Was ist Licht?
Licht ist eine Form von Energie. Die Übertragung dieser Energie erfolgt als Strahlung. Licht ist nur ein kleiner Teil aus dem Spektrum der gesamten Strahlung, die von der kurzwelligen kosmischen Strahlung bis zur vom Menschen erzeugten elektrischen Energie reicht.
Die Atmosphäre der Erde lässt den optischen Strahlungsbereich von Licht durch und der reicht von λ = 100 nm (Ultraviolett) bis λ = 1 mm (Infrarot) Wellenlänge.
Der für uns Menschen sichtbare Bereich von Licht (Regenbogen) liegt zwischen λ = 380 und 780 nm Wellenlänge, wobei wir bei λ = 555 nm am besten sehen.
Farbiges Licht zeigt nur Ausschnitte aus dem Spektrum, weisses Licht enthält viele oder alle Anteile aus dem Spektrum.
Das Spektrum einer Natriumdampflampe erscheint unserem Auge gelblich-orange. Farbtemperatur 2’000K.
Das Spektrum dieser LED-Lampe erscheint unserem Auge weiss mit einem Ton ins Hellgelbe. Farbtemperatur 2’200K. Per Definition bedeutet warmweiss ≈ 3’000K. Diese Lampe ist wärmer.
Das Spektrum einer kaltweissen LED-Lampe erscheint unserem Auge weiss mit einem blendend oder grell empfundenen Ton ins Blaue. Farbtemperatur 5’200K.
Die Strahlungswellen von glühenden Lichtquellen schwingen in alle Richtungen. Wenn Licht nur in einer Ebene schwingt, ist es vollständig polarisiert. Polarisiertes Licht entsteht durch Interaktion mit Oberflächen, an denen es reflektiert oder streut. So gibt es eine natürliche Polarisation von reflektiertem Licht auf Wasseroberflächen und dem gestreuten blauen Licht am Himmel. Das nutzen manche Tiere (z.B. Honigbienen) zur Orientierung aus. Und Fotografen benutzen einen Polfilter, um polarisiertes Licht zu unterdrücken, so dass die Kontraste des Himmels oder glänzende Oberflächen schöner erscheinen.
Welle oder Teilchen?
Nicht alle Eigenschaften von Licht lassen sich mit Strahlungswellen erklären. Deshalb gibt es eine andere Vorstellung von Licht als Teilchen. Es wird in Quanten ausgestrahlt (ein Quantum Licht ist ein Lichtpaket einer bestimmten Frequenz, bzw. Energie) und wird Photon genannt. Lichtteilchen, also die Photonen selbst, sind unsichtbar. Photonen werden erst durch Interaktion mit einem Empfänger (Netzhaut, Sensorchip, Film, Fotopapier, Materie, Gas) sichtbar gemacht. Das heisst, wir sehen Licht im Vakuum nie, und auch in der Luft nur, wenn es an Stickstoff oder Wasser streut und auf die Netzhaut im Auge trifft.
Photonen fliegen solange geradeaus weiter, bis sie auf ein Hindernis treffen und mit etwas anderem interagieren. Sprich: Lichtstrahlen sind gerade und nicht gekrümmt. Nach Albert Einstein gibt es eine Ausnahme: In Gegenwart von grossen Massen (z.B. unserer Sonne), werden Photonen durch die Schwerkraft abgelenkt. Man kann ihnen eine relativistische Masse zuweisen, auch wenn sie keine Ruhemasse haben.
Blaues Licht hat eine niedrige Wellenlänge und eine hohe Frequenz.
Rotes Licht hat eine grosse Wellenlänge und eine niedrige Frequenz.
Blaues Licht hat demzufolge eine höhere Energie als rotes Licht.
Wie kann man Licht messen und vergleichen?
Wer Licht messen will, muss im Grunde Photonen einfangen und zählen. Jede digitale Kamera macht nichts anderes im Sensorchip (meist CCD = Charged-Coupled Device). Das funktioniert ähnlich wie eine Solarzelle. Statt aus Licht direkt Strom zu machen, speichert es aber die Elektronen und kann sie später pro Pixel auslesen. Früher war es der analoge Fotofilm, der die Photonen in einer chemischen Reaktion mit Silberionen eingefangen hat.
Lichtstrom
Der Lichtstrom Φ ist die Strahlungs- oder Lichtleistung einer Lichtquelle und wird in Lumen [lm] gemessen. Sie finden heute beim Lampenkauf auch auf der Verpackung die Lumen angegeben.
Lichtstärke
Von einer Punktlichtquelle kann man die Lichtstärke in Candela [cd] angeben. Ein Candela (lat. für Kerze) ist eine Grundeinheit im SI-System.
Hat eine Punktlichtquelle ein Candela und strahlt diese innerhalb des Raumwinkels von 1 Steradiant [sr] (d.h. über einen Quadratmeter auf einer Kugel mit einem Meter Radius) konstant, dann erzeugt das genau den Lichtstrom von 1 lm = 1 cd·sr.
Beleuchtungsstärke
Trifft ein Lichtstrom auf eine ebene Fläche A, ist die dort eintreffende Beleuchtungsstärke E in der Einheit Lux [lx] als E = Φ / A definiert, also [lm/m2].
Ein Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke (meist über einen grossen Einfallswinkel bis maximal 180°) und wird von Fotografen verwendet, um das eintreffende Licht am Zielobjekt zu vermessen.
In Normen zur Beurteilung von Anforderungen oder Immissionen werden oft Eh oder Ev verlangt. Das bezeichnet die Beleuchtungsstärke auf horizontaler (z.B. Fussgängerstreifen) oder vertikaler Fläche (z.B. Schlafzimmerfenster).
Das Licht, das auf die beleuchtete Fläche fällt, also die Beleuchtungsstärke, ist nicht identisch mit dem Licht, das von der Ebene reflektiert wird. So hat zum Beispiel ein Fussballrasen eine Reflexionsgrad von ca. 0.2, d.h. nur ein Fünftel des in der Norm vorgeschrieben Lichts wird im Gras sichtbar.
Leuchtdichte
Wenn wir messen wollen, wie hell die Ebene erscheint, messen wir die Leuchtdichte L mit der Einheit [cd/m2] des Rasens, also Lichtstärke pro Fläche.
Das Leuchtdichte-Messgerät kann eine Licht reflektierende oder ausstrahlende Quelle ins Visier nehmen und innerhalb eines kleinen Winkels (1°) auswerten. Durch Wiederholung der Messung wird die statistische Genauigkeit erhöht. Es muss auch ausgeschlossen werden, dass nicht zum Beispiel viel Fremdlicht die Messung stört.
Die Effizienz einer Lichtquelle wird in Lumen pro Watt [lm/Watt] angegeben. Sie besagt nur, wie viel Licht pro elektrischer Leistung aus der Steckdose gewonnen wird. Leider bedeutet höhere Effizienz nicht automatisch, dass das Licht besser geeignet für die Umwelt ist. Es stimmt nur für den Stromverbrauch, wenn man gleich viel Licht wie früher mit weniger elektrischer Energie erzeugen kann. Es stimmt aber oft nicht beim Spektrum, da die effizientere LED ein kälteres, blaues Licht erzeugt.
Das menschliche (Tag-)Sehen
Das gesunde menschliche Auge besitzt Photorezeptoren für unterschiedliche Lichtfarben (Rot, Grün, Blau). Farbenblinde besitzen nicht alle Rezeptoren, daher sehen sie die Welt weniger bunt und können manche Farben schlechter unterscheiden.
Vom Regenbogenspektrum sieht aber auch das gesunde Auge nicht alle Farben gleich gut.
Der Grünrezeptor ist empfindlicher als der Rot- und Blaurezeptor. Die meiste uns umgebende, vitale und lebenswichtige Natur ist grün. Vielleicht hat uns das geholfen, fruchtbares Land oder Grünfutter leichter zu entdecken.
Die Lichtmessgeräte für den Gebrauch in der Beleuchtungstechnik und Lichtplanung sind in der Regel für diese Kurve der Tageslichtempfindlichkeit des menschlichen Auges geeicht.
Andere Sensoren, z.B. Kamerachips, nehmen oft mehr vom längerwelligen Teil des Spektrums, also Infrarotstrahlung auf (wie Nachtsichtgeräte).
Man muss daher immer sicherstellen, dass Messdaten korrekt erfasst, gefiltert und verglichen werden.
Wann stört Licht?
In erster Linie wenn es direkt blendet (Blendung).
In zweiter Linie wenn es indirekt blendet (Schleierreflexion).
Blendung
Das Sehen wird als unangenehm empfunden (psychologische Blendung) oder die Sehleistung wird unwiederbringlich vermindert (physiologische Blendung). Ursachen sind eine ungünstige Leuchtdichteverteilung oder zu hohe Kontraste.
Physiologische Blendung
Die physiologische Blendung setzt die Sehfunktion herab, ohne dass damit ein unangenehmes Gefühl verbunden sein muss. Ein extremes Beispiel sind Augenschäden durch direkten Blick in Sonnenlicht oder in einen Laserstrahl, der die Netzhaut irreparabel schädigt und einen messbaren Sehverlust zur Folge hat.
Psychologische BLENDUNG
Die psychologische Blendung ruft ein unangenehmes Gefühl hervor, ohne dass damit ein messbarer Unterschied des Sehvermögens einhergehen muss. Jedoch ist das Grundproblem der hohe kontrastreiche Leuchtdichteunterschied von Lichtquellen, welcher auf der Netzhaut zuviel Anregung der Rezeptoren verursacht und Nachbilder erzeugt. Alle Menschen kennen das, wenn sie aus Versehen in die Sonne geblickt haben, das Augenlid schliessen und im Auge immer noch ein Nachbild der Sonne in verschiedenen Farben leuchten sehen, bis es irgendwann verblasst.
Schleierreflexion
Durch spiegelnde Oberflächen entstehen manchmal unerwünschte Blendungen, so dass das spiegelnde Objekt gar nicht mehr richtig erkennbar ist.
Blendung ist auch ein grosses Thema bei entgegenkommenden Fahrzeugen. Wird dadurch die eigene Sicht beeinträchtigt, gefährdet das die Verkehrssicherheit.
Licht stört beim Einschlafen, da wir eine tiefe Dunkelheit um uns brauchen, um gut und gesund zu Schlafen. Die meisten Beschwerden kommen zu Dark-Sky, weil das eigene Schlafzimmer betroffen ist. Dort geht es an die Gesundheit und betrifft einen am meisten.
Sowohl bezüglich Blendung (Pupillenreflex) als auch bezüglich Schlaf (innere Uhr) sind wir Menschen und Säugetiere auf blaues Licht empfindlich.
Die Nachttiere orientieren sich an blauem Licht stärker, weil es der natürlichen Dunkelheit (Himmel, Mond und Sterne) eher entspricht.
Blaues Licht streut zudem stärker in der Atmosphäre (am Tag erscheint der Himmel blau).
Blaues Licht stört in vielen Aspekten stärker als rotes Licht.
Es kann jedoch gut sein, dass andere Organismen durch anderes Sehen auf anderes Licht empfindlich reagieren. Zum Beispiel leuchten Glühwürmchen-Weibchen gelb-grünlich. Es ist daher so, dass die Männchen grünes Licht geringer Lichtstärke am meisten anzieht, dass sie helles Licht aber komplett meiden, da sehen sie die Weibchen nicht mehr (siehe Ineichen, Lusti 2016).
Dark-Sky Switzerland: Deshalb ist die Abschaltung, also kein Licht am falschen Ort zur falschen Zeit die einfachste und beste Lösung des Umweltproblems der Lichtverschmutzung.
Wir danken unserem Vorstandsmitglied Roland Bodenmann vom Netzwerk Licht für die Graphiken und die Angabe der Grundlagen zu dieser Seite.
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