Wilhelm Wien – der dunkle Strahlung sichtbar machte
Er ist einer der berühmtesten Söhne der Provinz Ostpreußen und dennoch den
meisten Ostspreußen weitestgehend unbekannt. Er ist der 12. Nobelpreisträger der
Physik und wird selbst unter Physikern nur wenig genannt. Ist er ein Opfer des
Zeitgeistes? Er ist ein Produkt des klassischen preußischen Humboldt’schen
Bildungssystems, das einst vorbildlich in der Welt war.
Doch wer ist dieser Mann? Wer ist diese fast vergessene Geistesgröße, der der
Welt ein Gesetz schenkte, mit der unsichtbares Licht sichtbar gemacht wurde?
Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien wurde am 13. Januar 1864 in dem
Örtchen Gaffken bei Fischhausen in Ostpreußen geboren. Sein Vater war der
Rittergutsbesitzer Carl Wien. 1866 zog die Familie nach Drachstein in den Kreis
Rastenburg. Nach dem Abitur in Königsberg 1882 studierte Wilhelm Wien Physik an
den Universitäten Göttingen und Berlin. Im Jahre 1886 erlangte er seinen
Doktortitel und arbeitete danach als Assistent des berühmten Physikers Hermann
von Helmholtz an der Physikalisch Technischen Reichsanstalt. 1892 habilitierte
er sich und entwickelte in den Jahren 1893/94 zuerst das „Wiensche
Verschiebungsgesetz“ und dann 1896 das „Wiensche Strahlungsgesetz“. 1911 erhielt
Wilhelm Wien den 12. Nobelpreis für Physik als Anerkennung für seine großartigen
Arbeiten zur Wärmestrahlung.
Was ist das Außergewöhnliche an der Leistung von Wilhelm Wien? Die für alle
Menschen wohl vertraute und unverzichtbare Wärmestrahlung ist ein volkstümlicher
Begriff die Infrarotstrahlung. Diese ist für unser menschliches Auge unsichtbar
und wird von jedem Körper in Abhängigkeit von seiner Temperatur ausgesandt.
Diese Strahlung wird daher auch Temperaturstrahlung genannt, die wiederum wie
alle Strahlung eine elektromagnetische Strahlung ist. Diese hat je nach
Wellenlänge oder Frequenz völlig verschiedene Wirkungen und reicht von den
Röntgenstrahlen bis zu den Radiowellen. Der Übergang von der sichtbaren zur
unsichtbaren Sonnenstrahlung, die beim Sonnenbad als wohltuende Wärme empfunden
wird, liegt bei 0,78 Mikrometer. Die unsichtbare Wärmestrahlung wurde von
Friedrich Wilhelm Herschel im Jahre 1800 entdeckt. Er ließ das weiße Sonnenlicht
durch ein Prisma fallen und spaltete es in seine Regenbogenfarben auf. Dann
legte er unter jede Spektralfarbe ein Thermometer. Jenseits des roten Lichts
legte er auch ein Thermometer und stellte fest, dass dieses eine höhere
Temperatur zeigte als die anderen. Die für unser Auge unsichtbare, die Ultrarot-
oder später Infrarotstrahlung war entdeckt.
Während das sichtbare Licht die Erde und alle Gegenstände auf ihr in unendlich
bunter Vielfalt erscheinen lässt, wird die Erde hauptsächlich „unsichtbar“
erwärmt. Die Sonne ist zwar die Strahlungs- und Energiequelle für alles Leben
auf der Erde, doch ihre Strahlung wird nach dem langen Weg durch Weltraum und
Atmosphäre hauptsächlich von der Erdoberfläche absorbiert. Die Erdoberfläche ist
die Energieumsatzfläche. Von ihr aus wird die Luft erwärmt und von ihr aus
abgekühlt. So ist die Erde Empfänger solarer Strahlungswärme und zugleich
Emittent terrestrischer Wärmestrahlung. Beide, die Sonnen- und die Erdstrahlung,
haben völlig verschiedene Temperaturen und damit Wellenlängen. Doch wie hängen
Temperatur und Wellenlänge zusammen? Dies in eine Formel gekleidet zu haben, ist
das große Verdienst von Wilhelm Wien. Das „Wiensche Verschiebungsgesetz“ setzt
Temperaturen und Wellenlängen in direkte Beziehung, beschreibt die Verschiebung
des Wellenlängenmaximums mit der Temperatur. Wird ein Körper erwärmt, steigt
seine Temperatur und dabei verschiebt sich das λmax oder Wellenlängenmaximum
seiner Ausstrahlung in den kürzeren, sinkt sie, so wandert es in den längeren
Wellenlängenbereich. Ein Beispiel: Erhitzt man ein Hufeisen, so wird ab einer
bestimmten Temperatur die unsichtbare Wärmestrahlung sichtbar, das Eisen beginnt
sichtbar zu strahlen, zuerst als Grauglut, dann als Rot-, Gelb- und schließlich
Weißglut, fast so weiß wie die Sonne.
Etwa 50 Prozent der Sonnenstrahlung zählen zu der nahen Infrarotstrahlung. Sie
reicht von etwa 0,8 bis zu Wellenlängen von 3 Mikrometer. Die im Strahlungskegel
der Sonne rotierende Erde absorbiert diese Strahlung je nach Beschaffenheit der
Oberfläche und wird erwärmt. Die erwärmte Erde ist selbst ist wie jeder
temperierte Körper auch eine Strahlungsquelle, denn jeder Körper oberhalb einer
Temperatur von O Kelvin, dem absoluten Nullpunkt bei -273 Grad Celsius, sendet
Wärmestrahlung aus. Die Intensität der Strahlung steigt proportional der 4.
Potenz der absoluten Temperatur eines Körpers und kann einfach mittels des
Stefan-Boltzmann-Gesetzes abgeschätzt werden. Hätte die Erdoberfläche eine
Einheitstemperatur von +15 Grad Celsius, dann läge das Maximum der abgestrahlten
Energie bei einer Wellenlänge von 10 Mikrometer (µm). Hätte sie eine Temperatur
von -80 Grad, so läge das Maximum bei 15 µm. Dies ist auch der Grund, warum das
Kohlendioxid, das eben diese 15 μm-Strahlung absorbiert, nicht verhindern kann,
dass nach einem sonnigen Tag, an dem sich die Erde auf 30 und mehr Grad erwärmen
konnte, in klaren Nächten die Wärmestrahlung der Erde ungehindert in den
Weltraum entweichen und sich die Erde unter 10 Grad abkühlen kann.
Hatte Wilhelm Wien den Wellenlängen eine Temperatur gegeben, so dauerte es noch
Jahrzehnte, bis dieses technisch umgesetzt und aus Temperaturaufnahmen mit
Kameras Wärmebilder konstruiert werden konnten. Solche Infrarotkameras werden
daher auch Wärmebildkameras genannt. Sie sind ein technisches Meisterwerk und
wurden nach der Kuba-Krise 1962 Mitte der sechziger Jahre entwickelt. Erst sie
ermöglichten die militärisch wichtige und inzwischen unverzichtbare nächtliche
Luftaufklärung. Nun war es möglich, die Nacht zum Tage zu machen, denn jeder
Körper verrät sich durch die ihm eigene und nur von seiner Temperatur abhängende
Wärmestrahlung. Diese durchdringt jedes perfekte Tarnnetz. Dank Wilhelm Wien war
lange nach seinem frühen Tod im Jahre 1928 die berührungslose Temperaturmessung
möglich geworden, war die Fernerkundung geboren. Von Hubschraubern, Flugzeugen
und Satelliten ist es möglich, jeden Gegenstand über seine Infrarotstrahlung zu
orten. Seit 1977 sind alle europäischen Wettersatelliten mit Infrarotkameras
ausgerüstet, kann der Tagesgang der Erdoberflächentemperaturen fotografiert und
nachvollzogen werden. Dies ist aber nur deswegen möglich, weil in dem
Wellenlängenbereich zwischen etwa 8 und 13 µm, der von Temperaturen zwischen –
50 und +100° Celsius reicht, die Atmosphäre durchsichtig, transparent oder
diatherman ist und ein stets offenes „atmosphärisches Strahlungsfenster“
besitzt. Nur deswegen konnte sich die Erde, deren Atmosphäre vor Millionen von
Jahren zeitweise fast ausschließlich aus Wasserdampf und Kohlendioxid bestand,
abkühlen und damit Leben ermöglichen.
Wilhelm Wien reiht sich würdig ein in die Reihe der großen Experimentalphysiker
des 18. und 19. Jahrhunderts. Das Licht war ja seit Sir Isaac Newton zum
Gegenstand der physikalischen Forschung geworden. Jahrhunderte ist gestritten
worden, ob das Licht Welle oder Korpuskel ist, bis die Physik sich zu der
Erkenntnis durchrang, dass Licht sowohl Welle als auch Korpuskel ist und gemäß
Max Planck aus Quanten oder nach Albert Einstein aus Photonen besteht. Wenn die
Polizei in finsterster Nacht per Hubschrauber mit Hilfe von Wärmebildkameras auf
Verbrecherjagd geht, Tornados nächtliche Aufklärung betreiben oder
Spionagesatelliten jede Bewegung und Tätigkeit auf der Erdoberfläche überwachen,
die Umsetzung einer Strahlungsinformation in eine Temperatur, die Eichung der
Wärmebilder liefert das Wiensche Verschiebungsgesetz.
Wilhelm Wien baute auf den Erkenntnissen seines berühmten Landsmannes Gustav
Robert Kirchhoff auf, der am 12. März 1824 in Königsberg geboren wurde.
Kirchhoff ist nicht nur bekannt für seine Regeln der elektrischen Stromkreise.
Kirchhoff hat auch zusammen mit Robert Wilhelm Bunsen die Elemente Caesium und
Rubidium entdeckt. Beide erklärten im Jahre 1858 die schon 1814 entdeckten
dunklen „Fraunhoferschen Linien“. Nach zahllosen Experimenten hatten sie
herausgefunden, dass es sich um Absorptions- und ebenso Emissionslinien von
Molekülen in der Sonnenatmosphäre handelt. Kirchhoff und Bunsen begründeten die
Spektralanalyse und legten damit die Grundlagen für die moderne Astronomie und
Astrophysik, aber auch Atomphysik. Über die Spektrallinien konnte man alle
Elemente identifizieren und die stoffliche Zusammensetzung von Sternatmosphären
bestimmen.
Der Königsberger Kirchhoff konstruierte auch den „Schwarzen Körper“ als
Eichkörper für das Wiensche Verschiebungsgesetz, wonach Wellenlänge und
Temperatur in direkte Beziehung gesetzt werden können. Von Kirchhoff stammt
ebenso das „Kirchhoffsche Strahlungsgesetz“. Es besagt, dass Materie gleich
welcher Art eine elektromagnetische Strahlung aussendet, die je nach Temperatur
sichtbar oder unsichtbar ist. Die Emission und Absorption erfolgt bei festen und
flüssigen Körpern wie der Erde kontinuierlich über ein breites
Wellenlängenspektrum mit einem genau bestimmbaren Maximum, bei Gasen dagegen
aber nur diskontinuierlich, selektiv, stoffspezifisch. Jeder gasförmige Stoff
kann daher anhand seiner nur ihm eigenen Spektrallinien identifiziert werden,
wie Menschen anhand ihrer unterschiedlichen Fingerabdrücke. Gustav Kirchhoff
starb in Berlin am 17. Oktober 1887. Er wäre des ersten Nobelpreises für Physik
im Jahre 1900 würdig gewesen.
Das Konzept des „schwarzen Körpers“ inspirierte nicht nur Wilhelm Wien, sondern
auch die Physiker Stefan und Boltzmann und insbesondere Max Planck, der nach Sir
Isaac Newton die Quantennatur der Strahlung nachwies, 1900 die Quantenphysik
begründete und damit die Periode der klassischen mechanischen Physik beendete.
Max Planck erhielt im Jahre 1919 den Nobelpreis für Physik. Dass Kirchhoff und
Wien solch ein kulturloses Schattendasein führen, liegt in der unglückseligen
Trennung zwischen den reinen Naturwissenschaften und den Geisteswissenschaften,
der Trennung zwischen Natur und Kultur. Doch auch Naturwissenschaftler sind
Kulturträger allerersten, ja höchsten Ranges und exzellente
Geisteswissenschaftler. Wer das Erbe ostpreußischer Kultur hegen und pflegen
will, darf solche Kultur- und Geistesgrößen wie Kirchhoff und Wien nicht
geringer stellen als Agnes Miegel, Käthe Kollwitz oder Lovis Corinth. Dass
nachts nicht mehr alle Katzen grau sind, das verdanken wir dem Nobelpreisträger
Wilhelm Wien aus dem kleinen Gaffken bei Fischhausen im Samland.
Oppenheim, den 27. April 2007
Oppenheimer Werkstatt für Wetterkunde
Dr. Wolfgang Thüne
nach oben
