Ein Kerzenständer mit neun brennenden Kerzen

Warum leuchtet eine Kerzenflamme unten bläulich und oben rötlich?

Illustration einer Kerze: Stumpf, Docht, darüber eine tropfenförmige Flamme.
Zonen einer Kerzenflamme

Wer sich eine Kerzenflamme mal genauer anschaut, stellt fest, dass sich darin verschiedene Zonen ausmachen lassen. Während die eigentliche Flamme in Gelb- und Orangetönen erstrahlt, finden sich an deren Rändern, nahe dem Docht, auch blau leuchtende Regionen. Direkt über dem Docht schließt dagegen ein dunkler Bereich an. Neben den Farben variieren auch die Temperaturen innerhalb der Flamme: Oberhalb des Dochts sind es gerade einmal 600 Grad Celsius, in den Außenbereichen der gelben Flamme dagegen bis zu 1400 Grad Celsius.

Treibstoff der Kerze ist Wachs, beispielsweise Paraffin. Zündet man die Kerze an, schmilzt das Wachs rund um den Docht, steigt durch Kapillarwirkung im Docht auf und verdampft durch die Hitze der Flamme. Zunächst ist der Wachsdampf noch nicht genügend erhitzt und sammelt sich in einer dunklen, kühleren Zone um den Docht herum. Mit zunehmender Temperatur gen Flamme brechen die langen Kohlenwasserstoffketten im Paraffin (CnH2n+2) auf und verbinden sich teils zu neuen Molekülen. Schließlich werden diese Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff gen Flamme gezogen und mischen sich an deren Oberfläche mit Sauerstoff.

Tropfenförmige Kerzenflamme, in der sich die verschiedenen Zonen ausmachen lassen.
Kerzenflamme

In dieser sogenannten Reaktionszone reagieren die verschiedenen Moleküle sowohl miteinander als auch mit dem Sauerstoff, wobei Wärme freigesetzt wird. Letztlich an die Umgebung abgegeben werden zwar vor allem Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid, doch in den komplexen Reaktionen entsteht eine Vielzahl an Zwischenprodukten. Darunter auch molekularer Kohlenstoff (C2) und CH-Moleküle, die durch die sogenannte Chemilumineszenz für das bläuliche Licht nahe dem Docht der Kerze sorgen: Sie gehen bereits angeregt aus einer chemischen Reaktion hervor, das heißt, eines ihrer Elektronen besetzt ein höheres Energieniveau als im Grundzustand. Wenig später geben diese Moleküle ihre überschüssige Energie in Form von Licht wieder ab.

Während Atome nur ganz bestimmte Wellenlängen emittieren, verteilen sich diese bei Molekülen über einen größeren Wellenlängenbereich. Die stärkste Emission des CH-Moleküls liegt bei einer Wellenlänge von 432 Nanometern, was einer blauen Farbe entspricht. Die C2-Moleküle liefern gleich mehrere Blau- und Grüntöne bei 436, 475 und 520 Nanometern, den sogenannen Swan-Banden. Zusammengenommen erstrahlt der untere Bereich der Reaktionszone dadurch in einem blauen Licht. Tatsächlich erstreckt sich diese Zone über den gesamten Flammensaum – solange die Kerze nicht rußt –, doch abgesehen von der dunklen Region nahe dem Docht wird das fahle blaue Licht durch die deutlich hellere gelbe Emission überstrahlt.

Verschiedene Graphen stellen für verschiedene Temperaturen dar, wie Wellenlänge und Strahlungsintensität zusammenhängen.
Strahlungsspektren für verschiedene Temperaturen

Diese intensive Strahlung geht auf Rußpartikel zurück: In der Reaktionszone bilden sich kohlenstoffreiche Moleküle, die schließlich zu größeren Graphitpartikeln aus bis zu einigen Millionen Kohlenstoffatomen anwachsen. Durch die vorherrschenden Temperaturen von rund 1200 Grad Celsius beginnen die Rußteilchen zu glühen und geben somit – ebenso wie die Wendel in einer Glühlampe – Licht ab. Anders als Atome oder Moleküle geben die festen Partikel nicht nur einzelne Farben an, sondern ein kontinuierliches Spektrum.

Das Emissionsspektrum der Rußpartikel entspricht dabei annähernd dem eines Schwarzen Strahlers: Die Intensität des Lichts bei verschiedenen Wellenlängen wird allein durch die Temperatur der Flamme bestimmt. Bei 1200 Grad Celsius liegt das Intensitätsmaximum zwar bei 1970 Nanometern und damit im infraroten Bereich, doch im sichtbaren Spektralbereich dominieren rote bis hin zu gelben Wellenlängen – die typischen Farben einer Kerzenflamme.

 

Form einer Kerzenflamme

Eine halbkugelrunde, blasse Flamme.
Kerzenflamme ohne Schwerefeld

Die Tropfenform der Flamme geht auf Konvektionsströmungen zurück. Die heißen Verbrennungsgase steigen auf, wodurch kühle, frische Luft von unten sowie von der Seite nachströmt und die Flamme in ihre typische Form bringt – zumindest was die Erde betrifft. Denn in einem Raumschiff würde man eine Kerzenflamme kaum wiedererkennen: Ohne Schwerefeld gibt es keine Konvektionsströmungen und die Frischluftzufuhr kann nur noch über Diffusion ablaufen. Infolgedessen kommt weniger Sauerstoff zur Kerze und die chemischen Reaktionen laufen viel langsamer ab.

Dadurch sinkt auch die Flammentemperatur und die Kerze brennt nicht nur deutlich langsamer ab, es bilden sich auch keine Rußpartikel. Statt des hellen gelben Lichts bleiben nur die blassblauen Lichtemissionen der angeregten C2- und CH-Moleküle, die eine halbkugelrunde Flamme bilden. Denn ohne Schwerefeld gibt es auch keinen Auftrieb.