Phantome, die unser Wissen beherrschen XII

Der Geburtstag dieses Phantoms lässt sich präzise angeben: April 1924. Vor 102 Jahren wurde die V(λ)-Kurve als Basis der Definition von Licht akzeptiert. Sie hat Licht definiert und damit messbar gemacht. Damit wurde die Grundlage dafür geschaffen, dass mit Lichtprodukten gehandelt wird. Und zwar weltweit. In 1948 wurde das Lumen offiziell von der 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht – CGPM als Einheit für den Lichtstrom international ratifiziert und festgelegt.

Wenn man heute auf einer Lampenverpackung liest: "12W - 806 lm - 840" (R_a) und versteht, dass die gekaufte Lampe aus 12 W aufgenommener Leistung 806 lm Licht produziert und dies mit einem Farbwiedergabeindex von 80 - 89 bei einer Lichtfarbe von 4000K, dann ist es ein Verdienst dieser Kurve.

Was die Zahlen bedeuten

Dabei besagt die Zahl 12W, dass die Lampe eine Leistung von 12 W aufnimmt, um 806 lm Licht zu produzieren. Die letztere Zahl, 840, war 1924 noch nicht geboren. Sie gibt an, wie gut die besagten 806 lm die Farben der von ihr beleuchteten Objekte wiedergeben. Das war 1924 recht egal, man wollte erst einmal Helligkeit haben. Wenn man sich die Beleuchtungsstärken anguckt , die damals in den Arbeitsstätten herrschten, versteht man gleich, warum alles andere relativ unwichtig war.

Die Basis der Angabe heißt Lichtstrom, dessen Einheit Lumen ist. Welche Bedeutung diese Größe in der Branche besitzt, kann man daran ermessen, dass die CIE immer wieder versucht hat, Lumen zu einer Basiseinheit im SI-System zu machen. Das SI-System ist so etwas wie eine Weltbeherrschungsformel. Alle Staaten der Welt benutzen dieses System für alle Messungen von der Zeit bis zum Gewicht. Eine Ausnahme machen nur drei Staaten, Myanmar, die ehemalige britische Kolonie Burma; Liberia, ein künstlicher afrikanischer Staat, dessen Bevölkerung ehemalige Sklaven aus den USA bildet; und die USA selber.

Das SI-System kennt 7 Basisseinheiten: Zeit, Länge, Masse, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke. Diese erkennt man daran, dass ihre Symbole keine Formeln enthalten: s, m, kg, A, K, mol und cd. Alle weiteren Einheiten werden aus diesen sieben abgeleitet. So gibt es für das allseits bekannte Gewicht eine Ableitung wie diese: kg•m/s² . Eine Kugel mit der Masse von 1 kg wiegt 9,81 kg•m/s² bzw. 9,81 N wie Newton.

Die Lichtstärke Candela war immer das "Sorgenkind" unter den Basiseinheiten. Sie ist die einzige Einheit, die direkt auf der menschlichen Wahrnehmung (der Hellempfindlichkeitskurve des Auges) basiert, statt auf einer rein objektiven physikalischen Größe. Leider ist das mit dem Basieren auch nicht ganz korrekt. Denn Candela entspricht keine einzige Wahrnehmung.

Eine Basiseinheit sollte so einfach wie möglich definiert sein. Das Lumen enthält jedoch den Steradiant (sr), also eine Raumwinkel-Komponente. Die Metrologen des CIPM argumentierten, dass eine Basiseinheit nicht von einer anderen abgeleiteten Größe (dem Raumwinkel) abhängen sollte, wenn es sich vermeiden lässt. Den meisten Experten wird indes weder Steradiant noch der Raumwinkel ein Begriff sein. Beide sind nur Lichttechnikern gut bekannt.

Am Ende wurde Candela als eine SI-Basiseinheit gewählt, weil es präziser zu messen war. Als das SI-System 2019 revidiert wurde, beantragte die CIE, dass Lumen, also die Einheit des Lichtstroms, zu einer Basiseinheit werden möge. Man blieb bei Candela, weil die Messgenauigkeit dieser Größe trotz aller technischen Fortschritte immer noch größer war. Der Lichtstrom ist aber nicht deswegen zum Phantom geworden.

Schwindende Bedeutung der Helligkeit

Hellempfindung beschreibt nur eine der Wirkungen von Licht. Diese besitzt eine umso größere relative Bedeutung gegenüber anderen Wirkungen, je weniger Licht zur Verfügung steht, wie man nachts auf der Autobahn verstehen lernt. Auch die innerstädtische Beleuchtung in der Nacht ist, so opulent sie auch scheinen mag, eine Art Notbeleuchtung. Erst ab Beleuchtungsstärken um 100 lx oder Leuchtdichten um > 10 cd/m² kann man von einer (relativ ) hellen Umgebung sprechen.

Die hier dargestellte Kurve zeigt den prinzipiellen Verlauf der Sehleistung in Abhängigkeit von einer Einflussgröße (Kontrast, Beleuchtungstärke etc. Bis zu einem bestimmten Wert steht einer Größe keine messbare Sehleistung gegenüber. Danach nimmt sie steil zu, um später nur noch wenig anzusteigen. Ab einem bestimmten Zustand sieht man schlechter. So kann man eine Zeitung bei 5 lx gerade noch entziffern, bei 20 lx einigermaßen lesen. Je nach Alter und Druckqualität der Zeitung fängt die Abflachung der grünen Kurve etwa bei 1000 Lux an. Ähnlich geht es mit der Größe der Schrift. Wenn sie unter 0,5 mm groß ist, können die meisten Menschen sie nicht lesen. Zwischen 1 mm und 3 mm steigt die Lesbarkeit steil an. Noch größere Zeichen sind zwar auffälliger, aber nicht besser lesbar, jedenfalls nicht in einer Zeitung oder in einem Buch.

Bei einer grundsätzlich wichtigen Leistung des Auges, der Sehschärfe, sieht man, dass sie bereits bei relativ geringen Leuchtdichten (10 cd/m² oder 100 cd/m²)  ihren Höchstwert etwa erreicht. Bei anderen Funktionen können höhere oder geringere Werte einer Einflussgröße zu einem Maximum an Leistung führen.

Wenn man sich die realen Beleuchtungen in deutschen Betrieben anguckt, stellt man fest, dass die Beleuchtungsstärken zwischen 200 lx und etwa 2000 lx liegen können. Heute geplante Beleuchtungen liegen meist über 500 lx. Das entspricht etwa einer Leuchtdichte von 125 cd/m² auf dem Büropapier. Somit liegen wir bei dem obigen Diagramm in dem Bereich, wo die Sehleistung kaum mehr mit der Beleuchtungsstärke ansteigt.

Allein zum Lesen reichen gemäß Bodmann Beleuchtungsstärken bis ca. 50 lx.[1] Er hatte bereits 1962 ein Niveau von 400 lx empfohlen, um eine angenehm helle Arbeitsumgebung zu realisieren. Über 60 Jahre später brauchen die wenigsten Arbeitnehmer das Licht zum Lesen. Ihre Sehaufgabe steht auf dem Bildschirm, auf dem die Beleuchtung bestenfalls stört. Die Empfehlung von Bodmann bezüglich der hellen Umgebung steht aber noch. Man kann sich nur darüber streiten, ob 400 lx reichen oder gerade das Minimum sind.

All das ließ die Bedeutung des Lichtstroms schwinden. Dafür stieg die relative Bedeutung einer weiteren Funktion des Lichts, die der Farbempfindung. Zum einen braucht man die Beleuchtung stärker als zu Zeiten Bodmanns, um die Arbeitsumgebung angenehmer zu gestalten. Zum anderen kann man jetzt Wert auf Qualität legen, weil unsere Wohn- und Arbeitsstätten keine notdürftig beleuchteten Umgebungen mehr sind, wo man froh wäre, überhaupt etwas Licht haben zu dürfen.

Nicht zuletzt an den Pflichtangaben für Lampenverpackungen wie "12W - 806 lm - 840" (entspricht R_a 80 - 89) erkennt man die (neue) Bedeutung der Farbqualität. Die hier erwähnte Lampe, kein besonderes Produkt, erzeugt 806 lm; ihre modernere Form würde nur noch 7 W verbrauchen. Dies entspricht 58 Edison-Lampen der ersten Serie, die Wert gefunden wurden, um auf Weltausstellungen präsentiert zu werden.

Die beispielhafte Lampe ist der Nachfahre der Allgebrauchsglühlampe für 60 W. Was deren Licht 1924 ökonomisch bedeutet hat und ein Jahrhundert später bedeutet, kann man an einer Beispielrechnung erkennen. Um dies zu berechnen, müssen wir drei Faktoren berücksichtigen: den Strompreis, die Effizienz der Leuchtmittel und die Kaufkraft (Inflation).

• Strompreis: In Deutschland kostete eine Kilowattstunde (kWh) etwa 40 bis 50 Pfennig.
• Einkommen: Ein durchschnittlicher Arbeiter verdiente damals etwa 150 bis 200 Mark im Monat. Eine 60-W-Lampe kostete damals etwa 1,50 bis 2,00 Reichsmark.
• Lichtausbeute: Eine 60-Watt-Wolfram-Glühlampe erzeugte damals ca. 600 bis 700 Lumen.

Um eine 60-W-Lampe eine Stunde zu betreiben, verbrauchte man 0,06 kWh. Das kostete etwa 3 Pfennig. Was wenig klingt, war viel: Ein Arbeiter musste dafür etwa 10 bis 15 Minuten arbeiten. Eine Stunde Licht (800 Lumen) kostet heute etwa 0,28 Cent (0,007 kWh • 40 Cent). Bei einem Durchschnittslohn entspricht das einer Arbeitszeit von weniger als einem Bruchteil einer Sekunde. Der "reale" Preis für Licht ist mindestens um den Faktor 80 bis 100 gesunken. Das ist repräsentativ für die Abnahme der Wertigkeit der künstlichen Helligkeit.

Um das Licht, das eine moderne Wohnung heute an einem Abend verbraucht, im Jahr 1924 zu erzeugen, hätte eine Familie einen signifikanten Teil ihres Tageslohns ausgeben müssen. Licht war damals etwas, das man beim Verlassen des Raums sofort ausschaltete – nicht aus Umweltbewusstsein, sondern aus purer finanzieller Notwendigkeit. (Eine genauere Berechnung findet sich hier.)

Auch wenn die Fachleute der Branche das Lumen als Maß aller Dinge sehen wollen, bezeichne ich den Lichtstrom als Phantom. Die Lichttechnik muss ihre Maße nicht nur an der Hellempfindung festmachen, sondern eher an der Farbempfindung. Bis heute gehört Farbensehen nicht zur Sehleistung.

[1] Bodmann. H.W.: Beleuchtungsniveaus und Sehtätigkeit, Int. Licht Rundschau, 1962, S. 41

Bodmann, H.W.: Kriterien für optimale Beleuchtungsniveaus, Lichttechnik, 15. Jahrg. Nr. 1/ 1963, S. 24-26