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Abnahme der Helligkeit mit der Wassertiefe

Helligkeit ist ein Überbegriff subjektiver Eindrücke und objektiver Messgrößen für die Stärke einer visuellen Wahrnehmung von – sichtbarem – Licht.

Helligkeit als Sinnesempfindung |

Die Worte Helligkeit und Dunkelheit sowie Finsternis werden meist für die subjektive Lichtempfindung benutzt, wie sie auf das Auge des Beobachters wirkt^[1] – Dunkelheit ist in diesem Sinne ein niedrigerer Grad an Helligkeit.

Begrifflich ist ein Helligkeitsgrad durch zwei Konzepte fassbar,

• als das gesamte Licht, das ins Auge einfällt und die Netzhaut beleuchtet, auch als Beleuchtung oder Lichtverhältnisse bezeichnet, und


• als die von einer Lichtquelle ausgestrahlte Lichtmenge, unabhängig davon, ob sie selbstleuchtend Licht emittiert oder beleuchtet Licht nur reflektiert.

Viele tierische Lebewesen haben ein visuelles System entwickelt, bei dem sich zwei Teilsysteme unterscheiden lassen, die in verschiedenen Helligkeitsbereichen aktiviert werden: Bei den tagsüber herrschenden Lichtverhältnissen, im photopischen Bereich, werden die Sinneszellen (Zapfenzellen) der einen Komponente angesprochen (Tagsehen), bei den nachtsüber herrschenden, im skotopischen Bereich, nur die Sinneszellen (Stäbchenzellen) der anderen Komponente (Nachtsehen), im mesopischen Übergangsbereich bei Dämmerlicht noch beide.

Unterhalb der Sehschwelle des skotopischen Bereichs wird mit dem Auge nichts mehr wahrgenommen, es herrscht Finsternis – auch wenn die Licht- bzw. Beleuchtungsstärke noch nicht Null ist (Restlicht). Die Farbwahrnehmung funktioniert nur mit genügend Licht, darunter werden nur Grautöne wahrgenommen, darüber nur „Weiß“. Übermäßige Helligkeit führt zu Blendung, der Sehsinn versagt. Die physiologischen Schwellen des Sehsinns sind bei allen Lebewesen recht unterschiedlich, auch beim Menschen schwanken sie relativ deutlich.

Objektivierung der Helligkeit |

Die Sinnesempfindung der Helligkeit ist etwa dem Logarithmus des Reizes proportional – sie folgt wie viele andere neurologische Prozesse dem Weber-Fechner-Gesetz. Dabei kann die Helligkeitsempfindung bei verschiedenen Personen oder auch bei beiden Augen etwas unterschiedlich sein. Insbesondere hängt sie von der spektralen Empfindlichkeit der Sehzellen für das Tagessehen (photopisches Sehen) bei mittleren Wellenlängen ab, die bei den meisten Menschen im Bereich um 555 nm Wellenlänge (grün) am höchsten ist, etwa entsprechend dem Maximum der Sonnenstrahlung. Bei vielen Tieren ist dieses Maximum der Wahrnehmung für Helligkeit bei anderen Wellenlängen, mithin bei anderen Farben, wie bei Katzen oder Bienen festgestellt wurde. Die genauere Verteilung der Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Sehapparats in Abhängigkeit von der spektralen Lichtfarbe beschreibt die V-Lambda-Kurve.

Das menschliche Auge arbeitet in einem sehr großen Helligkeitsbereich, der Lichtintensitäten von 1 : 10 Milliarden entspricht. Die Sehschwelle liegt bei 10⁻¹³Lumen^[2]. Dennoch können wir verschiedene Helligkeiten als unterschiedlich wahrnehmen, sobald sich ihre Lichtmenge um mehr als 10 % unterscheidet. Darauf beruht die fotometrische Stufenmethode für scheinbare Helligkeiten, die der Astronom Friedrich Argelander um 1840 entwickelt hat.

Soll Helligkeit objektiv bestimmt werden, sind zwei Effekte besonders zu berücksichtigen.

1. Die individuellen Eigenschaften des Auges.


2. Gleichzeitige Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich und im anschließenden Infrarot- gegebenenfalls Ultraviolettbereich, was beispielsweise auch zu Fluoreszenzen führen kann.

Der Begriff Helligkeit versteht sich allgemeiner als Intensität der auf einen Beobachter oder Sensor wirkenden Strahlung, die räumlich und über ein Frequenzband mit benachbarter elektromagnetischer Strahlung gemittelt wird.

• In der Astronomie ist diese Mittelung von Bedeutung, wenn die relativen (scheinbaren) oder absoluten Helligkeiten von Sternen oder anderen astronomischen Objekten ermittelt werden. Die je nach vorherrschender Lichtfarbe unterschiedliche visuelle oder fotografische Helligkeit wird hierbei deshalb durch einen Farbindex ergänzt.


• In der Farblehre ist die farbmetrische Helligkeit auf eine Vergleichsfarbe, etwa ein Referenzweiß oder ein Schwarz oder Grau bezogen, um die Effekte von Hintergrundbeleuchtung (Umgebungskontrast) und Gesamtlichteinfall (wie der Adaptation des Auges daran) auszuschalten und in einem dreidimensionalen Farbraum arbeiten zu können.

Physikalische Definition |

Als rein physikalische Messgröße wird die Helligkeit eines Objektes als Radiosität bezeichnet und von der Photometrie durch die Lichtstärke ersetzt, welche die von einem Objekt ausgehende, spektral gemittelte Strahlung in der Maßeinheit Candela (cd) angibt.
Die Helligkeitsskala kann auch durch die Energie des einfallenden Lichtes definiert werden, womit die o. a. Subjektivität bei der Wahrnehmung von Flächen- oder Sternhelligkeiten wegfällt. Wenn m die Magnituden und L die gemessenen Lichtströme zweier Sterne sind, ist ihr Helligkeitsunterschied

Δm=m1−m2=−2,5⋅log⁡(L1/L2){displaystyle Delta m=m_{1}-m_{2}=-2{,}5cdot log(L_{1}/L_{2})}

Für Δ m = 1 entspricht dies einem Verhältnis der Lichtenergie von 1 : 2,512 (mit dem Logarithmus log 0,398 = −0,4).

• Als Referenzwert der Astronomie dieser an sich relativen Skala dient 2,1 mag für den Polarstern, bzw. Null für die Wega, womit die seit 2000 Jahren übliche Helligkeitsskala des Hipparchos für moderne Messinstrumente und auch für helle Objekte (wie die Sonne) adaptiert ist.


• Die Farbmetrik verwendet für diesen Zweck das Referenzweiß oder ein Schwarz an der Sehschwelle.

Die Unterscheidung zwischen Ausleuchtung und Helligkeit einer Lichtquelle quantifiziert man im Emissionsgrad bzw. Remissionsgrad, in Bezug auf Beleuchtung als hemisphärischen, auf Lichtquellen als gerichteten Grad, alle jeweils als auf einen Ausschnitt des Spektrum bezogen, oder das Gesamtspektrum. Aus diesen leiten sich dann, jeweils bezogen auf eine Zeiteinheit oder eine Raumwinkeleinheit des Sichtfelds oder beide, die photometrischen Grundgrößen ab. Je nach Kontext spricht man auch von einer physikalischen Größe der ‚Beleuchtung‘ (etwa Leuchtdichte) oder des ‚Lichts‘ (etwa Lichtintensität).

Die Größen des Lichts/der Beleuchtung und die der Strahlung unterscheiden sich um die durch die V-Lamda-Kurve gewichteten spektralen Anteile, wie sie der Sehsinn verarbeiten kann, weil Licht – als ‚wahrnehmbare Strahlung im optischen Bereich‘ – kein (rein) ‚physikalisches‘, sondern ein physiologisches Phänomen ist. Nimmt man konkret Bezug auf den Sehapparat – ob ein biogenes Auge oder ein technischer Sensor – legt man die Strahlungsgrößen zugrunde (etwa den Strahlungsfluss statt des Lichtstroms).

Siehe auch |

• Luminanz


• Farbtemperatur


• 
  Grauwert, Eigengrau
  


• Sichtbarkeit


• Scheinbare Helligkeit

Literatur |

• 
  Herbert Schober: Das Sehen. Band I (z. T. Band II). VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1957 und 1964.


• Wilhelm Westphal: Physik. Ein Lehrbuch. 22.–24. Auflage, 713 p., Kapitel IX (Optik, Lichtmessung, § 262 ff) und § 394 (Helligkeit und Leuchtkraft der Sterne), Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg 1963.


• 
  Gottfried Gerstbach: Auge und Sehen – der lange Weg zu digitalem Erkennen. Sternenbote Heft 43/8, p. 142–157, Wien 2000.


• 
  A.Schödlbauer: Geodätische Astronomie – Grundlagen und Konzepte. 634 p., De Gruyter, Berlin 2000.


• J.Bennett, M.Donahue, N.Schneider, M.Voith: Astronomie (Kapitel 5 und 6). Herausgeber Harald Lesch, 5. Auflage (1170 S.), Pearson-Studienverlag, München-Boston-Harlow-Sydney-Madrid 2010.


• 
  A. Roger Ekirch: In der Stunde der Nacht. Eine Geschichte der Dunkelheit. Lübbe, Bergisch Gladbach 2006, ISBN 978-3785722466, kulturgeschichtliche Abhandlung über die Dunkelheit.

Weblinks |

 Wiktionary: Helligkeit – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wikiquote: Helligkeit – Zitate

Einzelnachweise |

1. 
   ↑ siehe Lit.: Schober, 1957/1964
   


2. 
   ↑ Gottfried Gerstbach: Auge und Sehen - der lange Weg zu digitalem Erkennen. In: Sternenbote. Heft 11/99, p.142-157, Wien 1999.