3 Licht: Eigenschaften und Messung

Spektrum der elektromagnetischen Wellen

Name Dimension
Funkwellen (Lang-, Mittel-, Kurz-,  UKW) km
Mikrowellen, Radar cm
Lichtwellen  (Infrarot, sichtbar, Ultraviolett) mm - nm
Röntgenstrahlen, Gammastrahlen,  Höhenstrahlen nm - fm
   

Energie der Strahlung: die Energie eines Strahlungsquants (bei Licht = Photon) steigt mit der Frequenz, d.h. je kürzer die Wellenlänge, desto härter (schädigender und durchdringender) ist die Strahlung

Fluoreszenz: Kurzwellige (energiereiche) Strahlung regt einen Körper zur Aussendung langwelliger (energieärmerer) Strahlung an (z.B. regt UV-Licht viele Farbstoffe zu blauer oder gelber Fluoreszenz an)

Nähere Unterteilung des Lichts

Sonnenlicht

Sonnenlicht besteht aus Licht aller Wellenlängen: es ist als weiß definiert und wenn man es mit einem Prisma in seine Bestandteile aufspaltet erhält man ein m.o.w. kontinuierliches Spektrum (Abb.)

Das Tageslicht ist ein durch unterschiedliche Komponenten der Atmosphäre (CO2, SO2, Feuchtigkeit,) gefiltertes Licht und kann deshalb unterschiedliche Farbtönungen haben.
Abendsonne wirkt gelb, weil der kurzwellige (blaue) Lichtanteil durch den langen Weg in der Atmosphäre durch Streuung an Partikeln geschwächt wird.
Der Himmel und das Licht im Schatten ist blau, es handelt sich um den gestreuten Blauanteil (Himmelsfarbe)

Weißes Licht und menschliches Auge

Im Auge befinden sich Sensoren für rotes, grünes und blaues Licht. Wenn alle drei gleichmäßig angeregt werden, erscheint uns das Licht weiß.
Im Sonnenlichtspektrum sind diese drei Farben vorhanden - es erscheint uns weiß, obwohl das gesamte Spektrum mit vielen anderen Farben (gelb, purpur usw.) vorhanden ist

Weiß erscheint uns aber ebenso Licht, das ausschließlich aus Rot, Grün und Blau besteht (Abb.) .
Wenn man eine weiße Stelle auf einem Computerbildschirm mit der Lupe betrachtet, erkennt man, dass sie aus feinen Pünktchen dieser drei Farben zusammengesetzt ist (Gelb ist nicht enthalten: additive Farbmischung!)

Das Auge ist kein Messinstrument

Das menschliche Auge lässt sich stark täuschen, wenn keine Vergleichsmöglichkeit besteht.
Es kann dann kaum erkennen, dass Schatten eine blaue Farbe haben, dass Kunstlicht gelber ist als Sonnenlicht u.a.m.

Messgeräte und Filme im Foto lassen sich aber nicht täuschen - deshalb gibt es z.B. Kunstlicht- und Tageslichtfilme und eine Digitalkamera passt sich automatisch an unterschiedliche Lichtqualitäten (Farbtemperaturen) an um „Farbstiche“ zu vermeiden

Wenn im weißen Sonnenlicht eine Farbe fehlt (herausgefiltert wird), erscheint dem menschlichen Auge die Summe der übrigen Farben als Komplementärfarbe; z.B. ergibt das Herausfiltern von Gelb blaues, von Grün purpurfarbenes, von Rot blaugrünes Licht.

Kunstlicht und Sonnenlicht

Kunstlicht aus glühenden Festkörpern (z.B. Metallen) ist wie Sonnenlicht ein kontinuierliches Spektrum aus Licht verschiedener Wellenlängen.
Je heißer der Körper ist, desto größer wird der Anteil an blauem (kurzwelligen) Licht im Spektrum und desto höher ist die „Farbtemperatur“ des Lichtes.
Deshalb wirkt Glühlampenlicht (2800 C°) gelblich; Halogenlampen sind 600 °C wärmer und leuchten „weißer“

Sonnenlicht hat etwa 5500 °C und gilt als weiß

Licht im Schatten bei blauem Himmel kann eine Farbtemperatur von 20.000 °C haben! Das hat nichts mit einem Anteil an Wärmestrahlen zu tun - diese sind ja infrarot, also langwellig und energiearm und im Schattenlicht kaum enthalten!

Kunstlicht aus Leuchtdioden ist Licht einer einzigen Wellenlänge!

Es sind Dioden für infrarotes, rotes, gelbes, grünes und blaues Licht verfügbar

Zwar gibt es auch weiß leuchtende Dioden, bei diesen ist allerdings ein grüne, blaue und rote Diode in einem Gehäuse vereinigt. Wenn alle drei leuchten, wirkt das, wie bereits erwähnt, auf das menschliche Auge wie weißes Licht

Kunstlicht aus Leuchtstofflampen

Diese „Neonröhren“erzeugen ein sehr kompliziert zusammengesetztes Licht.

In einer sehr verdünnten Metalldampf/Gas-Atmosphäre (meist Hg-Kr) wird durch eine elektrische Entladung eine Mischung aus blauem und ultraviolettem Licht erzeugt.
Dieses ist für die meisten Beleuchtungszwecke nutzlos und wird deshalb in weißes Licht umgewandelt, indem es eine Leuchtstoffschicht auf der Röhren-Innenseite zum Fluoreszieren bringt. Je nach der Zusammensetzung des Leuchtstoffs können damit auch andere Farben erzeugt werden (Abb.)
Eine Mischung aus rot, grün und und blau fluoreszierenden Leuchtstoffen ergibt Licht, das für das Auge weiß aussieht, in der Zusammensetzung aber vom Sonnenlicht ziemlich verschieden ist!

Der Farbton der Leuchtstofflampen lässt sich leicht durch Änderung der Leuchtstoffmischung ändern - etwas weniger Blau: „Warmton“

Es ist klar, dass das Licht von Leuchtstofflampen, dessen Spektrum nur aus ganz wenigen Banden besteht, auf Organismen eine ganz andere physiologische Wirkung haben kann, als das weiße Sonnenlicht mit seinem kontinuierlichen Spektrum - eine bloße Messung der Lichtintensität ergibt hierüber keine Auskunft!

Zünder von Leuchtstofflampen

230 Volt reichen nicht aus um die Gasentladung in einer langen Leuchtstoffröhre zu zünden
Deshalb sind die Elektroden als Glühdrähte ausgebildet
Diese werden zunächst zum Glühen gebracht und die (blau angedeutete) Gasentladung zündet dadurch
Dann schaltet der so genannte Zünder (Z) den Glühstrom aus, die Lampe kann nun auch mit kalten Elektroden weiter brennen, wenn sie in Ordnung ist.
Wenn also eine Lampe nicht zündet, kann dies an der Röhre liegen (vielleicht hat sich die Gas-Zusammensetzung verändert oder der Zünddraht ist durchgebrannt), möglicherweise ist aber auch nur der Zünder (kleine graue Kapsel am Ende der Lampenfassung) defekt, was viel billiger ist. Der Zünder wird zum Wechseln gegen eine Feder etwas hineingedrückt, dann eine Vierteldrehung nach links gedreht und herausgezogen. Das Einsetzen des neuen geschieht sinngemäß umgekehrt

Pflanzenleuchten

Ein Vorteil der Leuchtstofflampen ist ihre gute Energieausbeute.

Im Pflanzenbau macht man sich nun die Tatsache zunutze, dass die Photosynthese nur blaues und rotes Licht benötigt, deshalb kann zur Pflanzenbeleuchtung eine entsprechende Leuchtstoffmischung verwendet werden, bei der nicht ein Teil der Energie als nutzloses grünes und gelbes Licht verschwendet wird - dies sind die bekannten Fluora-Lampen (Abb.).

Lichtmessung

Was messen wir ?

Beleuchtungsstärke ist die Lichtintensität gemessen mit der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges, d.h. sichtbare Strahlung (häufige Einheit: Lux)

Bestrahlungsstärke wird hingegen gemessen als Leistung pro Fläche (z.B. Watt pro cm2) der gesamten Strahlung.

Kann auch ausgedrückt werden als Quantenstromdichte, d.h. Anzahl der Lichtquanten pro Fläche und Zeit;
wichtige inoffizielle Einheit ist E (Einstein = 1 Mol Quanten). Ein Mol Quanten hat einen Energieinhalt von 11,945 x 104  kJ                                                             l      

Lichtintensität: Praktische Werte

Meist ist im Messfühler von Lichtmessgeräte ein lichtempfindlicher Widerstand enthalten (z.B. Selendisulfid) oder ein Halbleiter (Photodiode oder -transistor) und die Geräte messen die Beleuchtungsstärke.

Für den Pflanzenbau ist dies sinnvoll (Photosynthese). Man muss sich allerdings stets klar sein welche Art Licht man misst! Hier einige praktische Werte:

  Lux µE sec-1 m-1
Sonnenschein 100.000 etwa 2000
Bewölkter Himmel   13.000  
Laubwerk-Schatten     1.500  
Dämmerung          50  
1 Lux = etwa 1,2 × 1012 Quanten m-2 sec-1

Filterwirkungen

Wodurch geht welches Licht ?

Ultraviolettes Licht: Kurzwelliges UV (< 350 nm) wird von Glas abgefangen, hingegen lassen Acrylglas und Quarz UV bis 200 nm passieren. Ultraviolettes Licht ist physiologisch bedeutsam bei der Aktivierung von Genen, z.B. bei der Biosynthese von gelben und blauen Pflanzenfarbstoffen (Flavonoide, Anthocyane) wie auch bei der Pflanzenhormonsynthese (niedriger Wuchs in UV-reicher Höhenlage).

In der Luft wird UV besonders durch deren Ozongehalt abgeschwächt.

Die Pflanze schützt sich vor UV durch Flavone in der Epidermis

Infrarot: Dieses wird hingegen durch CO2 absorbiert (man nutzt dies im Ultrarot-Absorptionsspektrometer, URAS). Negativ wirkt dies beim Treibhauseffekt.

Chlorophyll absorbiert nur das rote und das blaue Licht aus dem Sonnenspektrum, deshalb erscheint es in den entsprechenden Komplementärfarben (grün-gelb).

Frage: Welchen Einfluss kann die Kultur unter Glas auf die Pflanze haben?