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Wenn weißer Schnee in Farben funkelt

Einzelne Eiskristalle sind durchsichtig. Gerade diese Eigenschaft lässt Schnee weiß erscheinen - und unter den richtigen Bedigungen sogar bunt glitzern.

Wer an einem kalten, sonnigen Tag durch eine Schneelandschaft spaziert, vor dem blitzen bei jedem Schritt blendend weiße oder sogar farbige Lichtpunkte auf. Das Funkeln erinnert an geschliffene Glasstücke oder Diamanten. Der Vergleich von Schnee und Glas ist dabei zutreffender, als man zunächst denken könnte. Schnee besteht aus Eiskristallen, und eine Eisscholle zeigt zahlreiche Ähnlichkeiten mit einer Glasplatte. Beide sind transparent, das Licht geht also ohne merkliche Absorption hindurch. Und in beiden Fällen wird ein geringer Teil des Lichts an den Grenzflächen zur Luft reflektiert. Zertrümmert man eine Glasplatte in feines Granulat, geht diese Transparenz verloren, und es erscheint weiß - ganz so wie Eis, das als Schnee auftritt.

Blickt man durch eine einzelne, glatte Eisscholle, so erkennt man die Gegenstände dahinter bis auf eine leichte Verschiebung infolge der Brechungen noch recht gut. Legt man jedoch kleine Scheiben unterschiedlich orientiert übereinander, so werden sie allmählich undurchsichtig. Es stellt sich eine immer einheitlichere Mischfarbe ein, denn man sieht eine Überlagerung des Lichts von verschiedenen Stellen und Gegenständen.

Auf ähnliche Weise verlieren die Eiskristalle der Schneeflocken ihre Transparenz. Bereits eine nur wenige Zentimeter dicke Schneeschicht verdeckt den Boden und erstrahlt bei Sonnenschein blendend weiß. Bei einer solchen Gemengelage wie den unordentlich übereinander ruhenden Eiskristallen differenziert man nicht mehr nach Reflexion und Brechung, sondern bezeichnet die Wechselwirkungen als Streuung. Im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts sind die winzigen Eiskristalle immer noch groß. Deswegen streuen sie es vorwiegend nach vorne, und es gibt keine Interferenzeffekte wie bei den dünnen Schichten von Seifenblasen oder Insektenflügeln. Der Winkel, unter dem das Licht durch die Streuprozesse abgelenkt wird, ist klein, und darum sind viele einzelne Kristalle nötig, damit es seine Richtung merklich ändern und wieder aus der Schneeschicht heraustreten kann. Nur weil Eis weitgehend transparent ist und die Eiskristalle äußerst wenig Licht absorbieren, passiert dies auch tatsächlich - und die Schneedecke nimmt ihre vertraute, intensiv weiße Färbung an.

Lediglich dickere Schnee- und Eiskörper schimmern leicht bläulich, wie man es von Gletscherspalten oder Eisbergen kennt. Im Bereich der Wellenlängen des roten Lichts scheint eine etwas stärkere Absorption aufzutreten. Diese Färbung darf jedoch nicht verwechselt werden mit dem Blaustich von Schneefeldern in beschatteten Bereichen. Hier wird das weiße Sonnenlicht ausgeblendet und vor allem das blaue Himmelslicht reflektiert.

Um die eingangs erwähnten hellen und farbigen Lichtblitze erleben zu können, müssen besondere Verhältnisse vorliegen. Günstig sind tiefe Temperaturen und frisch gefallener Schnee. Dann ruhen die Kristalle noch locker und unversehrt obenauf. Besonders geeignet sind hexagonale Exemplare, die zuweilen bereits in der Atmosphäre durch farbige Reflexe zum Beispiel in Form von Nebensonnen in Erscheinung treten. Wegen ihrer Form verhalten sie sich wie 60 Grad Prismen. Das Licht wird an einer der Oberflächen in den Kristall hinein- und an der gegenüberliegenden wieder herausgebrochen, bei einem Brechungsindex von 1,31 in einem Winkelbereich von etwa 22 bis 46 Grad zwischen Sonne und Betrachter (siehe Abbildung links).

Der kleinste Winkel, unter dem das weiße Sonnenlicht den Kristall verlässt, liegt zwischen 21,7 Grad (rot, 656 Nanometer Wellenlänge) und 22,5 Grad (violett, 400 Nanometer). In die Nähe dieses Minimums fällt auch die größte Intensität: Zählt man alle Strahlen, die aus dem Eisplättchen in all seinen möglichen Orientierungen heraustreten, findet man die meisten davon um etwa 22 Grad abgelenkt. Darum kommt ein Lichtblitz vorwiegend aus dieser Richtung. Es hängt also von der Beobachtungsposition ab, ob man ihn zu sehen bekommt und welche Farbe er hat. Die hexagonalen Prismen sind nur ein Beispiel für den Effekt; anders geformte Kristalle können das Sonnenlicht auf ähnliche Weise aufspalten.

Obwohl die Lichtblitze dem Auge grell erscheinen, ist es schwierig, sie fotografisch festzuhalten. Wenn man auf die Schneefläche fokussiert und die Belichtungszeit der Kamera auf automatisch einstellt, sind die Blitze oft völlig überbelichtet, überstrahlen ihre Umgebung und verlieren ihre Farbe. Außerdem fallen sie auf dem Foto kaum noch auf, da bereits die Schneefläche hellweiß leuchtet. Reduziert man die Belichtungszeit, sieht man zwar sehr schön die farbigen Reflexe, aber die Schneefläche wird unterbelichtet und erscheint unwirklich dunkel. In dieser Situation hilft eine leichte Defokussierung. Die winzig kleinen Farbpunkte werden dadurch auf eine größere Fläche abgebildet und besser wahrnehmbar. Leider wird so die übrige Schneefläche ebenfalls unscharf (Foto oben).

Unter bestimmten Bedingungen entstehen auf älteren Schneeoberflächen durch Schmelzvorgänge am Tag und erneutes Gefrieren in der kalten Nacht frische Eiskristalle, die bei Sonnenschein Lichtblitze aussenden können. Allerdings werden sie vorwiegend durch Reflexionen des Sonnenlichts an günstig liegenden Facetten hervorgebracht und erscheinen daher überwiegend weiß. Zu Lichtdurchgängen durch die Kristalle mit Farbaufspaltungen infolge von Brechung kommt es auf dieser relativ glatten Fläche dann eher selten.

Eine Kruste nach mehrfachem oberflächlichem Tauen und Gefrieren führt wiederum zu einem anderen, kollektiven Lichtphänomen. Diese nur wenig strukturierten, großen Kristallflächen wirken wie dicht aneinanderliegende Minispiegel, die das Licht der tief stehenden Wintersonne ähnlich reflektieren wie das leicht wellige Wasser des Meeres oder eines Sees. Es entsteht eine zur Sonne hinlaufende, funkelnde Lichtbahn, die auch als "Schwert der Sonne" bekannt ist. Verändert man quer dazu eine Stellung, so bewegt sie sich mit, indem die bisherigen Reflexe verlöschen und neue aufblitzen - ein eindrucksvolles Schauspiel.

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H. Joachim Schlichting war Direktor des Instituts für Didaktik der Physik an der Universität Münster, 2013 wurde er mit dem Archimedes-Preis für Physik ausgezeichnet.