Definition

Als Snell-Fenster (englisch: snell-window) bezeichnet man den kegelartig begrenzten Bereich, aus dem heraus man von unter Wasser durch die Wasseroberfläche hindurch Dinge über Wasser sehen kann. Außerhalb des Fensters sieht man entweder nur Schwärze oder von unten reflektierte Dinge der Wasserwelt. Innerhalb des Snell-Fenster sieht man ein 180°-Panorama der Welt oberhalb des Wassers.

Video

Man sieht das Snell-Fenster von über und von unter Wasser. Jäger und Gejagte in der Welt der Tiere machen sich den Effekt zunutze.

Strahlen von oben

Trifft Licht, etwa vorgestellt in Form von Strahlen, von oben aus der Luft kommend schräg auf eine Wasseroberfläche, wird die Richtung des Lichts immer geändert. Im Sinne der Strahlenoptik sagt man, dass das Licht beim Eintritt von der Luft ins Wasser hin zum Lot, hin zur Senkrechten gebrochen wird.

Strahlen die aus der Luft kommend ins Wasser gehen, verlaufen dann im Wasser immer steiler nach unten als vorher in der Luft.

Der Effekt der Brechung ist umso stärker, je flacher das Licht auf die Wasseroberfläche trifft. Blickt man von unter Wasser senkrecht nach oben, sieht man Lichtstrahlen, die ohne Brechung direkt ins Auge fallen. Je mehr man den Blick von unter Wasser dann parallel zur Wasseroberfläche ausrichtet, einfach gesagt, je flacher man blickt, desto mehr sieht man Strahlen, die beim Eintritt von der Luft ins Wasser extrem stark gebrochen wurden. Diese Strahlen ergeben den 180°-Grad Parnorame-Blick der Welt oberhalb der Wasseroberfläche. Neigt man die Blickrichtung dann noch weiter hin zur Waagrechten, dann blickt man in einen Bereich, in dem die Strahlen von der Luft so stark gebrochen werden, dass sie das Auge nicht mehr erreichen. Man ist dann außerhalb des Snell-Fensters.

Strahlen von unten

Trifft Licht, etwa vorgestellt in Form von Strahlen, von unten aus dem Wasser kommend an eine Grenzfläche hin zur Luft, kann es bei ausreichend flachem Winkel zu einer Totalreflexion kommen. Die Wasseroberfläche wirkt dann wie ein Spiegel.

Der Effekt der Totalreflexion ist hier mit einem einzelnen, grünen Laserstrahl gezeigt. Siehe mehr unter 👉 Totalreflexion

Wer in dieser Situation von unten auf die Wasseroberfläche blickt, sieht dort entweder gespiegelte Gegenstände vom Meeresboden oder aus dem Wasser, oder aber bei ausreichend tiefem oder dunklen Wasser nur Schwärze.

In der Tierwelt

Schützenfisch

Der Schützenfisch (Toxotes jaculatrix) lebt in flachen tropischen Gewässern, etwa in Mangrovenwäldern. Er wird bis zu 20 Zentimeter lang und 12 Jahre alt. Seine Verbreitung reicht vom Roten Meer, über Südoastasien bis nach Australien. Der Fisch kann in Süß-, in Salz- und in Brackwasser überleben. Er ernährt sich unter anderem von Insekten, die noch lebend auf die Oberlfäche des Wassers gefallen sind. Er kann aber auch Insekten erbeuten, die oberhalt des Wassers, etwa auf Pflanzenteilen sitzen.^[4]

"Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Brechung von Lichtstrahlen in Luft und Wasser zielt er [der Schützenfisch] mit einem Tropfenschwall auf ein ruhendes Insekt, das dann den Halt verliert, ins Wasser fällt und gefressen werden kann."^[5]

Der Schützenfisch schießt also Insekten als Beutetiere gezielt mit einem Strahl Wasser aus seinem Maul ab. Die Augen des Schützenfischs bleiben dabei aber unter Wasser. Und damit muss er den Brechungswinkel des Lichts an der Grenze zwischen Luft und Wasser berücksichtigen.

Der Fisch stellt seinen Körper recht steil ins Wasser.

Weil er recht steil nach oben blickt, ist der Effekt der Lichtbrechung nicht sehr stark.

Der Fisch kann die Menge Wasser der Entfernung zur Beute anpassen. Das spart Energie.

Manche Tiere sollen bis auf 4 Meter Entfernung nur wenige Zentimeter große Beute treffen.

War der erste Schuss nicht erfolgreich, probiert es der Fisch nochmals.

Die Jagdstrategie ist sehr weit hin zur Präzision entwickelt. Und der Fisch ist auch fähig zu lernen. So soll er dazu in der Lage sein, nutzlose Attrapen von lebender echter Beute unterscheiden zu können.

Vieraugen

An der Atlantikküste des nördlichen Südamerikas sowie an der Pazifikküste von Mitteldamerika lebt der Vieraugenfisch (Anableps anableps). Wie der Schützenfisch kann auch der Vieraugenfisch im Süß-, Salz- und Brackwasser leben. Um sowohl über als auch unter Wasser scharf sehen zu können, hat dieser Fisch seine zwei Augen jeweils zweigeteilt.

"Ein kleiner südamerikanischer Fisch ist noch stärker [als der Schützenfisch] spezialisiert. Seine Augen sind horizontal geteilt, so daß er praktisch vier Augen hat - die beiden unteren Hälften für das Sehen im Wasser, die beiden oberen für das Sehen in der Luft. Dieser Fisch kann an der Oberfläche schwimmen und gleichzeitig üer und unter sich nach Futter suchen."^[5]

Die Vieraugen ernähren sich von Insekten aber auch von wirbellosen Tieren, kleinen Fischen und Diatomeen (Algen). Die Fische können einige Zeit auf dem trockenen Land überleben, etwa wenn sie bei Niedrigwasser trocken fallen.

Ist es bloß eine Zufälligkeit oder doch ein tieferer Zusammenhang, dass sowohl der Schützenfisch als auch der Vieraugenfisch in flachen Gewässern verschiedener Salinitäten (Salzgehalte) leben können und ihren Sehapparat an die Verhältnisse über der Wasseroberfläche angepasst haben? In der Geschichte der Evolution waren Fische die ersten Wirbeltiere, die im lange entfernten Zeitalter des Devon an Land gegangen sind. Um diesen Schritt machen zu können, mussten diese unsere Vorfahren mehrere Anpassungen hinbekommen. Sie mussten zum Beispiel Sauerstoff aus der Luft atmen können, sie mussten sich gegen Austrocknung schützen können und sie mussten ihr Sehen an die Verhältnisse über Wasser anpassen können. Die Vieraugen, so scheint es, scheinen in der Nähe zu dieser Schwelle zwischen Wasser- und Landtieren zu leben. Doch ein wichtiger Unterschied zur Zeit des Devon muss angemekert werden. Als die Fische im Devon an Land gingen, waren sie dort geschützt vor Fressfeinden. Denn außer ihnen gab es ja damals noch keine größeren Tiere an Land. Das ist heute anders: wenn die Vieraugen ernsthaft aufs Land übersiedeln würden, bekämen sie es dort schnell mit einer Fülle hoch entwickelter Jäger zu tun. Man denke nur an Vögel, Nagetiere oder Schlangen.

Sonstige

Tiere die in einer Beziehung zu Beute oder Jägern auf der anderen Seite der Grenze zwischen Luft und Wasser stehen, müssen mit den Folgen des Snelliusschen Gesetzes der Brechung von Licht umgehen wollen.^[1] Fliegende Fische etwa sollen den toten Winkel im Snell-Fenster ausnutzen, um unsichtbar vor Verfolgern zu fliegen. Hornhechte hingeen sollen das Snell-Fenster gezielt nutzen, um im letzten Moment ihres Angriff für ihre Opfer unsichtbar zu sein.^[3]

Fußnoten

[1] Dass im Wasser jagende Vögel mit den Folgen des Snelliusschen Gesetzes umgehen können müssen wird gezeigt in: Brown, Holly, "Conquering Visual Challenges While Hunting Across the Air-Water Interface; a Study of Foraging Day Herons" (2017). Doctoral Dissertations. Online: https://digitalcommons.lib.uconn.edu/dissertations/1650

[2] Der Begriff "Snell-Fenster" wird zum Beispiel verwendet in: Martin B.: Die Optik-Tricks der Fische. Blog. 22. November 2015. ScienceBlogs. Leinfsfelden-Echterdingen. ISSN 2509-5498. Online: https://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2015/11/22/die-optik-tricks-der-fische

[3] R. D. Day, F. Mueller, L. Carseldine, N. Meyers-Cherry und I. R. Tibbetts. Ballistic Beloniformes [Hornhechtartige] attacking through Snell’s Window. Journal of Fish Biology (2015) doi:10.1111/jfb.12799

[4] Zum Schützenfisch: Thomas Schlegel, Christine J. Schmid, Stefan Schuster: Archerfish shots are evolutionarily matched to prey adhesion. In: Current Biology. Band 16, Nr. 19, 10. Oktober 2006, S. R836–R837.

[5] David Attenborough: Das Leben auf unserer Erde. Vom Einzeller zum Menschen. Das Wunder der Evolution. Englisches Original: Life on Earth (1979). Deutsch: Verlag Paul Harey, Hamburg, 1979. ISBN: 3-490-00618-6. Dort auf den Seiten 126 (Schützenfisch) bis 127 (Vieraugenfisch).

[6] Zum Vieraugenfisch: G. L. Owens, D. J. Windsor, J. Mui, J. S. Taylor: A Fish Eye Out of Water: Ten Visual Opsins in the Four-Eyed Fish, Anableps anableps. In: PLoS ONE. Band 4, Nr. 6, 2009, S. e5970. doi:10.1371/journal.pone.0005970