Kernschatten

Schatten am Strand

Schattenwirkung bei Sphären, Leonardo da Vinci 1492

Ein Schatten ist

1. ein Raum, der begrenzt wird durch die von einer Lichtquelle abgewandte Seite eines lichtdämpfenden Gegenstandes und das durch dieselbe Lichtquelle erzeugte ungedämpfte Licht (z. B. Nachtseite der Erde)
2. das durch die Lichtquelle und den Gegenstand erzeugte Projektionsbild auf einem weiteren Gegenstand (z. B. Schattentheater)

Es ist ein Schattenraum („Raum ohne Licht“), der durch einen vor einer Lichtquelle befindlichen Gegenstand verursacht wird. Der vom Schattenraum gebildete Bereich enthält in durch ihn gelegten Ebenen eine zweidimensionale Projektion des Objektes - Verzerrung und Größe hängen vom Winkel der Fläche und vom Abstand der Lichtquelle ab. Man unterscheidet je nach Anzahl und Ausdehnung der Lichtquelle(n) mehrere Arten von Schatten. Alle Oberflächen, die im Bereich dieses Schattenraums liegen, sind schattiert, sie liegen „im Schatten“.

Die Trennlinie zwischen beleuchtetem und unbeleuchtetem Raum oder einer Fläche ist der Separator, die Lichtgrenze Schattengrenze oder Hell-Dunkel-Grenze, in Astronomie und Meteorologie auch Terminator (Tag-Nacht-Grenze) genannt.

Schatten bei einer einzelnen Lichtquelle

Ein startender Space Shuttle. Die Sonne steht links hinter der Kamera, und der Schatten der Rauchsäule wird in der Erdatmosphäre in Richtung des Mondes geworfen.

Eigenschatten

Der Eigenschatten eines Körpers ist der Schatten, den der Körper auf sich selbst durch sich selbst verursacht. Dabei sind aber nur Schattenflächen gemeint, die auf den jeweiligen schattenverursachenden Flächen liegen. Anders formuliert ist der Eigenschatten die Menge der nicht beleuchteten beziehungsweise der Lichtquelle abgewandten Seiten.

Schlagschatten

Schatten des Fuji auf die Oberseite der Wolken

Der Schlagschatten wird auf einem hellen Hintergrund hervorgerufen, wenn das Objekt davor von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle (Sonne, Scheinwerfer, Fotoblitz) beleuchtet wird. Dieser Schatten ist bemerkenswert scharf und wird daher vom Betrachter besonders intensiv wahrgenommen. Er bildet das Objekt zumindest teilweise ab und lässt erkennen - ebenso wie der Körperschatten - aus welcher Richtung das Licht kommt.
Die Schattenprojektion nennt man auch Schattenriss, sie zeigt den Umriss bzw. die Silhouette des Objektes.
Schattenriss wird auch eine Zeichnung genannt, die durch Nachzeichnen der Schattenprojektion entsteht.
Im Schattentheater kann die Vergrößerung des Schattens zur Veränderung der scheinbaren Proportionen zweier Gegenstände zueinander ausgenutzt werden, indem diese verschieden nahe zur Lichtquelle positioniert werden.

Einen negativen Aspekt hat diese Schattenwirkung im Zusammenhang mit sehr starken Belichtungsereignissen, wie sie durch eine Atombombenexplosion hervorgerufen werden. Die enorme Strahlungsdichte bewirkt thermische Materialveränderungen im nicht abgeschatteten Bereich, wodurch die wenig bestrahlte Schattenfläche einen Kontrast als dauerhafte Abbildung hinterlässt.

Drei Lichtquellen ergeben drei Schattenbilder eines Ambigramms

Schatten bei Parallelbeleuchtung

• Ist eine Kante zu einer schattenempfangenden Ebene parallel, so ist der Schatten der Kante zur anderen Kante parallel.
• Ist eine Kante zu einer schattenempfangenden Ebene nicht parallel, so geht der (verlängerte) Schatten der Kante durch den Schnittpunkt der (verlängerten) Kante mit der Ebene.
• Der von einer lotrechten Kante auf eine waagerechten Ebene geworfene Schatten ist parallel zu den Grundrissen der Lichtstrahlen.

Schatten bei ausgedehnten oder mehreren Lichtquellen

Kernschatten

Der Kernschatten (Umbra) ist der düsterste Bereich eines Schattens.

Da reale Lichtquellen nicht punktförmig sind, sondern eine gewisse räumliche Ausdehnung haben, sind die Umrisse eines Schattens nicht scharf begrenzt. Der Grund dafür ist, dass am Rand des Schattens Teile der Lichtquelle zwar verdeckt sind, andere Bereiche der Lichtquelle jedoch noch sichtbar sind (Halbschatten). Ist die Lichtquelle klein genug bzw. weit genug entfernt, so gibt es im Inneren des Schattens einen Bereich, in dem die Lichtquelle vollständig verdeckt ist. Dieser Bereich ist der Kernschatten.

Simulation der Sonnenfinsternis am 29. März 2006

Bei der Mondfinsternis ruft der Kernschatten der Erde die deutliche Verdunklung der Mondoberfläche hervor, während der Effekt des Halbschattens mit bloßem Auge praktisch nicht zu erkennen ist. Bei Sonnenfinsternissen erlebt man eine totale Sonnenfinsternis, wenn man sich im Kernschatten des Mondes befindet. Im Halbschatten erlebt man nur eine partielle Sonnenfinsternis oder eine ringförmige Sonnenfinsternis. In letzterem Fall erreicht der Kernschatten die Erde nicht.

Halbschatten

Schattenwurf im Nebel

Der Halbschatten (Penumbra) ist die Fläche, die nicht das volle Licht der Umgebung erhält. Eine einzige Punktlichtquelle kann hinter einem schattenwerfenden Gegenstand daher keinen Halbschatten hervorrufen.
Erst die Existenz mindestens einer zweiten Punktquelle kann einen Kernschatten und darum herum maximal soviele Halbschattenflächen erzeugen, wie Lichtquellen vorhanden sind.

Die häufigste Ursache für Halbschatten sind jedoch ausgedehnte Lichtquellen. Wird etwa ein mattierter Leuchtkörper zur Ausleuchtung eines Raums verwendet, so lässt sich im Schatten eines Körpers an der Wand ein nahezu schwarzer Schattenbereich und darum herum ein Halbschattenbereich erkennen. Würde man vom Bereich des Kernschattens aus in Richtung Lichtquelle schauen, so wäre sie vollständig durch den Gegenstand verdeckt. Aus dem Halbschatten heraus ist die Lichtquelle dagegen nur teilweise bedeckt. Der dunkle Bereich des Kernschattens ist dabei umso ausgedehnter und auch schärfer begrenzt, je näher der Gegenstand an der Wand ist. Mit zunehmendem Abstand des Gegenstandes von der Wand verschwindet der Kernschatten und es bleibt nur mehr als der Halbschatten übrig.

Ein Loch ruft einen Halbschatten in der Form der Lichtquelle hervor, wenn das Loch einen kleineren Raumwinkel als die Lichtquelle bildet. Dies lässt sich in der Natur an kreisförmigen Abbildungen der Sonne unter Bäumen beobachten - auch wenn die Lücken des Blätterdaches eine eckige Form haben, sind die Lichtflecken rund. Diese "Sonnenkringel" oder "Sonnentaler" ändern bei einer teilweisen Sonnenfinsternis ihre Form von rundlichen Flecken zu bogenförmigen Sicheln.
Der Effekt ist in perfektionierter Form bei der Camera Obscura wiederzufinden.

Eine der frühesten künstlerischen Darstellungen von Kern- und Halbschatten findet sich bei Robert Campin (Gemälde des "Gnadenstuhls", Städel Frankfurt, c. 1410-30).

Im Gartenbau versteht man unter Halbschatten, wenn ein Gewächs nicht direkt der Sonne ausgesetzt ist: z.B. herrscht zur Haupttriebzeit April und Mai lichter Schatten, im Sommer möglicherweise Baumschatten für einen halben Tag, im Spätherbst wieder lichter Schatten.

Farbige Schatten

Farbige Schatten entstehen, wenn eine Szene von mindestens zwei verschiedenfarbigen Lichtquellen beleuchtet wird im Bereich der Halbschatten, die die einzelnen beleuchteten Gegenstände aufeinander und auf den Hinter- beziehungsweise Untergrund der Szene werfen. Sie können auch mit einer einzigen, monochromen Lichtquelle und einen farbigen durchsichtigen Gegenstand, zum Beispiel eines gefärbten Glases erzeugt werden.

Erzeugung farbiger Schatten

Mischfarben im Schatten bei örtlich getrennter Beleuchtung durch die Grundfarben Rot, Grün und Blau

Durch kontrollierten Einsatz verschiedenfarbiger Lichtquellen und entsprechend in der Szene positionierter Gegenstände lassen sich auf einem Projektionsschirm farbige Schatten experimentell erzeugen. Die wahrgenommenen Mischfarben folgen dabei den Gesetzen der additiven Farbsynthese.

Farbige Schatten bei natürlicher Beleuchtung

Bei natürlicher Beleuchtung treten im Halbschattenbereich Wechselwirkungen mit der durch Subtraktive Farbsynthese generierten Eigenfarbe (beispielsweise der Anstrichfarbe) des Hintergrundes auf:

Bei Beleuchtung mit Tageslicht sind die Schattenbereiche nicht vollständig dunkel, sondern durch Streulicht aus dem Himmelsblau aufgehellt. Dieses ist gegenüber dem primären Sonnenlicht spektral blauverschoben (siehe Rayleigh-Streuung), deshalb enthalten Schattenbereiche einer gleichfarbigen Fläche einen höheren Blauanteil gegenüber den Bereichen, die im direkten Sonnenlicht liegen. Dies wird besonders deutlich im Fall diffus reflektierender Flächen, etwa einer (farbigen) verputzten Hauswand oder einer (rein weißen) Neuschneefläche.

Goethe beschäftigt sich in seiner Farbenlehre intensiv mit diesen natürlichen Farbigen Schatten und sucht nach Gründen, warum sie (auch nach Beobachtungen von Horace-Bénédict de Saussure ) nicht immer blaustichig sind.

Farbige Schatten als bildnerisches Gestaltungsmittel

Die genaue Beobachtung der Farbnuancen in farbigen Schatten und anderer Effekte der Atmosphärischen Optik war und ist Ausgangspunkt zur Entwicklung wichtiger künstlerischer Stilmittel, insbesondere im Impressionismus: Die Darstellung der Wechselwirkung von abgebildetem Gegenstand und räumlich umgebender Atmosphäre schafft einen Bildraum, der den Beobachter mit einbezieht und den Bildern unmittelbare Lebendigkeit und Frische verleiht.

Siehe auch

• Schattierung – die konstruktive Erzeugung von Schatten als Lichtschutz
• Schattenwirkung, Schatten (Computergrafik) – die Darstellung von Schatten
• Schattenspiel, Waldschattenspiel - Spielerische Anwendung von Schattenwurf

Weblinks

• Experimentelle Anordnung zur Erzeugung Farbiger Schatten
• Abschnitt aus Goethes Farbenlehre zum Thema "Farbige Schatten"