Oppenheimer Werkstatt für Wetterkunde

 

 

Wilhelm Wien – der „Vater“ der Infrarotfotographie

Wolfgang Thüne

 

 

Er ist einer der ganz Großen unter den deutschen Physikern und dennoch weitestgehend unbekannt. Er ist Träger des Nobelpreises für Physik (1911) und wird in Deutschland selbst unter Physikern nur wenig genannt. Doch dies nicht erst heute unter dem Diktat der „Klima- und Treibhausphysik“. Als Max Planck zu seinem 60. Geburtstag von der jungen Frankfurter Universität die Würde eines Ehrendoktors der Naturwissenschaften  verliehen wurde, würdigte ihn der Max von Laue, der 1914 den Nobelpreis für Physik erhalten hatte. In seiner Lobrede hieß es: „Von der statischen Wärmelehre ausgehend, haben Sie, als Ludwig Boltzmanns ebenbürtiger Nachfolger, in ihrer Strahlungstheorie ein vollkommenes Gebiet der naturwissenschaftlichen Forschung erschlossen; … Die Krönung Ihres Werkes, das Strahlungsgesetz, wird, solange es Physiker gibt, Ihren Namen unvergesslich machen.“

 

Doch sein Gesetz ist Bestandteil des Planckschen Strahlungsgesetzes und ist bekannt als das „Wiensche Verschiebungsgesetz“. Offensichtlich war es unverstanden, weil es der Zeit weit voraus war und eine praktische Anwendung nicht in Sicht war. Der Mann, von dem hier die Rede ist, ist Wilhelm Wien. Wien ist ein Produkt des klassischen preußischen Humboldt’schen Bildungsideals, eines Bildungssystems, das in der genialen Kombination von Forschung und Lehre vorbildlich in der Welt war.

 

Doch wer war dieser Wilhelm Wien? Wer ist diese fast vergessene Geistesgröße, der der Welt ein Gesetz schenkte, das half Unsichtbares sichtbar zu machen? Mit seinem Gesetz erwarb der Mensch die Fähigkeit, wie eine Klapperschlange ein Objekt über seine unsichtbare Wärmestrahlung sichtbar zu machen. 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 im 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 arbeite 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 Nobelpreis für Physik als Anerkennung für seine großartigen Arbeiten zur Wärmestrahlung. Er war erst der vierte Deutsche nach Wilhelm Conrad Röntgen (1901), Philipp Lenhard (1905) und Ferdinand Braun (1909).

 

Was ist das Außergewöhnliche an der Leistung von Wilhelm Wien? Die für alle Menschen wohl vertraute und für alles Leben unverzichtbare Wärmestrahlung ist ein volkstümlicher Begriff die Infrarotstrahlung. Diese ist für unser menschliches Auge unsichtbar und wird von jedem Körper einzig in Abhängigkeit von seiner Temperatur ausgesandt. Diese Strahlung wird daher auch Temperaturstrahlung genannt, die wiederum wie alle Strahlung, von der Röntgenstrahlung bis zu den Radiowellen, eine elektromagnetische Strahlung ist. Diese hat je nach Wellenlänge oder Frequenz völlig verschiedene Wirkungen, betrachtet man nur den engen Spektralbereich zwischen der Ultraviolettstrahlung über das sichtbare Licht bis zur Ultrarot – oder Infrarotstrahlung. Der Übergang von der sichtbaren Sonnenstrahlung zur unsichtbaren Wärmestrahlung, die beim Sonnenbad als wohltuende Wärme empfunden wird, liegt bei 0,78 Mikrometer.  Die unsichtbare Wärmestrahlung wurde von Friedrich Wilhelm Herrschel im Jahre 1800 entdeckt. Es war die große Zeit der Experimentalphysik, die von Galileo Galilei begründet und von Isaac Newton fortgesetzt wurde. Newton ließ das weiße Sonnenlicht durch ein Prisma fallen und spaltete es in seine Regenbogenfarben auf. Herrschel wiederholte diesen Versuch und legte mit begründeter Neugier unter jede Spektralfarbe ein Thermometer. Jenseits des roten Lichts legte er auch ein Thermometer und stellte erstaunt fest, dass dieses eine höhere Temperatur zeigte als die anderen Thermometer. Die für unser Auge  nicht sichtbare, aber für unsere Haut wohltuend spürbare solare Wärmestrahlung, die Ultrarot- oder später Infrarotstrahlung, war entdeckt.

 

Langsam entwickelte sich in der Physik ein neuer Zweig, die Wärmelehre. Die Wärme wurde als eine Form der Energie erkannt, die man in andere oder aus anderen Energieformen verwandeln kann. Clausius hatte hier mit dem so genannten „Zweiten Hauptsatz“ der Wärmelehre oder Thermodynamik einen Schlussstein gesetzt, indem er nachwies, dass nicht jede Energie in jede andere beliebig verwandelt werden könne. Vielmehr gebe es „einlinige“ Prozesse, die nicht mehr rückgängig gemacht werden können, als „irreversibel“ sind. Das Wetter ist solch ein unumkehrbarer Prozess. So kann beispielsweise die Bewegung eines Rades durch Reibungsdruck gebremst und die Bewegungsenergie dabei in Wärme verwandelt werden; dagegen ist dieser Prozess nicht umkehrbar: es kann nicht etwa ein Rad durch Erwärmung der Bremsen in Bewegung gesetzt werden. In den Bereich dieses Satzes gehört auch die Tatsache, dass ein erhitzter Körper Wärme an die Umgebung abgibt, aber nicht Wärme vom kälteren Körper aufnimmt. Kein Körper kann sich folglich in einer kälteren Umgebung erwärmen.

 

Während das sichtbare Licht die Erde und alle Gegenstände auf ihr unendlich bunt erscheinen lässt, wird die Erde hauptsächlich unsichtbar erwärmt. Die Sonne ist zwar die Strahlungs- und Energiequelle, doch diese wird nach dem langen Weg durch Weltraum und Atmosphäre von der Erdoberfläche absorbiert. Die Erde ist Empfänger solarer Strahlungswärme und zugleich Emittent terrestrischer Wärmestrahlung. Beide 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 beschreibt die Verschiebung des Wellenlängenmaximums mit der Temperatur. Wird ein Körper erwärmt, steigt seine Temperatur, so verschiebt sich das Wellenlängenmaximum in den kürzeren, sinkt sie, so wandert es in den längeren Wellenlängen- oder Frequenzbereich. Erhitzt man ein Hufeisen, so wird ab einer bestimmten Temperatur die unsichtbare Wärmestrahlung sichtbar, zuerst als Grauglut, dann als Rot-, Gelb- und schließlich Weißglut.

 

Etwa 50 Prozent der Sonnenstrahlung zählen zu der nahen Infrarotstrahlung. Sie reicht bis zu Wellenlängen von etwa 3 Mikrometer. Die Erde absorbiert diese Strahlung und wird erwärmt. Die Erde selbst ist auch eine Strahlungsquelle, denn jeder Körper oberhalb einer Temperatur von O Kelvin, dem absoluten Nullpunkt bei -273 Grad Celsius, sendet Wärmestrahlung aus. Die Strahlung steigt proportional der 4. Potenz der absoluten Temperatur eines Körpers und kann einfach mittels des im deutschen Sprachgebrauch genannten Stefan-Boltzmann-Gesetzes abgeschätzt werden. In den englischsprachigen Physikbüchern heißt dieses Gesetz „Stefan’s Law“, denn Josef Stefan legte die experimentellen Grundlagen für die theoretische Begründung durch Ludwig Boltzmann. Hätte die Erde eine einheitliche Oberflächentemperatur von +15 Grad Celsius, Dann läge das Maximum der abgestrahlten Energie bei einer Wellenlänge von 10 Mikrometer (µm). Hätte sie eine Temperatur von -80° C, so läge das Maximum bei 15 µm. Dies ist auch der Grund, warum das Kohlendioxid, das eben diese 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 um die 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 war 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 die Atmosphäre durchsichtig oder transparent ist, ein stets offenes „atmosphärisches Strahlungsfenster“ besitzt.

 

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 sehr spät auch 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. Über die Spektrallinien konnte man nun 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 auch 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 1901 würdig gewesen.

 

Das Konzept des „schwarzen Körpers“ inspirierte nicht nur Wilhelm Wien, sondern auch die Physiker Josef Stefan und Ludwig Boltzmann und insbesondere Max Planck, der nach Isaac Newton die Quantennatur der Strahlung  nachwies und 1900 die Quantenphysik begründete und 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 wie die Heimatvertriebenen das Erbe ostdeutscher 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. Wenn ein Verbrecher nicht mehr im Schutz der Dunkelheit untertauchen und dem infrarotbewehrten Polizeiauge nicht entgehen kann, dann verdanken wir es Wilhelm Wien

 

Oppenheim, den  1. Mai 2007

 

Dr. phil. Wolfgang Thüne, Dipl.-Met.