebtes Sonnenlicht
Trifft Sonnenlicht auf ein regelmäßiges Lochgitter, so kann das projizierte Schattenmuster farbig werden. Ursache ist die Randverdunkelung der Sonne.
Von Sonnenlicht beschienen, werfen regelmäßige Lochgitter, beispielsweise Nudelsiebe, Abstreifgitter für Farbe oder Sandsiebe, Schatten, deren Muster sich vielfältig wandeln, während man den Abstand zur Projektionsfläche ändert.
Besondere Beachtung verdient dabei ein Aspekt, der wohl am leichtesten wahrzunehmen ist, wenn man die Schattenmuster auf eine weiße Oberfläche projiziert. Während die bei unterschiedlichen Projektionsabständen entstehenden Schattenmuster im Regelfall nur Helligkeitsabstufungen aufweisen, setzt sich das Muster bei einem bestimmten Abstand parkettartig aus bläulichen und bräunlichen Schattenzonen zusammen (Abbildung 1 rechts).
Abb. 1 Ein Sieb (links) wirft ein Schattenmuster. Das von einem Ausschnitt des Lochgitters (Mitte) geworfene farbige Schattenmuster (rechts) entsteht bei einem bestimmten Projektionsabstand.
Diesem Phänomen kommt man auf die Spur, wenn man sich gedanklich in die Projektionsfläche begibt, sie in ein Raster kleiner Flächenelemente aufteilt und fragt, wie frei von dort aus die Sicht auf die Sonne ist. Denn im selben Ausmaß wie das Lochgitter die Sicht auf die Sonne verdeckt, schattet es ihre Strahlen ab, so dass nur der unverdeckte Teil der Sonnenscheibe zur lokalen Beleuchtungsstärke beiträgt. In diesem Sinne ist die Beleuchtungsstärke eines Flächenelements der Projektionsfläche maximal, wenn von dort aus die komplette Sonnenscheibe durch eine Öffnung im Lochgitter hindurch sichtbar ist (Abbildung 2).
Abb. 2 In diesem 2D-Modell wird das Lochgitter als durchbrochene Linie mit der Lochweite w und der Stegbreite c dargestellt. Das unten dargestellte Schattenmuster visualisiert die lokale Beleuchtungsstärke entlang der Projektionslinie. Maßgeblich dafür ist die Sichtbarkeit einer weit entfernten Lichtquelle, die unter dem Sehwinkel φ erscheint. Sie wird bei A von zwei Stegen und bei B von nur einem verdeckt.
Von der Projektionsebene aus gesehen erscheint die Sonnenscheibe in einem Sehkegel, den die Ebene des Lochgitters schneidet. Schließt der dadurch entstehende Schnittkreis Material des Lochgitters ein, wird die Sicht auf die Sonne verdeckt. Bei einem bestimmten Abstand des Gitters zur Projektionsfläche geschieht Folgendes: Das auf bläulich getönte Schattenzonen auftreffende Sonnenlicht kommt aus dem zentralen Bereich der Sonnenscheibe, während zu den bräunlichen Zonen fast nur Licht aus ihrem Randbereich gelangt. Das auf die hellgrauen Zonen treffende Licht entstammt dagegen von Bereichen der Sonnenscheibe, die von ihrem Rand bis nahe ans Zentrum reichen.
Tatsächlich ist die Sonnenscheibe keine farblich homogene Lichtquelle, sondern die spektrale Zusammensetzung des von ihr ausgesandten Lichts hängt davon ab, aus welchem Areal es stammt. Diese "Randverdunkelung" hat zwei Gründe: die Kugelgestalt der Sonne und den Strahlungstransport innerhalb ihrer Photosphäre, aus der die sichtbare Strahlung kommt. Von der Mitte der Sonnenscheibe kommendes Licht, hat die Photosphäre senkrecht zu ihrer Oberfläche verlassen, wogegen das vom Rand stammende Licht unter einem flacheren Winkel ausgetreten ist. Stark verkürzt gesagt erreicht uns deswegen aus dem Zentrum der Sonnenscheibe mehr Licht aus tiefer gelegenen Schichten der Photosphäre, als am Rand. Weil die Temperatur zu tieferen Schichten der Photosphäre hin ansteigt, ist die Strahldichte der aus den kühleren, oberen Schichten stammenden „Randstrahlung“ im Vergleich geringer, wobei ihr Maximum zu größeren Wellenlängen hin verschoben ist.
Ein einfaches Lochgitter offenbart also ein grundlegendes physikalisches Phänomen der Sonnenphysik.
Den optimalen Abstand des Gitters zur Projektionsfläche h erhält man aus der Gleichung h=108•(w+2c) mit der Lochweite w und der Stegbreite c.
Wilfried Suhr
Eine genauere Beschreibung dieses schönen Experiments sowie die Herleitung der Abstandsformel finden Sie in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit (nur mit Online-Abo), eine Vorlage für ein Lochgitter finden Sie hier unter "supporting informations" (frei).
