Über den Wolken muss das Licht unendlich sein

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Vor 5 Jahren überraschte die internationale Elite der Chronobiologen die Lichtwelt mit einer Erklärung[1]. Damit niemand auf die Idee kam, dass sie heimlich anderweitigen Interessen dient, haben alle ihre möglichen Interessenkonflikte dargelegt. Und zwar derart ausführlich, dass die Erklärung länger war als der Inhalt des Papiers. Diese sehr auffällige Erklärung habe ich damals in voller Schönheit kommentiert, z.B. Konflikte von Autoren mit Interessen.

Der Inhalt war eine Erklärung, wie man die Beleuchtung in Innenräumen gestaltet, damit der Mensch im Innenraum in Harmonie mit seinem circadianen Rhythmus leben kann. Die Pundits haben angegeben, tagsüber müsse im Innenraum eine melanopische Beleuchtungsstärke von 250 lx MEDI herrschen. Die jetzt existierenden Beleuchtungen wären dazu nicht in der Lage. (s. hierzu Minimale melanopische Beleuchtungsstärke für Jedermann ). Was die Damen und Herren für erforderlich halten, macht die Skizze deutlich

In diesem Beitrag geht es um die melanopische Beleuchtungsstärke am Tage. Um die Körperrhythmen gesund und munter zu halten, muss zwischen 06:00 morgens und 19:00 abends eine mel-EDI von 250 lx überschritten werden. (Anm.: mel-EDI wird auch mal MEDI oder mEDI geschrieben. Um die Normung der Schreibweise kümmern wir uns, wenn wir mit dem Rest fertig sind.)

Diese Beleuchtungsstärke unterscheidet sich von ihrer berühmteren Cousine durch mehrere Eigenschaften:

• Sie ist vertikal, d.h. es zählt nur das horizontal fliegende Licht.
• Sie ist abhängig von der Lichtfarbe bzw. vom Spektrum.
• Sie ist vom Alter des Betrachters abhängig.

 

Man kann mel-EDI aus der in der Planung angegebenen Horizontalbeleuchtungsstärke überschlägig als ein Drittel des Planungswertes berechnen, also etwa 33%.Dazu kommt ein Abschlag, wenn das Spektrum vom Tageslicht D65 abweicht. Für „normale“ Leuchtstofflampen mit der Lichtfarbe neutralweiß beträgt der Abschlag rund 50 %. Somit hätten wir bei 500 lx Planungswert eine mel-EDI von 82,5 lx für einen 32-jährigen Beobachter. Bei einem angehenden Rentner muss der Wert noch halbiert werden. Der 65-jährige Beobachter erhält bei gleicher Lampe nämlich nur noch ca. 40 % der biologischen Dosis eines jungen Menschen.

Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, muss die Beleuchtung also mindestens um den Faktor 3 erhöht werden. Rechnerisch müsste sie etwa bei dem 6-fachen Wert liegen. Das ist mit künstlichem Licht schlecht machbar. Helfen tut das Tageslicht. Da es durch die Fenster horizontal einfällt, fällt der Faktor 0,33 erst einmal weg. Dann hat es auch noch das gewünschte Spektrum, wenn nicht besser. Also müssten wir die aus medizinischer Sicht erforderliche melanopisch wirksame Beleuchtung in Innenräumen mit Tageslicht lässig erreichen können.

Genau dies untersucht eine Gruppe Forschender in dem EU-Projekt MeLiDos (Metrology for wearable light loggers and op­tical radiation dosimeters).[2] Sie erheben hochaufgelöste persönliche Lichtexpositionsdaten unter Alltagsbedingungen an neun Standorten zwischen dem Äquator und Skandinavien (Schweden, Niederlande, Deutschland, Spanien, Türkei, Costa Rica und Ghana). Deren Sensoren messen die melanopische Bestrahlungsstärke direkt auf Augenhöhe, was wesentlich genauer ist als eine statische Berechnung am Schreibtisch.

In einem Beitrag zum 13. Symposium Licht und Gesundheit 2026, mit dem Titel “Wie viel Licht erreicht uns wirklich? Erkenntnisse aus der Dortmunder MeLiDos-Studie”, stellten Kai Broszio, Johannes Zauner und Manuel Spitschan vor, wie die melanopische Beleuchtungswirkung am Standort Dortmund aussieht.

Es wurden drei Größen betrachtet:

• melanopische Beleuchtungsstärken (mel-EDI, lx)
• Time-Above-Threshold-Metriken (TAT, Werte über 500 lx und 1000 lx in h/d)
• zeitliche Lage der Lichtexposition (mittlerer Zeitpunkt der Exposition oberhalb 250 lx).

 

Die Anforderung der Chronobiologen hieße >TAT₂₅₀ von 06:00 bis 19:00 Uhr.

Der Beitrag stellt die Messperiode Sommer-Herbst dar, wo die theoretisch mögliche Photoperiode in Dortmund ca. 10,5–16,5 h beträgt.

Das Ergebnis fällt sehr ernüchternd aus.

Melanopische Beleuchtungsstärken (mel-EDI)
Tageszeit 08:00–18:00	ca. 90 lx – 130 lx
Mittagsfenster 11:00–14:00	ca. 120 lx – 180 lx
Abend 18:00–22:00	ca. 5 lx – 15 lx

Der Grenzwert von 250 lx wurde 0,8 h – 1,4 h/Tag (Median) überschritten. Melanopische Beleuchtungsstärken von über 1000 lx sahen die Probanden 0,2 h/Tag. An den meisten Arbeitstagen wurden 1000 lx nie überschritten.

Die zeitliche Verteilung ergab ein weiteres ernüchterndes Ergebnis. Die Exposition oberhalb 250 lx war stark auf die Mittagsstunden konzentriert und weist eine geringe zeitliche Breite auf. Frühmorgendliche hohe Lichtreize, die für eine biologische Wirkung besonders wirksam wären, traten selten auf.

Das Ergebnis werten die Autoren wie folgt:

„Die Dortmunder Daten belegen exemplarisch ein urbanes Lichtparadox: Trotz langer Sommertage bleibt die persönliche melanopische Tageslichtexposition niedrig, während abendliche Lichtquellen präsent sind. Die resultierende Lichtprofil – „dim days, bright evenings“ – gilt als Risikofaktor für circadiane Instabilität, Schlafverkürzung und langfristige Gesundheitsfolgen (Lunn et al. 2017; Blume et al. 2019; Haus und Smolensky 2013; Abbott et al. 2020).

Die Ergebnisse zeigen ferner, dass Photoperiode allein kein verlässlicher Prädiktor für individuelle Lichtdosen ist. Entscheidend sind verhaltens- und umgebungsbedingte Faktoren, insbesondere Arbeitsorganisation und Innenraumaufenthalte.“

Warum war dieses Ergebnis zu erwarten?

Frühere Messungen

Im Rahmen des PLACAR-Projektes hatte Dr. Dieter Kunz von der Charité ähnliche Dosismessungen an Berliner Studierenden vorgenommen. Zwar waren die Messmethoden bei Weitem nicht so verfeinert wie heute. Aber Kunz’ Ergebnisse waren schockierend genug: junge Studenten, die ihre hellichten Tage im Dunkeln verbringen. Das Schlagwort biologische Nacht machte schon damals die Runde.

Bei dem damaligen Vortrag wurde das Ergebnis auch mit dem Verhalten der Probanden begründet. Niemand hält die Studenten davon ab, erhebliche Teile des Tages draußen zu verbringen. Ihre Situation ist nicht vergleichbar mit der der Arbeitnehmer, deren Arbeitsstunden nicht zufällig mit dem hellen Tag zusammenfallen. Wenn sie Schicht arbeiten, verbringen sie einen Teil des Tages mit Schlafen.

Wenn sich Studierende mit mehr Freiheiten als Arbeitnehmer auch an hellichten Tagen ihre Zeit lieber in dunklen Umgebungen verbringen, warum sollte es mit der Bevölkerung von Dortmund anders sein. Einen möglichen Grund kann man dem unteren Bild entnehmen, das jüngere Menschen an einem wunderbaren Sonnentag mittags bei ihrer Lieblingsbeschäftigung zeigt.

 

Physik der Beleuchtung

In meinen Blogs wird häufig dargestellt, dass die Beleuchtung in Arbeitsstätten anders “organisiert” ist als in Wohnräumen. Der Tageslichteinfall an einen Arbeitsplatz findet – wenn überhaupt – seitlich aus einer Richtung statt. Die Arbeitsplätze sind parallel zu dieser angeordnet, weil das Tageslicht sonst blendet. Ein Mensch, der im Freien sitzt oder steht, wird sich bei moderaten Lichtverhältnissen von 10.000 lx bis 20.000 lx selten geblendet fühlen. Anders, wenn er durch relativ dunkle Wände eingegrenzt wird. Aus diesem Grund sind die Arbeitsplätze im Prinzip etwa so angeordnet wie in diesem Bild dargestellt.

Wenn man die Beleuchtungsstärke in Richtung des Auges der in diesen Räumen sitzend arbeitenden Personen misst, wird man bei weniger als der Hälfte des Lichts aus der Fensterrichtung landen. Woher soll bei den abgebildeten Arbeitsplätzen eine mel-EDI von 250 lx in Richtung des Auges kommen?

Wenn bei deutschen Büroräumen von Tageslicht die Rede ist, kann man davon ausgehen, dass sie nach DIN 5034-1 gebaut worden sind. Diese verlangte, dass etwa in Raummitte ein Tageslichtquotient (Verhältnis der Beleuchtungsstärke außen und innen) von 0,9 % herrschen möge. Das ist bei Außenbeleuchtungsstärken von 10.000 bis 20.000 lx gerade mal 90 lx bis 180 lx. Die mickrigen Werte kommen aus dem Licht aus allen Einfallsrichtungen zusammen. Da das Licht aus der Fensterseite dominiert, in die die Mitarbeitenden nicht gucken, liegt der wahre Wert weit darunter.

Mit dem Anteil der künstlichen Beleuchtung sieht es auch nicht besser aus. In Arbeitsstätten fällt das Licht meist von der Decke und wurde immer auf Horizontalbeleuchtungsstärke getrimmt. Eine vertikale Komponente entsteht rechnerisch durch eine aus physiologischer Sicht  fragwürdige Aufspaltung in zwei Komponenten[3] oder durch die innere Reflexion. Diese wird in modernen Büros durch große Bildschirme oder Akustikpaneele am Arbeitsplatz erheblich behindert.

Wie die Helligkeitsverteilung in einem Gesamtraum aussehen müsste, wurde in einem Bild der lichttechnischen Industrie (licht.de) skizziert. Wie man  sie sich vor rund 30 Jahren vorstellte, war es genau umgekehrt.

Das linke Bild zeigt das einstige Ideal, das jetzt millionenfach die Bürohäuser besiedelt, das rechte die physiologisch günstigste Verteilung. Wenn man hier aber etwa eine Angleichung an den Himmel der Natur erkennen will, der irrt. Wie im Kapitel Falsche Vorbilder – Die Sonne und der Himmel dargelegt, ist der Himmel eher ein schlechtes Vorbild, wenn man ihn  nicht so hell machen kann wie in der Natur. Leuchtende Decken, die unten auf den Tischen Beleuchtungsstärken um 500 lx erzeugen, sehen immer grau aus. Ein blauer Himmel weist typischerweise Werte zwischen 2.000 cd/m² und 10.000 cd/m² auf (je nach Winkel zur Sonne). Ein trüber Berliner Wintertag hat eine recht gleichmäßige Leuchtdichte von etwa 1.000 cd/m² bis 2.000 cd/m². Solche Werte werden in Innenräumen schlecht erreicht.

Wer tagsüber einen Himmel erlebt, der auf der Erde etwa 5000 lx erzeugt, denkt nicht an einen schönen Tag, sondern an ein nahendes Gewitter. Wenn der Himmel nur 500 lx erzeugen kann, bricht das Gewitter über einem zusammen.

So könnte man statt einer “physiologisch-anregenden” Beleuchtung eine realisieren, die wegen ihres grauen Aussehens für eine einschläfernde Atmosphäre sorgt.

Das schlimmste Hindernis ist aber das Konzept der künstlichen Beleuchtung selber. Man beleuchtete Umgebungen seit Menschengedenken, damit sie sichtbar werden. Es kam also stets auf das reflektierte Licht an. Bis zum Jahr 2011 war Beleuchtung auch technisch so definiert. Eine Umdefinition einer fundamentalen Funktion der Beleuchtung, die nicht einmal die Fachleute bemerkt haben, ändert nichts an der Physik. Und diese Funktion bestand seit der Erfindung der künstlichen Beleuchtung in der Eiszeit.

Hingegen wurde das Licht, das das Auge trifft, ohne es der Beleuchtung eines Gegenstandes zu dienen, als Blendung bezeichnet. Der Beleuchtungstechniker versucht in der Regel, die Blendung zu minimieren, während die “Nutzwirkung”, die Beleuchtung der Arbeitsebene, maximiert wird.

In einem Büro wird jede Erhöhung einer Vertikalbeleuchtungsstärke dazu führen, dass die Leuchten direkt blenden und indirekt über die Reflexion auf den Bildschirmen.  Beide Effekte werden geringer, wenn die Leuchtdichten der Störquellen niedrig sind. Diese wurden aber bei Lichtplanungen entweder gar nicht oder nur teilweise indirekt berücksichtigt.[4] (Eine Abhandlung über die Bedeutung der Leuchtdichte findet sich in dem Kapitel Ein unmöglicher Umgang mit der wichtigsten Größe – Leuchtdichte) Die meisten heute existierenden Beleuchtungen sind ohne jegliche Berücksichtigung der realen Leuchtdichte unter der Leuchte geplant und erstellt worden. Dem Lichtplaner stehen für seine Arbeit Lichtstärkewerte zur Verfügung. Für Blendungen aller Art, psychologische Blendung, Reflexblendung, Kontrastblendung, sind aber Leuchtdichten maßgeblich. Daher ist es angemessen, wenn man die Erhöhung der Vertikalbeleuchtungsstärke mit der Blendung assoziiert.

Ausrichtung der Augen

Die Ausrichtung der Augen bei der Arbeit ist hinderlich für das Erreichen höherer biologisch wirksamer Beleuchtungsstärken. Zwar arbeiten viele Forschende mit der “vertikalen” Beleuchtungsstärke, aber der Mensch kann sie nicht sehen. Das folgende Bild zeigt, wie man sich die melanopisch wirksame Beleuchtung vorstellt.

Nach diesem Bild hat die Größe, nach der man seit Jahrzehnten geplant hat, Lichteinfall 90°, also die Horizontalbeleuchtungsstärke, keine Wirkung. Wenn man das Auge in die wahre Arbeitsposition dreht, bleibt nur noch ein kleiner Schlitz von 10° übrig, aus dem das melanopisch wirksame Licht ins Auge fallen kann. Nach ergonomischen Erkenntnissen liegt nämlich die Blickrichtung 35° unter der Horizontalen.

Hier habe ich bewusst ein altes Bild genommen, um auf das Alter dieser Erkenntnis hinzuweisen. Es sitzen aber nicht alle so vorbildlich wie die hier idealisiert abgebildete Dame. Viele Menschen sahen, als dieses Bild entstand, bei der Arbeit so aus wie links im unteren Bild, das 1976 aufgenommen wurde. Rechts sieht man ein Bild aus einer Broschüre einer Krankenkasse, die ich gestern bekam. Wer so guckt, auf den wird die Vertikalbeleuchtungsstärke keine melanopische Wirkung ausüben können.

Eine Arbeit, unter deren Autoren auch Kai Broszio war, hatte im Jahr 2017 festgestellt, dass übliche Bürobeleuchtungen nicht allzu viel Licht i.S. einer melanopischen Wirkung erzeugen können.[5] Diese Arbeit wurde in Kann die Bürobeleuchtung eine circadiane Wirkung entfalten kommentiert. Warum das so ist, kann man einfach aus der Physik ableiten. Warum es schlimmer aussieht als aus der Physik erwartbar, kann man an der Sitzhaltung ablesen.

Fazit

Leider scheint es so, dass die Dortmunder trotz Tageslichts nicht einmal in die Nähe der 250 lx mel-EDI kommen. Wie sind die Chronobiologen aber auf 250 lx gefolgt von 10 lx am Abend und 0 lx in der Nacht überhaupt gekommen? Wie ich in dem Beitrag Gnadenlos global darstellte, müsste man die Spanier wohl das halbe Jahr in abgedunkelte Räume stecken, weil draußen zu viel Licht ist. Wer kann sich einem solchen Schlaf-/Wach-Rhythmus unterwerfen? Wie realistisch ist dieser Rhythmus z.B. für Dortmund mit echten vier Jahreszeiten?

Das Konzept hat gleich fünf fundamentale Schönheitsfehler;

• Der vorgegebene Tag existiert in unseren Breitengraden bestenfalls ein paar Mal im Frühling und im Herbst
• Ein erheblicher Teil der Arbeitskräfte leistet Nacht- und Schichtarbeit, ein noch größerer Teil verbringt den Abend vor dem Fernseher, im Theater, bei Freunden oder in Lokalen.
• In Deutschland bereiten sich allenfalls Kleinkinder ab 19:00 Uhr auf den Schlaf vor.
• Die Bildschirme, die man gerne abends benutzt (Fernseher, Computer, Tablets), produzieren fast genauso viel Licht wie die Beleuchtung am Tage.
• Man muss die vorhandene Beleuchtung tagsüber um ein Mehrfaches erhöhen.

 

Gerüchte sagen, die Vorstellungen kommen nicht von ungefähr. Sie sind wohl auf der ISS ermittelt worden. Tatsächlich wurde das Papier der Chronobiologen zum ersten Mal von einem amerikanischen Professor präsentiert, der seit 1987 für die NASA forscht. Seine Schäfchen sind keine Normalbürger in deutschen Fabriken und Büros, sondern Astronauten, die man fit machen will für die lange Reise zum Mars. Diese sind keine Normalbürger oder Arbeitnehmer, sondern menschliche Versuchskaninchen, die ständig unter gesundheitlicher Kontrolle stehen. Auf der ISS gibt es keine Jahreszeiten und der Tag ist etwa 1,5 Stunden lang. Man kann ihn künstlich auf 24 h trimmen, indem man Teile verdunkelt.

Bei solchen Menschen und ihren Arbeitsverhältnissen kann man den propagierten Tagesrhythmus lässig einhalten. Auch die 250 lx mel-EDI. Über den Wolken gibt es viel Licht. Man muss eigentlich nur für Abdunkelung sorgen. Was empfehlen die Forschenden den Dortmundern, die nur geringe Chancen für einen Aufenthalt auf der ISS haben?

Ich zitiere wörtlich:

"Tageslicht als Gesundheitsressource

• Erhöhung von TAT_{250 lx} durch gezielte Außenaufenthalte
• Tageslichtorientierte Arbeitsplatz- und Pausenkonzepte"

Wer also eine Beleuchtung erleben möchte, die ihn mit der Außenwelt in Harmonie halten soll, kann dies nur im Außenraum erreichen. Warum man Tageslichtorientierte Arbeitsplatz- und Pausenkonzepte braucht, hatten wir mit unserer Forschungsarbeit zu Licht und Gesundheit nachgewiesen. (Endbericht von 1998 download). Zuvor hatte das Tageslicht als Beleuchtung im deutschen Arbeitsschutz schlicht nicht existiert.

Ich müsste diesen Beitrag meinen Lehrern widmen, die meine Schulkameraden und mich in den 1950ern in jeder Pause gnadenlos auf den Hof jagten, außer bei heftigem Regen. Vermutlich hatten sie die Weisheit von ihren Lehrern geerbt.

Wer die wahren Quellen finden will, liegt hier richtig: Meanwhile in Old Germany …

[1] Timothy M. Brown, George C. Brainard, Christian Cajochen, Charles A. Czeisler, John P. Hanifin, Steven W. Lockley, Robert J. Lucas, Mirjam Münch, John B. O’Hagan, Stuart N. Peirson, Luke L. A. Price, Till Roenneberg, Luc J.M. Schlangen, Debra J. Skene, Manuel Spitschan, Céline Vetter, Phyllis C. Zee, Kenneth P. Wright Jr Recommendations for healthy daytime, evening, and night-time indoor light exposure

[2] MeLiDos ist ein EURAMET-Projekt und wird kofinanziert durch Horizon EU, Projekt Nummer: 22NRM05

[3] Die Berechnung einer vertikalen und einer horizontalen Komponente aus einer Lichtrichtung geht nur auf bei diffus reflektierenden Oberflächen wie beim Büropapier. Sowohl für die Modellierungswirkung des Lichteinfalls als auch für die nicht-visuelle Wirkung ist die tatsächliche Einfallsrichtung maßgeblich.

[4] Die Daten von Leuchten, mit denen ein Lichtplaner arbeitet, enthalten keine Leuchtdichten. Diese fließen in die Berechnung der Blendung ein. Allerdings sind die hierzu benutzten Daten keine Messwerte, sondern nur mit Hilfe der Lichtstärke errechnete „mittlere“ Leuchtdichten.

[5] Kai Broszio, Mathias Niedling, Martine Knoop und Stephan Völker: Nicht-visuelle Beleuchtung: Reichen integrale Messgrößen aus?, Lux Junior 2017, Dörnfeld