Erhellende Finsternisse – 1 von 5


Meine lieben,
das hier könnte mal wieder eine kleine fünfteilige Serie werden…
sie liegt nun hinter uns, die partielle Sonnenfinsternis vom 25.10.2022. Bei uns war es leider bewölkt, aber einige hatten ja doch Glück, was man an zahlreichen Fotos sah, die durch die sozialen Medien gingen.

Für mich stellte sich nun die Frage, was ich um Himmels Willen noch über Finsternisse schreiben soll, das ich in den letzten Jahren noch nicht mit euch geteilt habe. Macht doch mal den Spaß und gebt in das Suchfeld auf dem Blog “Finsternis” ein. Selbst ich bin erstaunt, dass hier tatsächlich mehrere Seiten von Artikelüberschriften aufgelistet werden, die inhaltlich damit zu tun haben.

Was wir aber bisher noch gar nicht richtig behandelt haben sind die Fragen der Astrophysiker, die gerade erst durch die Beobachtung von Sonnenfinsternissen beantwortet werden konnten. Eine dieser Fragen haben wir aber schon behandelt. Einsteins Relativitätstheorie konnte tatsächlich durch eine Sonnenfinsternis bewiesen werden.

Wer das nochmal nachlesen möchte hier lang.

Im vorletzten Jahrhundert gab es innerhalb von 11 Jahren fünf Finsternisse, welche die Sonnenforschung erheblich voran brachten. Und das ist doch irgendwie lustig. Ausgerechnet dann, wenn das Objekt der Begierde verdeckt wird, sollte man am meisten darüber erfahren…

Steigen wir also ein, in das, was im Finstern erhellt wurde.

Die Frage, mit der wir einsteigen ist, dass man damals durchaus nicht wusste, ob die Protuberanzen der Sonne, oder dem Mond zuzurechnen sind. Auch über eine optische Täuschung wurde spekuliert. Wir erinnern uns. Protuberanzen sind die scheinbaren Flammenzungen die dann sichtbar werden, wenn unser Mond die Sonnenscheibe verdeckt. Ansonsten werden sie von ihr überstrahlt, und man benötigt spezielle Teleskope, um sie auch ohne die Sonne verfinsternden Mond immer sehen zu können. Dazu kommen wir aber heute noch nicht.

Also, nochmal die Frage.

“Gehören die wunderschönen Protuberanzen der Sonne, oder schmückt sich damit unser Mond, oder sind sie gar nur eine optische Täuschung, die immer bei totalen Sonnenfinsternissen auftritt?”

Die Antwort gab die Finsternis vom 18. Juli 1860 in Spanien. Zwei Gelehrte zogen mit ihren Instrumenten an den Ebro und an die spanische Mittelmeerküste. Zum ersten Mal wurde die Fotografie, damals noch Daguerreotypie genannt, zur Erforschung von Finsternissen eingesetzt.

Der Engländer Warren de la Rue (1815-1889), ein reicher Papierfabrikant, war ein Pionier in der
Fotografie astronomischer Objekte. Der jesuitenpater Angelo Secchi (1818-1887), Direktor des Collegio Romano, widmete sich in der zweiten Hälfte seines Lebens dem Studium der Sonne. Beide fotografierten
in Spanien die Protuberanzen von Orten aus, die mehrere hundert Kilometer auseinander lagen. Die Bilder glichen sich wie ein Ei dem anderen. Die roten Flammenzungen waren also reell. Mehr noch, rasch nacheinander aufgenommene Platten zeigten, dass sich der Mond vor den Protuberanzen vorbeibewegt. Damit wusste man:

Die Protuberanzen gehören zur Sonne.

Die Sonne ist so weit, etwa 150 Mio Kilometer von uns entfernt, dass die unterschiedliche Perspektive, die die beiden Herren durch ihren mehrere hundert Kilometer entfernte Beobachtungsplätze hatten, keine Rolle spielte. Der Unterschied, der sich durch die verschiedenen Beobachtungswinkel ergab, war so klein, dass er auf den Fotos nicht ins Gewicht fiel. Somit glichen sich die Bilder so sehr, als wären sie am selben Ort geschossen worden. Einige Jahrhunderte davor, wurde mittels dieser Beobachtungsmethode ein alter Glaube erschüttert, an den ich hier kurz erinnern möchte.

Der gute alte Aristoteles vertrat die Ansicht, dass alle Himmelskörper die Erde auf festen ihnen eindeutig zugewiesenen Bahnen umrundeten. Weil Kometen kamen und gingen, rechnete er sie nicht zu den Himmelskörpern, sondern hielt sie für langsam brennende Feuer in den oberen Luftschichten. Wenn Kometen atmosphärischer Natur waren, mussten sie näher als die anderen Himmelskörper bei der Erde sein. Somit sollten sie sogar näher sein als der Mond. Das war nämlich schon den alten Griechen klar, dass er der nächste Himmelskörper ist. Wie auch immer. Die Autorität Aristoteles war so groß, dass seine Lehren über 2000 Jahre gültig blieben.

Dieser Glaube und Grundfeste wurde im Jahre 1577 erschüttert. In diesem Jahr tauchten gleich zwei Kometen auf, von deren zweiten der dänische Astronom Tycho Brahe von seiner dänischen Insel aus, wo er sich ein riesiges Observatorium baute, beobachtete. Tycho hatte die Idee, die Entfernung dieses Kometen zu vermessen. Dann sollte man erfahren, ob sie wirklich atmosphärisch nahe Objekte darstellen, oder nicht.

Kennt man die Distanz zweier Beobachtungsorte, so lässt sich der Abstand berechnen. So bestimmten schon die alten Griechen die ungefähre Entfernung zum Mond.
Also vermaß Tycho die Winkel zu seinem Kometen. Diese verglich er dann mit den Daten, die ein befreundeter Astronom in Prag ermittelte. Sie unterschieden sich nicht von Tychos winkeln. Da die Entfernung beider Standorte bekannt war, konnte das nur bedeuten, dass der Komet weit entfernt sein musste, da die Winkelunterschiede deutlich kleiner waren als das, was man mit damaligen Messinstrumenten auflösen konnte.
Tychos Komet musste somit ungefähr vier mal so weit weg sein als der Mond. Wäre die Distanz kleiner gewesen, hätte er eine Parallaxe messen sollen.
Man kann an dieser Stelle gar nicht hoch genug würdigen, was für ein exzelenter Beobachter Tycho war, denn es standen ihm keine Teleskope zur Verfügung. Kometen waren also scheinbar keine atmosphärischen Objekte, sondern kamen von weit her.

Wir erinnern uns, dass diese Methode auch zum Einsatz kam, als man die Radiobilder der Umgebung zweier schwarzer Löcher machte. Wählt man noch größere Abstände, z. B. den Durchmesser der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, dann kann man Dreiecke zu Himmelsobjekten aufspannen, die hunderte von Lichtjahren von uns entfernt sind. Seit es forschende Astronomen gibt, wurde mit dieser Parallaxen-Methode viele Entdeckungen gemacht und das Universum wurde quasi immer größer.

Eine der nächsten bahnbrechenden Entdeckungen und Erfindungen wird uns zu einer weiteren Sonnenfinsternis führen, die von Indien aus beobachtet wurde, aber nicht mehr heute…

Warum heizen wir im Winter?


Mancher mag sich empört fragen:

Was für eine Dumme Frage. Damit uns warm wird. Und das fragt der Blindnerd ausgerechnet in diesen Zeiten, wo noch nicht klar ist, ob und zu welchen Kosten wir gut und warm durch den bevorstehenden Winter kommen.

Ja, 19 Grad im Büro sind jetzt schon ganz schön schattig. Aber gerade jetzt, so finde ich, ist die beste Zeit, diese Frage in die Krise hinein zu stellen, um der ganzen Misere vielleicht doch noch etwas spannendes und lehrreiches abgewinnen zu können.

Also, ruhig die provokante Frage nochmal gestellt.

warum heizen wir im Winter?

Ist doch klar. Die Heizung oder der Ofen sorgen dafür, dass die Luft sich erwärmt, und dass wir uns dann im warmen Zimmer wohlfühlen können.
Ein Student der Physik würde vielleicht auch sagen, wir erhöhen die Energie im Zimmer, so dass sich die Bewegung der Luft-Moleküle erhöht, was wir als Wärme wahrnehmen.

Die Flucht

Nun ist es aber so, dass Moleküle mit mehr Bewegungsenergie auch mehr Platz benötigen. Wäre unser Zimmer hermetisch luftdicht abgeschlossen, würde tatsächlich der Druck in unserem Zimmer steigen. Umgekehrt geht natürlich auch. Wenn ich mit der Pumpe ein Fahrad aufpumpe, drücke ich die Luft im Kolben zusammen, und die Pumpe erwärmt sich. Unsere Kühlschränke funktionieren mit einem Kompressor und einem geschlossenen Rohrsystem voller Kühlflüssigkeit. Die Maschine entnimmt dem Kühlschrank Wärmeenergie und gibt sie nach außen über eine Fläche von Radiatoren ab. Deshalb haben die meisten Kühlschränke hinten ein Gitter, dass die Abwärme ins Zimmer entweichen kann.
Es wird also nicht kälter in einem Zimmer, wenn man einen Kühlschrank offen stehen lässt, sondern sogar wärmer, weil er beim “Versuch” zu kühlen, Energie in Form von Strom verbraucht. Aber zurück zu unserem beheizten Zimmer.

Wenn wir, sagen wir mal von 15 Grad auf 19 Grad aufheizen, dann dehnt sich die Luft im Zimmer aus und zwar um etwa 1/273 des Volumens pro Grad, wenn wir bei unserer Zimmerluft von einem idealen Gas ausgehen. Ein Ideales Gas ist eines, zwischen dessen Molekülen keinerlei andere Kräfte wirken.

Da unser Zimmer nicht luftdicht ist, werden uns diese vier Bruchteile der Luft durch Tür- oder im schlimmeren Fall auch durch Fensterritzen entwischen. Diese entweichende Luft nimmt aber gerade so viel Energie mit, wie sie von der Heizung erhalten hat, und durch welche ihre Flucht erst möglich wurde.

Der Druck und die verbleibende Energiemenge im Zimmer bleibt also gleich.

Die Rückkehr

Wenn ich eine Flasche Wein aus dem kalten Keller hole, um sie temperieren zu lassen, geschieht das umgekehrte. Die Flasche kühlt tatsächlich das Zimmer etwas ab, die Raumluft zieht sich zusammen, und zum Druck- und Energieausgleich strömt etwas Luft von außen in das Zimmer hinein.

Die große Frage

Warum wird es uns beim Heizen dennoch warm, und auch der gute Rote wird vielleicht nach einer Stunde eine angenehme Trinktemperatur erreicht haben. Wer eine Decantiere besitzt, kann das etwas beschleunigen, da in ihr der Rote eine größere Oberfläche hat, über die er neben Sauerstoff auch mehr Wärmeenergie pro Zeit aufnehmen kann.

Dass es also nach unseren Vorüberlegungen dennoch warm im Zimmer wird, wenn wir heizen, scheint irgendwie paradox zu sein. Und genau das ist es. Dieses Phänomen wird tatsächlich Heizparadoxon genannt. Vor dem Wissen kommt immer das Staunen. Gestaunt haben wir jetzt genug. Jetzt wollen wir es auch wissen. Dann ist dieses “Wunder” zwar nicht mehr so absurd, aber nicht minder schön, denn schön warm haben wir es alle gerne.

Spurensuche

Natürlich führt uns unsere Spurensuche in die Physik, genauer in die Thermodynamik.

Moment mal,

mögen manche fragend sagen.

Davon hat der Blindnerd doch schon mal geschrieben. Wo war es gleich? Ach ja, als er uns vom Wesen der Zeit berichtete. Da war doch was mit Ordnung, Unordnung, geschlossenen Systemen, irgend welchen Hauptsätzen und Energie.

Stimmt genau. Im Zweihundertsten Artikel ging es um das Rätsel der Zeit und um Prozesse, die in ihr ablaufen. Auch heizen ist solch ein Prozess…

Für die Erklärung unseres Heizparadoxons müssen wir also tatsächlich wieder die Thermodynamik bemühen.

Die Antwort

Thermodynamisch betrachtet ist jedes Zimmer ein offenes System. Durch Wärmetransport tauscht es Energie mit der Außenwelt aus. Darüber hinaus kommt es auch zum Materieaustausch (Entweichende warme Luft).
Eine erste Erkenntnis ist also, dass es nicht nur auf die Energie ankommen kann, wenn wir es in einem Zimmer warm haben wollen.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik lehrt uns, dass Energie weder aus nichts erzeugt, noch vernichtet werden kann. Eine Energieform kann lediglich in eine andere umgewandelt werden.

Wäre der erste Hauptsatz jedoch schon die ganze Wahrheit, gäbe es keine Energiekrise, noch wäre es gerechtfertigt, für Energie Geld zu zahlen, denn dann wäre es beispielsweise möglich, dass die auch in kalter Umgebung reichlich vorhandene thermische Energie von selbst ins warme Zimmer fließt.

Wir erinnern uns

  • an die beiden Begriffe Ursache und Wirkung.
  • Zuerst steht die heile Tasse auf dem Tisch, bevor sie zerbrochen am Boden liegt.
  • Zuerst muss die Milch aus ihrer Tüte in den Kaffee fließen, bevor sie sich mit ihm durchmischen kann, bevor die Entropie ansteigt, um den Milchkaffee zu bilden, und bevor die kalte Milch den heißen Kaffee, hoffentlich nicht zu stark, abkühlt.

Wärme geht also immer nach kalt und nicht umgekehrt.

Trotzdem ist es möglich, dass Wärme von kalt nach warm fließt, wenn
wir entsprechend nachhelfen.
So nutzen manche Heizungsanlagen die Energie der kalten Außenluft oder des kalten Grundwassers. Weil dabei die Entropie verringert wird, funktioniert das. Es wird mittels Wärmepumpen Energie in das Heizungssystem gepumpt.

Denken wir in diesem Zusammenhang an unser Legohaus, das unter Einbringung unserer Hände-Energie entstand. Im Gegensatz zum Legohaufen ist dort die Entropie, also das Durcheinander, geringer. Diese Pumpen verbrauchen meist Strom.

Kommen wir aber jetzt auf den Ausgangspunkt zurück und fragen, wie es möglich ist, dass die Temperatur im Zimmer durch das Heizen steigt, obwohl die Energie konstant bleibt. Entscheidend ist, dass durch das Aufheizen des Zimmers sich die Teilchenzahl der Luft verringert, weil ein kleiner Teil, siehe oben, uns durch die Ausdehnung der Luft entwischt ist.

Da die Temperatur eng mit der ungeordneten thermischen Bewegung, genauer, der mittleren Bewegungsenergie der Luftteilchen verknüpft ist, verteilt sich die Energie folglich auf weniger Teilchen. Diese besitzen nunmehr eine größere mittlere Bewegungsenergie, und wir spüren eine höhere Temperatur.
Wir besitzen halt leider nur einen Sensor, unsere Haut, für Temperatur, und keinen für Energie.

Tja, meine lieben, und damit ist das Wunder entzaubert. Lasst mich den Artikel mit einigen Wünschen beschließen:

  1. Wünschen wir für alle genügend Wärme diesen Wintergut zu überstehen.
  2. Wünschen wir für alle, dass sie sich diese leisten können.
  3. Und mein letzter Wunsch ist Wärme in unsere Herzen, damit wir uns gegenseitig helfen, das alles gut zu überstehen.