Es werde Licht!

Es werde Licht - von Joachim Frische.

Bei allen Überlegungen zur richtigen Beleuchtung, gekoppelt mit den Anforderungen der Physiker und Biologen zur naturnahen Lichtstärke und Lichtfarbe, scheint es nicht möglich zu sein, eine Leuchte für alle Zwecke verwenden zu können. Sowohl die Bedürfnisse des Betrachters, die Belange der Fische und die Physiologie der Pflanzen, gilt es zu befriedigen. Die auf dem Markt befindlichen Leuchtmittel sind allerdings auf das menschliche Sehen abgestimmt, sodass Angaben die der Physiologie der Pflanzen dienen praktisch nicht zu finden sind. 

Als Aquarianer stehen wir vor der Aufgabe, den Lichtrhythmus eines Tropentags zu simulieren, soweit die technischen Möglichkeiten dieses ermöglichen.

Um einen solchen Anspruch zu erfüllen, gilt es an einige Dinge zu denken.

Da ist einerseits die Lichtstärke, die sich über den Tag hinweg verändert und um die Mittagszeit ihre höchste Intensität erreicht. Zum anderen muss die Beleuchtungsdauer festgelegt werden, wobei auch ein Sonnenauf- und -untergang simuliert werden sollte. Weiterhin ist daran zu denken, dass in einem Urwaldgewässer eine andere Lichtintensität herrscht, als in einem flachen Tropensee, welcher der prallen Sonne ausgesetzt ist.

Grundsätzlich müssen wir also feststellen, dass der Aquarianer aufgrund der durchaus speziellen Beleuchtung ein gewisses Maß an Anschaffungs- und Betriebskosten zu erbringen hat.

Was ist Licht?

Physikalisch gesehen besteht Sonnenlicht aus elektromagnetischen Wellen. Für den Menschen ist nur ein geringer Teil der übertragenen Strahlen sichtbar. Das Spektrum des für den Menschen sichtbaren Lichts reicht von 400 bis 780 Nanometer (1nm entspricht 10-9 Meter). Licht von mehr als 780nm (langwelliges Licht) wird als Infrarot bezeichnet, Licht unterhalb von 400nm (kurzwelliges Licht) wird als Ultraviolett beschrieben.

Dabei gilt: je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung und desto höher ist ihre biologische Wirksamkeit.

Ein Beispiel: UV-Licht der Wellenlänge 366 nm muss im Vergleich mit UV-Licht der Wellenlänge 297 nm etwa hundert- bis tausendfach länger auf die Haut einwirken, um eine Rötung hervorzurufen.


UV-Teilbereich

Wellenlänge (in Nanometern)

UV-A

400 - 320

UV-B

320 - 280

UV-C

280 - 200


Die wichtigste und bekannteste UV-Lichtquelle ist das Sonnenlicht: Etwa sechs Prozent der Sonnenstrahlung liegen in unseren Breiten im UV-Bereich. Der besonders energiereiche UV-C-Anteil und große Teile des UV-B-Anteils werden dabei vom Ozon in den hohen Schichten der Atmosphäre zurückgehalten. Der UV-A Anteil gelangt beinahe vollständig auf die Erdoberfläche.
 

Lichttechnische Meßeinheiten

a.) Lichtstärke (Lichtintensität)

Die Lichtstärke (Lichtintensität) ist der Lichtstrom, der von einem Punkt aus pro EinheitRaumwinkel in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird. Die Lichtstärke ist die offizielle Basiseinheit für das Licht. Sie wurde 1979 durch die „Conférence Générale des Poids et Mesures“ definiert. Die Einheit der Lichtstärke ist die Candela (cd), ausgedrückt in Lumen proSteradiant (lm/sr).

b.) Lichtstrom

Der Lichtstrom ist eine grundlegende Einheit der Lichtmessung. Wenn eine Punktlichtquelle mit 1cd Lichtstärke (ca. die Stärke einer normalen Wachskerze!) im Zentrum einer Kugel von 1m Radius platziert wird, dann empfängt jeder Quadratmeter Fläche auf der Innenseite dieser Kugel einen Lichtstrom von 1 lm. Da die gesamte Oberfläche einer Kugel 4*Pi mal dem Quadrat des Radius (r2) ist, erzeugt eine Punktlichtquelle von 1cd einen totalen Lichtstrom von 12.57 lm. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass die meisten Lichtquellen keine Punktlichtquellen sind. Die Einheit des Lichtstroms ist das Lumen (lm).

c.) Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke ist die gesamte Menge an Licht, welche aus der vorderen Hemisphäre auf einen Punkt auf einer Fläche fällt. Die Einheit der Beleuchtungsstärke ist das Lux (lx). Aufgrund der großen Anpassungsfähigkeit des menschlichen Sehvermögens lassen sich beleuchtungstechnische Größen wie Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte oder Reflexionsgrad mit bloßem Auge schlecht schätzen. Fotometrische Messungen sind deshalb nur mit entsprechenden Messgeräten möglich. Luxmeter messen die Beleuchtungsstärke, also den auf die Messstelle auftreffenden Lichtstrom, Leuchtdichtemesser stellen das reflektierte Licht am Messort fest. In der Natur steigt die Beleuchtungsstärke nach Sonnenaufgang an, steigt bis zum Maximum am Mittag, um dann bis Sonnenuntergang wieder abzufallen. Der tatsächliche Wert ist dabei sehr stark vom Bewölkungszustand abhängig. So kann die Beleuchtungsstärke bei Regen und starker Bewölkung auch in den Tropen auf Werte von unter 2000 Lux fallen. Für die Pflanzen ist nun weniger die maximale Beleuchtungsstärke entscheidend, sondern die während der Assimilationsperiode eingestrahlte Energie. Zudem steigt bei den meisten Pflanzen bei Werten über 20.000 bis 30.000 Lux in der Assimilationsrate nur noch wenig. Ausnahmen stellen ausgesprochene Starklichtpflanzen wie z.B. Rotala macrandra dar. Eine schwache Beleuchtung lässt sich demnach also, in Grenzen natürlich, tatsächlich mit einer längeren Beleuchtungsdauer kompensieren.

d.) Die Farbwiedergabe

Eine Lichtquelle soll die natürlichen Farben eines Objekts möglichst korrekt und unverfälscht wiedergeben. Inwieweit die Lichtquelle diese Forderung erfüllt, gibt ihr Farbwiedergabeindex Ra an. Zur Bestimmung von Ra werden 8 (bzw. 14) in DIN 6169 festgelegte Testfarben unter der zu beurteilenden Lichtquelle und einem Referenzstrahler der gleichen Lichtfarbe verglichen. Je geringer die Abweichungen sind, desto besser ist die Farbwiedergabe und umso höher der Farbwiedergabeindex. Maximal sind 100 Punkte möglich. Lichtquellen mit kontinuierlichem Spektrum besitzen immer einen Index von 100, Glühlampen genauso wie Sonnenlicht. Das untere Ende der Skala markieren Natriumdampf-Hochdruck und -Niederdrucklampen, wie man sie als orangerote Verkehrsbeleuchtung kennt. Der Index dieser Lampen liegt unter 40 Punkten.

Die Zusammensetzung des Lichts

Die Wellenlänge ist eine Eigenschaft monochromatischen Lichts, welches seine Farbe bestimmt. Jede Wellenlänge korrespondiert zu einer Frequenz und einer Farbtemperatur. 
Wellenlänge und Frequenz sind Eigenschaften aller elektromagnetischer Strahlung, woraus das sichtbare Licht nur einen kleinen Ausschnitt darstellt. Das sichtbare Spektrum beginnt, wie schon erwähnt, bei Rot mit ungefähr 750nm, und endet bei Violett mit ungefähr 400nm. 
In der Praxis ist das meiste Licht aus vielen Wellenlängen zusammengesetzt, welche durch das jeweilige Mischungsverhältnis der Farben verschiedener Intensität erzeugen. Die gleiche Farberscheinung kann dabei auf verschiedenen Kombinationen von Wellenlängen basieren. 
Die auf die Erdoberfläche einfallende Globalstrahlung wird von den Objekten jeweils zum Teil aufgenommen (absorbiert), zurückgestrahlt (reflektiert) und durchgelassen (transmittiert).

Die Farbe eines Objektes wird durch dessen Eigenschaften, die Zusammensetzung der Wellenlängen des beleuchtenden Lichts und die Zusammensetzung des Hintergrundes bestimmt. Farbe ist eine Empfindungsgröße, nicht Licht ist farbig, die Verarbeitung im visuellen System erzeugt den Eindruck Farbe. Unterschiedliche Wellenlängen des Lichts werden in elektrische Impulse umgewandelt und in Form von unterschiedlichen Helligkeitswerten als Farben wahrgenommen.

In der Farbenlehre nennt man die Farben des Spektrums Spektralfarben oder Lichtfarben. Demgegenüber sind die Körperfarben gestellt, die auf Absorption und Reflexion bestimmter Wellenlängen (Farben) beruhen. So entstehen Mischfarben. Weiß und schwarz sind keine Farben, da sie (weiß) z. B. durch gemeinsame Bestrahlung des Auges mit allen Spektralfarben entstehen oder durch Fehlen aller Wellenlängen als schwarz wahrgenommen werden.

Fluoreszierendes Licht 

Bei der Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge (è Anregungslicht) ist bei verschiedenen Molekülen eine gleichzeitige Emission von Licht mit größerer Wellenlänge zu registrieren. Diese Eigenschaft (Absorption von kurzwelligem Licht, Emission von längerwelligem Licht) wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Licht und Wasser

Viele optische Erscheinungen finden im Wasser oder auf der Oberfläche von Wasser statt, verursacht durch Lichtbrechung oder Reflexion. Im flachen Wasser sammeln und streuen die Wellen das Sonnenlicht wie Linsen und produzieren Linienmuster. Das von dort reflektierte Licht wird an der Grenze zwischen Luft und Wassers nochmals abgebildet und in Farben zerlegt. Damit Licht die Wasserpflanzen erreicht, muss es zunächst das nasse Medium mit seinem Schattenspiel, verursacht durch Wasserbewegungen, durchdringen.

Dabei ist das Licht verschiedenen physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterworfen.

* Reflexion

Je nach Sonnenstand wird der Lichtstrahl von der Wasseroberfläche mehr oder weniger reflektiert. Es dringt nur ein Teil des Lichtstrahles in die Wasseroberfläche ein.

* Refraktion

Bevor der Lichtstrahl letztendlich die Wasseroberfläche durchdringt, muss dieser die Refraktion überwinden. Aufgrund der verschiedenen Brechungsindizes von Luft (1,00) und Wasser (1,33) wird beim Übertritt von einem Medium zum anderen der Lichtstrahl gebrochen. Diese Veränderung bewirkt für unser Auge eine scheinbare Verkürzung der Entfernung um 1/4. Daher erscheinen alle Gegenstände unter Wasser näher und dadurch größer.

* Extinktion

Nachdem der Lichtstrahl durch Ablenkung und Abknickung endlich in das Wasser gelangt ist, wird er auch noch in seiner Intensität und Kraft beraubt. Diese Energie wird in Wärme umgesetzt, ein Teil durch die Schwebestoffe absorbiert und in alle Richtungen diffundiert.

Nun betrachten wir aber zuerst die Tatsache, dass mit jedem Meter Weg der unser Lichtstrahl durch das Wasser vordringt, die Farben herausgefiltert werden. Dieses Phänomen wird Extinktion genannt. Infrarotstrahlung wird schon nach wenigen Millimetern nach Eindringen in das Wasser vollständig absorbiert. Nach der Infrarotstrahlung wird in den ersten fünf Metern in der Wassersäule der rote Lichtanteil herausgefiltert. Dann die orangenen Lichtanteile bei 10m und die gelben Lichtanteile bei 30m. Grün und Blau dringen tief in die Wassersäule, weshalb Wasser in großen Tiefen blau und grün erscheint. Die ultraviolette Strahlung kommt – je nach Wellenlänge – in unterschiedliche Tiefen.

Während der UV-C-Bereich (100-280nm) nur wenige Zentimeter ins Wasser eindringt, gelangen UV-B-Strahung (280nm bis 315nm) und UV-A-Strahlung (315 nm bis 400nm) in Wassertiefen bis zu 20 Metern, so das Wasser entsprechend klar ist. Unterhalb von 200m durchdringt kein Lichtstrahl mehr die Wassersäule.

* Diffusion

Alle Gewässer ob Meer- oder Süßwasser enthalten Partikel, die einen organischen oder anorganischen Ursprung haben. Je nachdem ob das Gewässer mehr oder weniger Partikel hat, ist das Wasser mehr oder weniger klar. Der Lichtstrahl wird je nach Größe solcher Partikel mehr oder weniger diffundiert, also zerstreut. Dies bewirkt eine allgemeine Schwächung der Energie. Die Auswirkung der Diffusion hängt von der Anzahl und Größe der Partikel im Wasser ab.

Lichtverhältnisse

Wie viel Licht auf unsere Wasserpflanzen in der Natur trifft, hängt aber nicht nur von den Gewässern ab, in denen sie leben, sondern auch vom Standort und natürlich den täglichen Schwankungen durch das Wetter. Wolken reduzieren die Lichtintensität ebenso drastisch, wie Bäume und Sträucher am Ufer.

Die verschiedenen Leuchtmittel

Es gibt verschiedene Leuchtmittel, die es ermöglichen die Pflanzen in einem Aquarium richtig zu beleuchten. Die Wichtigsten werden nachfolgend beschrieben.

Quecksilberdampf-Hochdrucklampen
Entladungslampen, bei denen das Quecksilberlicht durch Leuchtstoffe unterstützt wird, die UV-Strahlung in sichtbares Licht wandeln. Entwicklungstechnisch ältestes Leuchtmittel. Sie sind in ihrer heutigen Form seit 1936 fast unverändert auf dem Markt. Bescheidene Lichtausbeute (um 50 Lumen/Watt), schlechte Farbwiedergabe (auf einer Skala bis 100 erreichen diese Lampen nur einen Farbwiedergabeindex zwischen 45 und 57). Nutzbare Lebensdauer etwa 6.000 bis 9.000 Stunden.

Halogen-Metalldampflampen
Dem Quecksilberdampf sind Metallhalogenide beigemischt, die einen ähnlichen Kreisprozess durchlaufen wie bei Halogenlampen, und die Lichtausbeute der Lampe im sichtbaren Bereich deutlich steigern. Lichtausbeute um 80lm/W, Farbwiedergabeindex 75 bis 85, bei höherer Leistung (ab 250 W) auch über 90 möglich. Nutzbare Lebensdauer etwa 6.000h.

Halogen-Metalldampflampen mit Keramikbrenner
Höhere Brennertemperaturen als bei den HQI-Lampen mit Quarzglasbrenner erlauben höhere Lichtausbeuten bis 90 lm/W und bessere Farbwiedergabe mit einem Index über 90. Die Angaben zur nutzbaren Lebensdauer sind etwas vage und bewegen sich im Bereich 9.000 bis 15.000 Stunden.

Leuchtstofflampen mit Standardleuchtstoffen

50er-Jahre-Entwicklung. Mäßige Lichtausbeute um 70lm/W, ebenfalls mäßiger Farbwiedergabeindex zwischen etwa 60 bis 70. Nutzbare Lebensdauer 5000h.

Leuchtstofflampen mit Dreibandenleuchtstoffen

Aktuelle Lampen mit Lichtausbeuten bis 104lm/W (T5) und guter Farbwiedergabe mit einem Index um 85. Lichtstromrückgang über die gesamte Lebensdauer etwa 10%, deshalb nutzbare Lebensdauer bis zum endgültigen Erlöschen.

Leuchtstofflampen mit Vollspektrumleuchtstoffen

Lampen mit verbesserter Farbwiedergabe und einem Index zwischen 95 und 98. Lichtausbeute mager, etwa 65lm/W. Lichtstromrückgang über die gesamte Lebensdauer etwa 20%, deshalb noch nutzbare Lebensdauer ebenfalls bis zum endgültigen Ausbrennen.

Lichtfarben

Die Vielzahl der auf dem Markt befindlichen Lichtfarben-Bezeichnungen ist auf den ersten Blick erschlagend, unübersichtlich und verwirrend. Trotzdem steckt, wenigstens einigermaßen, ein System hinter der Bezeichnungsweise, welches hier erläutert wird. Lampen vieler aquaristischer Hersteller entziehen sich allerdings der Systematik. Trotzdem lassen sich Parallelen ziehen, wenn man z.B. die Farbtemperaturen der Lampen untereinander vergleicht.

Aus den Lichtfarbenbezeichnungen und den Handelsbezeichnungen von Leuchtstofflampenlässt sich die komplette Bezeichnung einer Leuchtstoff-Lampe zusammenbauen.

Zuerst kommt die Bauformbezeichnung, dann die Leistung (die Wattage) der Lampe, abschließend der Name der Lichtfarbe.

So heißt eine stabförmige T8-Leuchtstofflampe mit 36 Watt und der Lichtfarbe 840 von Osram:

L 36 W/21-840

und eine lange Kompaktleuchtstofflampe mit 55 Watt und der Lichtfarbe 930 von Philips:

PL-L 55W/930

Allerdings ist bei Weitem nicht jede Bauform in jeder Wattage und jeder Lichtfarbe erhältlich.

Leuchtstoffröhren

Was sind T5-Leuchtstoffröhren?

Im Grunde handelt es sich bei der T5-Technologie um eine mit einem Vorschaltgerät (EVG) betriebene Leuchtstoffröhre, die einen Durchmesser von 16mm misst. Sie je nachdem, welches Elektronische Vorschaltgerät verwendet wird, dimmbar.

Die bekannte und seit Jahrzehnten bewährte Leuchtstoff-Lampe mit der allgemeinen Bezeichnung T8 hat einen Röhren-Durchmesser von 26mm.

Bei beiden Systemen handelt es sich um Gasentladungslampen. Das Glasrohr wird mit Quecksilberdampf (deshalb auch Sondermüll!) unter geringem Druck gefüllt.

Die Glasrohr-Innenwand ist mit einem Leuchtstoff bedampft, den ultraviolettes Licht

zum Strahlen anregt. An den Enden des Glasrohrs befinden sich Elektroden. Werden

diese unter Spannung gesetzt, sendet der Quecksilberdampf durch Entladung UV-Strahlen aus. Diese werden vom Leuchtstoff in sichtbares Licht umgewandelt. Die Farbe variiert je nach verwendetem Leuchtstoff.

T5-Lampen sind von OEM-Herstellern (Philips, Osram) in allen Dreibandenfarben verfügbar (830, 840 und 860), und werden von Herstellern von Aquaristik-Produkten auch als Vollspektrum-Lampen (z.B. JBL solar) angeboten. Weiterhin gibt es eine Lampe mit dem Markennamen Natura de Luxe der Firma Osram. Dabei handelt es sich um eine Vollspektrum-Lampe mit einem erweiterten Rotbereich. Sie scheint derzeit die einzige zu sein, welche das Pigmentsystem der Pflanze bedienen kann, die in diesem Spektralbereich photosynthetisch aktiv sind*).

Die Unterschiede zwischen T8- und T5-Technologie

Robert Miehle, Ersteller der Webseiten http://www.hereinspaziert.de/projekte.htm hat die Unterschiede der beiden Leuchtstoff-Systeme folgender Maßen beschrieben:

T5 Lampen haben bei gleicher Wattzahl zur T8-Technologie eine ca. 50 % höhere Leuchtintensität. Die Leuchtdichte, die über den menschlichen Helligkeitseindruck entscheidet, ist höher. Die pro Watt produzierte Lichtmenge allerdings nicht.

Hierzu ein Rechenbeispiel: 
T5-Leuchtstoffröhre: 39 Watt, Lichtfarbe 830: Lichtstrom 3500 Lumen, 90 Lumen pro Watt
T8-Leuchtstoffröhre: 36 Watt, Lichtfarbe 830: Lichtstrom 3350 Lumen, 93 Lumen pro Watt.
Rein rechnerisch ist die T8-Leuchtstoffröhre effizienter.
Der physikalische Wirkungsgrad, (die Strahlungsleistung der Lampe pro Watt bezogen auf die zugeführte elektrische Leistung), ist bei der T5-Technologie als auch bei der T8-Technologie praktisch gleich.

Weiterhin sei erwähnt, dass eine T5-Lampe, genauso wie eine T8-Lampe, etwa 2/3 der zugeführten Leistung in Wärme umwandelt. Da aber T5-Lampen dünner sind, muss die produzierte Wärme, im Gegensatz zur T8-Lampe, durch eine kleinere Oberfläche austreten. Deshalb wird die T5-Lampe wärmer, was aber nicht bedeutet, dass sie mehr Wärme erzeugt.

Die Vorteile der T5-Leuchtstoffröhre

T5-Lampen besitzen im Wesentlichen drei Vorteile.

Erstens erzeugen sie mehr Licht, da sie wärmer werden. T8-Lampen besitzen ihren maximalen Lichtstrom bei 25 °C, T5-Lampen bei 35 °C. T5-Lampen sind daher besser für die höheren Temperaturen in den Abdeckungen und in den Aquarienleuchten geeignet.

Zweitens ist es möglich, durch den dünneren Lampendurchmesser bei den T5-Lampen, effizientere Reflektoren zu verwenden, als dies bei T8-Lampen möglich wäre. Hier muss der Aquarianer allerdings darauf achten, dass dieser Vorteil nicht durch eine zu dichte Staffelung der Lampen nebeneinander wieder zunichte gemacht wird.

Drittens haben T5-Lampen auf gleicher Länge im Vergleich zur T8-Leuchte die etwa anderthalbfache Leistung. So lässt sich bei gleichem Raum mit der T5-Technologie im Vergleich zur T8-Technologie mehr Licht erzeugen. Aber aufgepasst! Dazu wird natürlich auch mehr Strom benötigt.

Insgesamt gesehen ist die Etablierung der T5-Technologie für die Aquaristik ein Fortschritt in der Beleuchtung von Aquarien mit Leuchtstoffröhren, da es möglich geworden ist, auf geringem Raum mehr Licht für die Pflanzen zu produzieren. Wir gehen davon aus, dass die T5-Technologie die T8-Technologie in absehbarer Zeit weitestgehend ablösen wird. Der oft beworbene Vorteil der Energieersparnis ist allerdings nicht vorhanden.
 


*) Nachtrag des Verfassers im September 2006 auf den Hinweis eines Lesers:

Mit großer Überraschung musste ich dann auch feststellen, dass es die von mir angegebene Leuchtstoff-Lampe T5 Natura de Luxe tatsächlich nicht im Fachhandel zu kaufen gibt. Ich bin hier einer Fehlinformation erlegen.

Ich habe mich inzwischen mit der Firma Osram in Verbindung gesetzt, um nähere Informationen zu erhalten. Die Markteinführung der Leuchtstofflampe T5 Natura de Luxe fand bislang noch nicht statt und wurde bis auf weiteres aufgeschoben. Ein konkreter Einführungstermin kann Stand heute noch nicht genannt werden.


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