Schatten - Shadow

Schatten der Besucher des Eiffelturms , von der ersten Plattform aus gesehen

Der Schatten des Parkzauns wird durch eine unebene Schneeoberfläche verzerrt

Ein Schatten ist ein dunkler Bereich, in dem das Licht einer Lichtquelle durch ein undurchsichtiges Objekt blockiert wird . Es nimmt das gesamte dreidimensionale Volumen hinter einem Objekt mit Licht davor ein. Der Querschnitt eines Schattens ist eine zweidimensionale Silhouette oder eine umgekehrte Projektion des Objekts, das das Licht blockiert.

Punkt- und punktförmige Lichtquellen

Umbra, Halbschatten und Antumbra .

Eine punktförmige Lichtquelle wirft nur einen einfachen Schatten, der als „ Umbra “ bezeichnet wird. Bei einer nicht punktförmigen oder "erweiterten" Lichtquelle wird der Schatten in Kernschatten , Halbschatten und Antumbra unterteilt . Je breiter die Lichtquelle, desto verschwommener wird der Schatten. Wenn sich zwei Halbschatten überlappen, scheinen sich die Schatten anzuziehen und zu verschmelzen. Dies ist als Schattenblaseneffekt bekannt .

Die Umrisse der Schattenzonen können gefunden werden, indem man die Lichtstrahlen verfolgt, die von den äußersten Bereichen der ausgedehnten Lichtquelle emittiert werden. Die Kernschattenregion empfängt kein direktes Licht von irgendeinem Teil der Lichtquelle und ist die dunkelste. Ein Betrachter, der sich im Kernschattenbereich befindet, kann keinen Teil der Lichtquelle direkt sehen.

Im Gegensatz dazu wird der Halbschatten von einigen Teilen der Lichtquelle beleuchtet, was ihm eine mittlere Lichtintensität verleiht. Ein Betrachter, der sich in der Halbschattenregion befindet, sieht die Lichtquelle, wird jedoch teilweise durch das Objekt, das den Schatten wirft, blockiert.

Wenn mehr als eine Lichtquelle vorhanden ist, gibt es mehrere Schatten, wobei die überlappenden Teile dunkler sind, und verschiedene Kombinationen von Helligkeiten oder sogar Farben. Je diffuser die Beleuchtung ist, desto weicher und unscharfer werden die Schattenkonturen, bis sie verschwinden. Die Beleuchtung eines bedeckten Himmels erzeugt wenige sichtbare Schatten.

Das Fehlen von diffusen atmosphärischen Effekten im Vakuum des Weltraums erzeugt Schatten, die durch kontrastreiche Hell-Dunkel-Grenzen stark und scharf abgegrenzt sind.

Bei einer Person oder einem Objekt, die die Oberfläche berührt, auf die der Schatten projiziert wird (z. B. eine auf dem Boden stehende Person oder eine Stange im Boden), konvergieren die Schatten am Kontaktpunkt.

Ein Schatten zeigt, abgesehen von Verzerrungen, das gleiche Bild wie die Silhouette, wenn man das Objekt von der Sonnenseite betrachtet, also das Spiegelbild der Silhouette von der anderen Seite.

Astronomie

Drei Monde ( Callisto , Europa und Io ) und ihre Schatten ziehen über Jupiter .

Die Namen Umbra, Penumbra und Antumbra werden oft für die von astronomischen Objekten geworfenen Schatten verwendet , obwohl sie manchmal verwendet werden, um Dunkelheitsgrade zu beschreiben, beispielsweise bei Sonnenflecken. Ein astronomisches Objekt wirft für den Menschen sichtbare Schatten, wenn seine scheinbare Helligkeit gleich oder niedriger als -4 ist. Die einzigen astronomischen Objekte, die sichtbare Schatten auf die Erde projizieren können, sind die Sonne , der Mond und unter den richtigen Bedingungen Venus oder Jupiter . Die Nacht wird dadurch verursacht, dass die Hemisphäre eines Planeten , der seinem Orbitalstern gegenübersteht , sein Sonnenlicht blockiert.

Ein Schatten, den die Erde auf den Mond wirft, ist eine Mondfinsternis . Umgekehrt ist ein Schatten, den der Mond auf die Erde wirft, eine Sonnenfinsternis .

Tagesvariation

Die Sonne wirft Schatten, die sich im Laufe des Tages dramatisch ändern. Die Länge eines auf den Boden geworfenen Schattens ist proportional zum Kotangens des Elevationswinkels der Sonne – ihrem Winkel θ relativ zum Horizont. Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, wenn θ = 0° und cot(θ) = ∞, können die Schatten extrem lang sein. Wenn die Sonne (in Stellen zwischen dem Tropen Krebs und Steinbock nur möglich) direkt von oben gelangt, dann θ = 90 °, cot (θ) = 0, und Schatten geworfen werden direkt unter Objekten.

Solche Variationen haben Reisenden seit langem auf ihren Reisen geholfen, insbesondere in kargen Regionen wie der Arabischen Wüste .

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Dampfphasen Ausbruch des Schloss - Geysir in Yellowstone Nationalpark wirft einen Schatten auf seinem eigenen Dampf. Dämmerungsstrahlen sind auch sichtbar.

Je weiter die Entfernung vom Objekt, das das Licht blockiert, zur Projektionsfläche ist, desto größer ist die Silhouette (sie werden als proportional betrachtet ). Wenn sich das Objekt bewegt, projiziert der vom Objekt geworfene Schatten ein Bild mit Abmessungen (Länge), die sich proportional schneller ausdehnen als die eigene Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts. Die Zunahme von Größe und Bewegung gilt auch, wenn der Abstand zwischen dem Störobjekt und der Lichtquelle geringer ist. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich der Schatten schneller als das Licht bewegen kann, selbst wenn er über große Entfernungen wie Lichtjahre projiziert wird . Der Lichtverlust, der den Schatten projiziert, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit auf die Projektionsfläche zu .

Obwohl sich der Rand eines Schattens entlang einer Wand zu "bewegen" scheint, ist die Zunahme der Länge eines Schattens in Wirklichkeit Teil einer neuen Projektion, die sich vom Interferenzobjekt mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Da es keine tatsächliche Kommunikation zwischen Punkten in einem Schatten gibt (außer bei Reflexion oder Interferenz von Licht mit Lichtgeschwindigkeit), kann ein Schatten, der über eine Oberfläche mit großen Entfernungen (Lichtjahre) projiziert wird, keine Informationen zwischen diesen Entfernungen mit dem Schatten des Schattens übermitteln Kante.

Farbe

Bildende Künstler sind sich normalerweise des von mehreren Quellen emittierten oder reflektierten farbigen Lichts sehr bewusst, das komplexe mehrfarbige Schatten erzeugen kann. Chiaroscuro , Sfumato und Silhouette sind Beispiele für künstlerische Techniken, die bewusst Schatteneffekte einsetzen.

Tagsüber hat ein Schatten, der von einem undurchsichtigen Objekt, das von Sonnenlicht beleuchtet wird, einen bläulichen Farbton. Dies geschieht aufgrund der Rayleigh-Streuung , der gleichen Eigenschaft, die dazu führt, dass der Himmel blau erscheint. Das undurchsichtige Objekt kann das Licht der Sonne blockieren, aber nicht das Umgebungslicht des Himmels, das blau ist, da die Atmosphärenmoleküle blaues Licht effektiver streuen. Dadurch erscheint der Schatten bläulich.

Abmessungen

Nebelschatten des Südturms der Golden Gate Bridge

Ein Schatten nimmt ein dreidimensionales Raumvolumen ein, das jedoch normalerweise erst sichtbar wird, wenn er auf eine reflektierende Oberfläche projiziert wird. Ein leichter Nebel , Nebel oder eine Staubwolke können die 3D-Präsenz von volumetrischen Mustern in Licht und Schatten offenbaren.

Nebelschatten können für Betrachter, die es nicht gewohnt sind, Schatten in drei Dimensionen zu sehen, seltsam erscheinen. Ein dünner Nebel ist gerade dicht genug, um von dem Licht beleuchtet zu werden, das durch die Lücken in einer Struktur oder in einem Baum fällt. Dadurch wird der Weg eines Objektschattens durch den Nebel als abgedunkeltes Volumen sichtbar. In gewisser Weise sind diese Schattenbahnen das Gegenteil von dämmerungsaktiven Strahlen, die durch Lichtstrahlen verursacht werden, sie werden durch die Schatten fester Objekte verursacht.

Theaternebel und starke Lichtstrahlen werden manchmal von Lichtdesignern und bildenden Künstlern verwendet, die versuchen, dreidimensionale Aspekte ihrer Arbeit hervorzuheben.

Inversion

Oftmals werden Schatten von Maschendrahtzäunen und anderen solchen Objekten invertiert (helle und dunkle Bereiche werden vertauscht), wenn sie sich weiter vom Objekt entfernen. Ein Maschendrahtzaunschatten beginnt mit hellen Rauten und Schattenkonturen, wenn er den Zaun berührt, aber er wird allmählich verwischt. Wenn der Zaun schließlich hoch genug ist, wird das Lichtmuster zu Schattenrauten und hellen Umrissen.

Fotografie

Mondscheinschatten eines Fotografen

In der Fotografie, die im Wesentlichen Muster aus Licht, Schatten und Farbe aufzeichnet, sind "Lichter" und "Schatten" die hellsten bzw. dunkelsten Teile einer Szene oder eines Bildes. Die fotografische Belichtung muss angepasst werden (es sei denn, es werden Spezialeffekte gewünscht), damit der Film oder Sensor , der einen begrenzten Dynamikbereich hat, Details in den Lichtern aufnehmen kann, ohne dass sie verwaschen werden, und in den Schatten, ohne dass sie zu undifferenzierten schwarzen Bereichen werden.

Auf Satellitenbildern und Luftbildern , die vertikal aufgenommen wurden, sind hohe Gebäude an ihren langen Schatten als solche zu erkennen (wenn die Fotos nicht in den Tropen gegen Mittag aufgenommen wurden), während diese auch mehr von der Form dieser Gebäude zeigen.

Analoge Konzepte

Schatten als Begriff wird oft für jede Okklusion oder Blockade verwendet, nicht nur in Bezug auf Licht. Ein Regenschatten ist beispielsweise ein trockenes Gebiet, das sich in Bezug auf die vorherrschende Windrichtung außerhalb eines Gebirges befindet ; das erhöhte Gelände verhindert, dass Regenwolken in die Trockenzone eindringen. Ein akustischer Schatten tritt auf, wenn ein direkter Schall in einem bestimmten Bereich blockiert oder umgeleitet wurde.

Kulturelle Aspekte

Ein unbeaufsichtigter Schatten wurde von einigen Kulturen als ähnlich wie ein Geist angesehen. Der Name für die Angst vor Schatten ist "Sciophobia" oder "Sciaphobia".

Chhaya ist die hinduistische Göttin der Schatten.

Wenn in der Heraldik eine Ladung angeblich "im Schatten" gezeigt wird (das Aussehen der Ladung besteht nur darin, dass sie in einem neutralen Farbton umrandet ist und nicht aus einer oder mehreren Tinkturen besteht, die sich von dem Feld unterscheiden, auf dem sie platziert ist), ist dies technisch als "umbrannt" beschrieben. Angeblich kann nur eine begrenzte Anzahl von spezifischen Belastungen so abgebildet werden.

Schatten werden oft mit Dunkelheit und Bösem in Verbindung gebracht; in allgemeiner Folklore und modernen Graphic Novels sind wie Schatten, die zum Leben erwachen, oft böse Wesen, die versuchen, die Menschen zu kontrollieren, die sie widerspiegeln. Der Film Upside-Down Magic zeigt einen antagonistischen Schattengeist, der Menschen besessen hat.

Energieerzeugung

Wissenschaftler von der National University of Singapore präsentierten einen Schatteneffekt Energiegenerator (SEG), die aus Zellen besteht Gold auf einer abgeschiedene Siliziumscheibe angebracht auf einer Kunststofffolie. Der Generator hat unter Innenraumbedingungen (0,001 Sonne) eine Leistungsdichte von 0,14 µW cm ⁻² .

Galerie

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Schatten auf der Burg
Langer Schatten eines toten Baumes mit seinen Ästen auf trockenen Feldern, später Nachmittag
Wenn die Sonne tief steht, werden die Schatten lang und Details bekommen die falschen Proportionen.