Die eingefrorene Windschutzscheibe

Jeder kennt es, jeder hasst es. Es ist Winter, man muss morgens früh raus, hat eh schon wenig Zeit und dann das: Die Scheiben des Autos sind zugefroren und man verbringt weitere 5 Minuten nur damit das Auto frei zu kratzen. Aufmerksamen Beobachtern ist dabei vielleicht schon einmal aufgefallen, dass nicht alle Scheiben des Autos gleichzeitig zu frieren. Wenn die Temperaturen am Abend fallen ist die Windschutzscheibe eines Autos die erste, die mit einer Eisschicht bedeckt ist noch bevor man bei den Seitenscheiben erkennen kann wie kalt es ist. Doch warum ist das so? Und warum bildet sich überhaupt eine Eisschicht auf den Scheiben?

Letzteres Phänomen will ich als erstes auffassen. Warum friert eine Scheibe zu?

Um das zu verstehen, benötigt man den Begriff und das Verständnis der Luftfeuchtigkeit. Was wir unter Luft verstehen ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Die größten Anteile bilden dabei Stickstoff mit etwa 78% und Sauerstoff mit knapp 21%. Zusätzlich zur Luft befindet sich in der Atmosphäre aber auch Wasserdampf also gasförmiges Wasser. Jetzt werden viele sagen:“ Wasserdampf entsteht doch erst bei 100°C.“ Diese Aussage ist nicht ganz richtig. Wenn nach einem Regenschauer auf dem Asphalt eine Pfütze entstanden ist und danach die Sonne darauf scheint, verschwindet die Pfütze mit der Zeit. Das Wasser der Pfütze wird aber dabei nie auf 100°C erhitzt und versickern kann es im Asphalt auch nicht. Dieser Vorgang wird im Sprachgebrauch oft als „Verdunsten“ bezeichnet. Verdunsten ist der langsame Übergang von flüssigem Wasser in gasförmigen Wasserdampf, der sich dann mit der Luft vermischt. Verdunsten kann bei jeder Temperatur stattfinden, wird jedoch mit steigender Temperatur beschleunigt. Die Luft, die an einer bestimmten Stelle oder in einem Raum ist, kann aber nur eine gewisse Menge an Wasserdampf aufnehmen. Diese Menge ist auch wiederum abhängig von der Temperatur der Luft. Je Wärmer die Luft, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Der Anteil an gasförmigem Wasser in der Luft wird Luftfeuchtigkeit genannt. Die relative Luftfeuchtigkeit, die entscheidende Größe für die Aufnahme von Wasserdampf in der Luft, ist eine prozentuale Angabe wie viel der maximalen Menge an Wasser in der Luft enthalten ist. 25% heißt also, dass die Luft noch viel aufnehmen kann, 100% heißt, das Maximum ist erreicht und ein eventueller Verdunstungsprozess könnte nicht mehr weiter laufen.

Wenn Wasserdampf durch die Luft aufgenommen werden kann muss er ja auch irgendwie wieder abgegeben werden können. Dies geschieht wenn die 100% Marke“ überschritten“ wird. Ist das der Fall, dann kondensiert Wasserdampf aus und wird wieder zu flüssigem Wasser. So entsteht zum Beispiel Regen. Aber wie kann man über 100% kommen? Angenommen die Lufttemperatur liegt während des Tages bei 10°C. Mit der Zeit hat die Luft Wasserdampf aufgenommen und es herrscht eine relative Luftfeuchtigkeit von 80%. Wenn jetzt abends die Temperatur fällt, auf sagen wir mal 1°C, sinkt damit auch die Gesamtkapazität der Luft Wasser aufzunehmen. Die Menge an Wasserdampf in der Luft bleibt gleich, der prozentuale Anteil an Wasser im Vergleich zur maximal möglichen Menge wird allerdings höher und so kann es auch sein, dass der Wert über 100% steigen würde. Da dieses Maximum aber nicht tatsächlich überschritten werden kann, muss ein Teil des Wasserdampfes aus der Luft kondensieren und somit wieder zu flüssigem Wasser werden.

Der Vorgang der Kondensation kann überall stattfinden, bevorzugt jedoch an kalten, glatten Oberflächen. Eine Glasscheibe, wie die eines Autos, ist genau so eine optimale Oberfläche. Sie ist glatt und kühlt schnell ab. Somit bildet sich bei sinkender Temperatur eine dünne Wasserschicht auf der Scheibe, die dann bei weiter sinkender Temperatur zu Eis gefriert. Aber warum passiert das auf der Windschutzscheibe nun früher als auf den anderen Scheiben?

Wie bereits erwähnt kondensiert Wasser bevorzugt auf kalten Flächen – je kälter desto besser. Und hier kommen die verschiedenen Mechanismen des Wärmeaustausches ins Spiel.

Es gibt grundsätzliche drei Möglichkeiten Wärme zu übertragen. Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung. Die Wärmeleitung geschieht zwischen zwei Medien, die in direktem Kontakt zu einander stehen. Der Wärmeübergang erfolgt hier, wie grundsätzlich immer, von warm nach kalt. Wärmekonvektion ist der Wärmeübergang über ein Trägermedium wie beispielsweise Luft. Die Wärme eines heißen Körpers kann von der Luft aufgenommen, transportiert und an anderer Stelle wieder abgegeben werden. Das dritte und hier ausschlaggebende Phänomen ist die Wärmestrahlung. Diese kann ohne Kontakt und ohne Trägermedium stattfinden. Einzig entscheidend für die Wärmestrahlung ist die Temperaturdifferenz vom wärmeren zum kälteren Medium ( warm bedeutet hier nicht unbedingt gefühlt warm, auch ein Temperaturunterschied von -20°C zu -40°C ruft eine Wärmestrahlung hervor).

Die Phänomene Wärmeübertragung und Wärmekonvektion betreffen alle Scheiben des Autos gleicher Maßen. Entscheidend ist also die Strahlung. Die Seitenscheiben eins Autos sind in die unmittelbare Umgebung, wie das nächste Haus, eine Hecke oder eine Mauer gerichtet. Die Windschutzscheibe zeigt Richtung Himmel. Die Umgebung hat in der Regel die Gleiche Temperatur wie die Luft an diesem Punkt, d.h. es liegt keine Temperaturdifferenz vor und somit auch keine effektive Wärmestrahlung. Der Himmel, also entweder Wolken oder bei einer klaren Nacht sogar das Weltall, haben eine deutlich geringere Temperatur. Hier kann also Wärmestrahlung von der Scheibe in Richtung Himmel auftreten. Die Scheibe wird dadurch zusätzlich abgekühlt. Das Resultat ist, dass sich die Windschutzscheibe schneller abkühlt als die Seitenscheiben und somit sowohl die Kondensation des Wassers früher auftritt, als auch das spätere Frieren der Wasserschicht zu Eis.

Die Wärmestrahlung allein ist also dafür verantwortlich, dass die Windschutzscheibe eines Autos schneller zufriert als dessen andere Scheiben.

Verhindern lässt sich dies im Übrigen durch etwas, das zwischen die Scheibe und den Himmel gebracht wird. Einfachstes Beispiel ist die Folie, die man direkt auf die Scheibe legt und in die Türen einklemmt. Diese Bewirkt, das zwischen Folie und Scheibe keine Strahlung mehr auftritt. Die Strahlung findet dann zwischen Folie und Himmel statt, deswegen ist die Folie am nächsten Morgen auch eingefroren und muss zum Trocknen gelegt werden.

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Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen?

Jeder hat schon einmal einen Regenbogen gesehen und sich an seiner Farbenpracht erfreut. Gerade weil einem Regenbogen meist ein Regenschauer vorausgeht und mit der wieder auftauchenden Sonne auf der einen, und der schwarzen Wolkenwand auf der anderen Seite ein wundervolles Lichtspiel entsteht. Doch wie genau entsteht eigentlich ein Regenbogen? Wie kann aus hellem, blendendem Sonnenlicht und einer Weltuntergang ähnlichen Regenfront ein so farbenfrohes Gebilde entstehen?

Die Antwort gibt uns die Optik, ein Teilbereich der Physik. Die Gesetze der Optik erklären unter Anderem Phänomene wie Spiegelung, Brechung oder Streuung – alles Begriffe, die man schon einmal gehört hat – aber was steckt dahinter?

Um den Regenbogen zu verstehen, muss man erst wissen, was genau eigentlich Sonnenlicht ist. Licht im Allgemeinen ist elektromagnetische Wellen. Ähnlich wie auch Radiowellen oder andere Funksignale. Entscheidend für die Eigenschaften einer elektromagnetischen Welle ist deren Wellenlänge, also der Abstand, nachdem die Schwingung der Welle wieder den gleichen Punkt erreicht hat, wie der Startpunkt. Man kann sich das genau wie eine auf und ab Bewegung von beispielsweise Wasserwellen oder einem in Schwingung gebrachten Seil vorstellen.

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In dieser Abbildung ist eine solche Welle zu sehen. Die hier eingezeichnete Periodendauer entspricht der Wellenlänge. Dieser Bereich wiederholt sich unendlich oft in der Welle. Die Amplitude ist ein Maß für die Intensität, ist hier aber erst mal uninteressant.

Das Spektrum der Wellenlängen einer elektromagnetischen Welle reicht von Nanometern ( ein Millionstel Millimeter) bis mehrere 100 Kilometer. Der Bereich, den wir als sichtbares Licht wahrnehmen liegt etwa zwischen 400 und 800 Nanometer.

So viel zu der grundsätzlichen Erklärung was Licht denn eigentlich ist.

Das Phänomen, das hauptsächlich für die Entstehung eines Regenbogens verantwortlich ist, ist die Brechung von Licht. Brechung kann immer dann auftreten, wenn Licht von einem Medium in ein Anderes über eine Grenzfläche übergeht. Ein Beispiel ist der Übergang von Luft nach Glas oder auch Wasser. Bei dem Durchdringen einer solchen Grenzfläche kann das Licht, je nach Bedingungen und Eigenschaften, seine Richtung ändern. Vielleicht hast du dich auch schon einmal gewundert, warum man, wenn man mit dem Kopf unter Wasser ist, nicht einfach so nach draußen schauen kann, wenn man nicht gerade senkrecht nach oben schaut. Auch hier tritt eine Brechung des Lichts ein. Das Licht außerhalb des Wassers erreicht die Wasseroberfläche und läuft dann aber nicht geradlinig weiter, sondern ändert seine Richtung und gelangt so nicht mehr in unser Auge.

Hier nochmal eine Veranschaulichung der Brechung von Licht an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser.

Der Brechungswinkel, der in der Abbildung mit β gekennzeichnet ist, hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Ein Lichtstrahl aus blauem Licht (ca. 450nm) wird also anders gebrochen als ein Lichtstrahl rotes Licht ( ca. 700nm).

Um nun zu verstehen, warum aus Sonnenlicht ein Regenbogen aus mehreren Farben werden kann, muss man wissen, dass Sonnenlicht eine Überlagerung des gesamten Lichtspektrums ist. D. h. Sonnenlicht besteht im Prinzip aus allen Farben, deren Überlagerung uns aber weiß bzw. farbneutral vorkommt.

Wenn also Sonnenlicht von der einen Seite auf die dunkle „Regenwand“ auf der anderen Seite trifft, wird das Licht der Sonne in jedem einzelnen Regentropfen gebrochen, wobei der Wellenlängen abhängige Brechungswinkel das bis dato weisliche Licht in ein Spektrum aus Farben auffächert. Dieses breite Band an Farben sehen wir dann als Regenbogen. Die Reihenfolge der Farben in einem Regenbogen (violett, blau, grün, gelb, orange, rot) ist folglich auch immer die Selbe.

Eine Frage bleibt allerdings noch offen: Angenommen das Sonnenlicht kommt aus Sicht des Betrachters von rechts, dann ist die Regenwand auf der linken Seite. Wie kommt nun das Licht, das von rechts nach links verläuft wieder zum Betrachter in der Mitte zurück?

Hier findet ein weiteres Phänomen der Optik statt. Die Reflexion oder Spiegelung. Reflexion findet genau wie die Brechung an Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien statt. Im Gegensatz zur Brechung gilt hier allerdings der bekannte Satz: “ Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ egal für welche Wellenlänge. Was passiert also nachdem der Lichtstrahl der Sonne auf einen Regentropfen getroffen ist? An der ersten Grenzschicht von Luft nach Wasser wird das Licht gebrochen und in seine Farben auf gespaltet. Das nun regenbogenfarbene Licht läuft weiter durch den Tropfen durch, bis es auf die zweite Grenzschicht trifft. Das Ende des Regentropfens also ein Übergang von Wasser nach Luft. Hier wird ein Teil des auftreffenden Lichts reflektiert, also zurückgeworfen. Dieser Teil ist das Licht, dass wir dann als Regenbogen sehen können.

Wenn du jetzt das nächste Mal einen Regenbogen siehst und dich jemand fragt, wie das eigentlich möglich ist, kannst du ihm oder ihr dieses Phänomen ausführlich erklären.

Der trockene Fußabdruck im nassen Sand

Wer träumt nicht davon jetzt bei strahlendem Sonnenschein barfuß am Sandstrand entlang zu laufen und das Rauschen der Wellen zu genießen? Ein wunderbares Gefühl, wenn der Sand unter den Füßen knirscht. In dem nassen Sand kurz vor dem Wasser können wir auch unsere ganz persönlichen Fußabdrücke hinterlassen. Bei genau so einem Fußabdruck ist dem Ein oder Anderen vielleicht schon mal etwas aufgefallen. Der komplett nasse Sand scheint durch das Auftreten um den Fuß herum zu trocknen und auch der Fußabdruck selber sieht trockener aus, als der Rest des Sandes. Doch wie kann das sein? Wo kann das Wasser im nassen Sand denn hin?

Diese Frage wird durch die Porosität beantwortet, eine Eigenschaft von Schüttungen oder Haufen aus vielen Partikel – in diesem Fall Sand. Die Porosität ist ein Maß dafür, wie viel Hohlraum zwischen den Partikeln einer Schüttung liegt. Porosität 0% bedeutet man hat ein massives Medium, in dem keine Luft eingeschlossen ist. Je höher die Porosität, desto mehr Hohlraum befindet sich in einem Haufen oder einer Schüttung.

Doch was hat die Luft zwischen Partikeln jetzt mit der Feuchtigkeit des Sandes zu tun? – Das Wasser des Meeres kann in genau diesen Hohlraum zwischen den Sandkörnern fließen und macht den Sand damit nass. Bei trockenem Sand befindet sich Luft zwischen den Körnern.

Wenn man jetzt über den nassen Sand läuft, der ab und zu von einer Welle überspült wird, muss man sich vorstellen, dass dieser Sand da schon viele Tausend Jahre liegt und immer wieder von Wellen glatt gespült wurde. Die vielen Sandkörner hatten also genug Zeit sich optimal anzuordnen. D.h. den Abstand zwischen den einzelnen Körnern und somit auch den Hohlraum dazwischen so gering wie nur möglich zu halten. Die Porosität ist somit minimal. Kleiner kann sie bei Sand nicht werden. Ganz nebenbei: Wenn man davon ausgehen würde, dass alle Sandkörner perfekte Kugeln wären und alle die gleiche Größe hätten, wäre der Wert für diese minimale Porosität 0,26 – also 26%. Die Kugelform könnte näherungsweise sogar stimmen, aber nicht alle Sandkörner sind gleich groß. Damit wird die Porosität sogar noch geringer, da sich kleinere Sandkörner in die Hohlräume zwischen größeren Körnern schieben können und somit den Gesamthohlraum verringern.

Auf diese optimale Anordnung von Sandkörnern, dessen Hohlraum komplett mit Wasser gefüllt ist, setzt man nun einen Fuß und übt somit eine Kraft aus, die die Ordnung des Sandes zerstört. Man könnte meinen durch das Drücken von oben wird der Sand noch zusätzlich verdichtet und die Porosität müsste abnehmen. Diese Annahme ist allerdings falsch, da der Sand ja bereits in einer optimalen Anordnung ist und sich somit der Hohlraum durch eine Störung – in diesem Fall unser Fuß, der auf den Sand auftritt – nur vergrößern kann. Eine Verringerung ist ja nicht mehr möglich.

Der Hohlraum zwischen den Sandkörnern und somit auch die Porosität werden also erhöht, die Menge an Wasser, die sich dort befindet bleibt aber gleich, solange keine neue Welle kommt. Wenn mehr Zwischenraum zur Verfügung steht, also Wasser vorhanden ist, bedeutet das, dass auch Hohlraum mit Luft gefüllt wird. Und wie oben bereits erwähnt ist der Sand, dessen Hohlraum mit Luft gefüllt ist, trockener Sand.

Durch die „Zerstörung“ der optimalen Anordnung des Sandes durch unseren Fußabdruck schaffen wir also eine kleine Schicht trockeneren Sand um unseren Fuß herum. Spätestens mit der nächsten größeren Welle ist dieser anschauliche Beweis der Porosität von Sand allerdings auch schon wieder zu Nichte gemacht.

Warum haben Windräder immer genau drei Flügel?

Viel kritisiert aber doch immer mehr gebaut – Windräder oder, wie die offizielle Bezeichnung ist, Windkraftanlagen – sieht man immer häufiger, nicht nur in Deutschland. Ob auf erhöhten Landstrichen oder auch auf offener See, überall ragen sie in den Himmel. Jeder kann sie sich sofort vorstellen mit ihren drei riesigen Flügeln. Doch warum sind das denn eigentlich drei Flügel? Warum sind es nicht mehr oder vielleicht auch weniger?

In die Entscheidung, eine Windkraftanlage mit drei Flügeln jeweils um 120° versetzt zu bauen, fließen viele Faktoren ein. Grundsätzlich gilt nämlich eigentlich, je mehr Flügel, desto mehr Angriffsfläche für den Wind und desto mehr umgewandelte Energie. „Umgewandelt“ deswegen, da die Bewegungsenergie des Windes, der die Rotorblätter antreibt, mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie übergeführt wird. Der Begriff „Energieerzeugung“ ist somit eigentlich nicht richtig. Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sie wird nur von einer Form (Bewegung des Windes) in eine für uns nutzbare (Elektrizität) umgewandelt.

Doch zurück zur Anzahl der Rotorblätter. Mit jedem zusätzlichen Flügel eines Windrades steigt theoretisch die vom Wind aufgenommene Energie. Warum also nicht vier, fünf oder noch mehr Flügel an eine Windkraftanlage bauen?

Erstens steigt die aufgenommen Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleich. Je mehr Flügel ein Windrad hat, desto weniger hat der Wind die Möglichkeit, durch die Rotorblätter durch zu strömen. Ein Teil des Windes soll natürlich direkt auf die Fläche der Flügel treffen, ein Teil muss aber auch hindurch strömen können, um den Windfluss aufrecht zu erhalten. Nehmen wir mal das Extrembeispiel an. An ein Windrad werden so viele Flügel montiert, dass eine komplette Scheibe entsteht. Die Angriffsfläche für den Wind wird somit maximal, jedoch gibt es keine Möglichkeit mehr zwischen den Rotorblättern hindurch zu strömen. Der Wind trifft also auf die Scheibe und staut sich davor auf. Eine Art Wand entsteht, die den nachfolgenden Wind davon abhält, überhaupt erst zu dem Windrad zu gelangen. Der Windfluss ist dadurch komplett zum Erliegen gekommen. Natürlich ist das ein Extrembeispiel, doch der gleiche Effekt tritt auch schon bei einer geringeren Anzahl an Flügeln auf. Aus diesem Grund steigt die Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleichermaßen an. Ein viertes Rotorblatt bringt vielleicht noch 10% Steigerung, ein fünftes dann schon nur noch 7% und so weiter.

Ein weiterer Grund hierfür ist, dass ein Flügel ein ordentliches Gewicht mit sich bringt. Je mehr Flügel, desto schwerer wird also der Teil der Anlage, der sich nachher drehen soll. Das physikalische Gesetz der Trägheit besagt, dass man für eine größere Masse eine größere Kraft benötigt, um diese in Bewegung zu bringen. Folglich wird sich ein schwerer Rotor langsamer drehen, als ein leichterer. Langsamere Drehung bedeutet wiederum geringere Leistung.

Ein zusätzlicher Faktor, der immer in die Konstruktion von Maschinen und Apparaten einfließt, sind die Kosten. Die Windkraftanlage muss sich finanziell rentieren. Da jedes weitere Rotorblatt zusätzliche Kosten hervorruft, sowohl bei der Anschaffung, also auch bei der Instandhaltung, ist es aus wirtschaftlicher Sicht nicht mehr rentabel, einen vierten Flügel anzubringen, auch wenn dieser die Leistung des Windrades noch weiter steigern würde.

Das ist aber nicht der einzige Grund, warum man sich für drei Flügel entschieden hat. Bei einer geraden Anzahl an Flügeln, z.B. vier, stehen sich immer zwei Flügel direkt gegenüber, das heißt wenn einer der Flügel ganz unten ist, ist einer auch ganz oben. Wenn ein Rotorblatt ganz unten ankommt, muss es zwangsläufig den Mast der Anlage passieren. Vor dem Mast tritt allerdings genau das Phänomen ein, das ich oben bereits erklärt habe. Der Windfluss ist an dieser Stelle zu einem bestimmten Teil unterbrochen. Während der Flügel also den Mast passiert, wirkt eine geringere Kraft auf ihn, als an anderen Stellen der Kreisbewegung. Das Rotorblatt, das dem Unteren gegenüber steht, also ganz oben, erfährt allerdings die volle Kraft des Windes. Jetzt kann man sich diese beiden Flügel wie einen Balken vorstellen, der in der Mitte befestigt ist. Auf die obere Seite wirkt eine stärkere Kraft, als auf die Untere. Was passiert also? Der Balken versucht zu kippen. Oben nach hinten und unten folglich nach vorne. Natürlich würden die Flügel nicht wirklich kippen, aber die Aufhängung der Flügel muss diese Kräfte aushalten, was zu einem deutlich schnelleren Verschleiß führen würde. Außerdem kann das Windrad dann nicht mehr gleichmäßig im Kreis laufen, was auch für die gesamte Anlage eine massive Belastung darstellt.

Ein letzter, allerdings nicht ganz so schwerwiegender Punkt ist die Tatsache, dass jedes Rotorblatt Geräusche erzeugt, wenn es sich dreht. Ein Windrad mit vier Flügeln würde dadurch mehr Lärm erzeugen, als eines mit drei und müsste somit auch mit mehr Abstand zu Behausungen gebaut werden.

Man sieht es gibt viele Kriterien, die bei dem Bau einer Windkraftanlage beachtet werden müssen und all diese haben letztendlich dazu beigetragen, dass wir all unsere Windräder mit exakt drei Flügeln sehen.