Phantome, die unser Wissen beherrschen III

Dieses Phantom ist vermutlich länger mit uns als die Lichttechnik selbst. Bereits Thomas Edison wollte die Gesellschaft grundlegend verändern, indem er die Abhängigkeit vom natürlichen Sonnenlauf beendete. Bevor Edison die Glühbirne kommerziell nutzbar machte, war künstliches Licht entweder schwach und flackernd (Kerzen, Öllampen) oder aggressiv, stinkend und gefährlich (Gaslicht). (s. dazu das Kapitel Epochen der Kunst der Lichtmacher). Edison sprach oft davon, dass Elektrizität die Nacht in den Tag verwandeln würde. Sein Ziel war es, ein System zu schaffen, das so einfach zu bedienen ist wie das Öffnen eines Vorhangs. Wie das Kapitel zeigt, wurde in Licht 4.0 das Ziel weit hinter sich gelassen. Nicht nur die Menschen leben unabhängig vom Verlauf des Tages, sondern die Gesellschaft hört jetzt auf den Namen 24/7.

Obwohl Edison das Tageslicht in Sachen Verfügbarkeit erfolgreich nachbildete, gab es ein Problem mit der Qualität: Die Farbtemperatur stimmte nicht ebenso wie das Spektrum. Dies wollte Matthew Luckiesh vor genau einem Jahrhundert beseitigen. Er postulierte, der Mensch brauche das Tageslicht, weil nur dieses die Farben zur Geltung bringen könne, wie sie in der Natur vorherrschten. Und dieses Licht sollte nicht so unzuverlässig sein wie in der Natur, sondern jederzeit und in bester Qualität verfügbar sein. Somit war die elektrische Sonne der natürlichen weit überlegen. Man musste sie nur noch in die Wohnungen und Arbeitsstätten bringen.

Dem Irrtum  auf der Spur

Die beiden großen Männer der Lichtgeschichte unterlagen einem Irrtum, der bis heute  noch vorherrscht: Bei gleicher physikalischer Qualität erleben Menschen Licht in der Natur wie in den Innenräumen gleichermaßen. Ob dies überhaupt stimmt, können wir experimentell nicht feststellen. Denn zumindest eine physikalische Eigenschaft des Tageslichts werden wir nie nachbilden können, die Quantität des Lichts. Während Menschen in der Natur Beleuchtungsstärken von 100.000 lx ohne große Probleme überleben, ist es fraglich, ob sie in Räumen mit 10.000 lx nur wenige Minuten aushalten. In der Praxis reden wir von einer Quantität in der Größenordnung von einem Prozent der natürlichen Beleuchtung. Allein energetische Bedingungen grenzten das künstliche Licht derart ein, dass die heutigen Beleuchtungsstärken in Innenräumen sich kaum von denen unterscheiden, die in den 1930ern gefordert wurden.

Wenn man die Natur nachahmen will, muss man vorher lernen, was denn nachzuahmen ist. So gibt es nicht das Tageslicht, sondern das direkte Sonnenlicht mit dem Himmelslicht, modifiziert durch die Wolken und durch den Wasserdampf in der Luft. Deren Verhältnis zueinander ändert sich an jedem Ort der Erde im Verlauf des Tages, aber nicht überall gleich. In offenen Landschaften würde sich dazu immer die Wärme wie die UV-Strahlung hinzugesellen. Im Regenwald, ob tropisch oder valdivianisch, erreicht einen fast immer ein grünliches Licht, weil die Sonne fast nie in die Tiefen eindringen kann. Die Vielfalt der natürlichen Umgebungen ist viel zu groß, um sie nachzuahmen. Die Festlegungen für Tageslicht, z.B. die Normlichtarten D50, D65, D75 wurden nicht getroffen, um Räume danach zu beleuchten, sondern um standardisierte, berechenbare Sehbedingungen für farbige Objekte zu definieren. Nicht einmal die Dynamik des Tageslichts in der Quantität lässt sich einigermaßen nachbilden.

So blieben die Bemühungen der Technik weitgehend auf das Spektrum beschränkt. Ein Mittel, das Spektrum zu charakterisieren, besteht in der Angabe der Farbtemperatur (CCT, häufig auch als Lichtfarbe angegeben). Zu diesem Mittel greifen große Teile der Industrie. So arbeiten die Fotografie und das Druckwesen mit einer Farbtemperatur von 5000 K. Dazu gehört die fiktive Normlichtart D50. Das Fernsehen, das mit der Fotografie verwandt und verschwägert ist, arbeitet lieber mit D65 (6504 K), weil dies oft als Referenzpunkt für Monitore und Displays im Hintergrund verwendet wird, da dies der Standard für die Farbwiedergabe auf Endgeräten darstellt. Die Monitore der Grafiker, auf denen fast alle Bilder verarbeitet werden, die professionell entstehen, sind auf 9300 K eingestellt. Das japanische Fernsehen benutzt gar 11.300 K als Referenz, weil ein "kühleres", bläuliches Weiß von den Zuschauern oft als "reiner" und "heller" wahrgenommen wird als das im Westen bevorzugte, eher gelbliche D65-Weiß.

Wenn man einen deutschen Büroraum tatsächlich mit D65 beleuchtet, wird niemand was von Gelblich sprechen, sondern eher von Blau oder Grau. Der Lichtplaner muss ein echter Künstler sein, um bei dieser Lichtfarbe überhaupt jemanden in die Räume zu locken, weil sie eher wie eine Lagerhalle wirken. Selbst eine wahrlich „gelbliche“  Beleuchtung mit 4000 K wird als zu kalt erlebt. Die meisten Menschen werden eher „warmweiß“ mit einer Farbtemperatur unter 3300 K bevorzugen. Wenn man ein Foto von so beleuchteten Räumen macht, weiß man gleich, wie gelblich dieses Licht ist.

Die Lichttechniker haben sich getraut, Beleuchtungsnormen zu schreiben, die europaweit (EN 12464-1:2021) oder gar global (ISO/CIE 8995:2025) gelten sollen. Sie haben sich aber nach 90 Jahren Normung nicht getraut, die Lichtfarbe festzulegen. In beiden jüngsten Normen steht dazu dasselbe: „Die Wahl der Lichtfarbe ist eine Frage der Psychologie, der Ästhetik und des, was als natürlich angesehen wird. Die Auswahl hängt von der Beleuchtungsstärke, den Farben des Raums und der Möbel, dem Umgebungsklima und der Anwendung ab. In warmen Klimazonen wird im Allgemeinen eine kühlere Lichtfarbe bevorzugt, wohingegen in kaltem Klima eine wärmere Lichtfarbe bevorzugt wird.“

Wenn man die obige Begründung glaubt, hängt die Auswahl der richtigen  Lichtfarbe von der Beleuchtungsstärke ab. Diese liegt in Innenräumen nachweisbar bei einem Prozent der Werte in der Natur. Demnach wäre es ein Wunder, wenn die Menschen die Lichtfarbe in der erbauten Umwelt in der gleichen Weise wie in der Natur erleben würden. Es fragt sich zudem, in welcher Natur?

Tatsächlich gab es einen Fachmann, der behauptete, man müsse die Lichtfarbe in Abhängigkeit von der herrschenden Beleuchtungsstärke wählen. Arie Andries Kruithof stellte in den 1940er Jahren fest, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen der Farbtemperatur und der Beleuchtungsstärke (Lux) gibt, damit wir Licht als „angenehm“ empfinden. Demnach empfinden wir warmes Licht (niedrige Farbtemperatur) bei niedriger Helligkeit als gemütlich. (Beispiel: Kerzenschein, gedimmte Stehlampe.) Kaltes Licht (hohe Farbtemperatur wie D65) empfinden wir nur dann als angenehm, wenn es sehr hell ist.

Arie Andries Kruithof arbeitete bei Philips, genauer gesagt war er in dem Philips Natuurkundig Laboratorium (kurz: NatLab) in Eindhoven, Niederlande, tätig. Dort führte er in den 1930er und 1940er Jahren seine bahnbrechenden Forschungen zur Lichtwahrnehmung durch. Das NatLab war damals eines der weltweit führenden Forschungszentren für Elektrotechnik und Physik. Kruithof untersuchte dort im Auftrag des Lichtkonzerns, wie Menschen auf die damals neue Technologie der Leuchtstofflampen reagierten. Seine Nachfolger fanden die Forschung indes nicht so bahnbrechend. Prof. Dietert Fischer hat bei einer LiTG-Tagung eine Diskussion über die Kruithof-Kurve mit der Bemerkung abgebrochen: „Diese Kurve stammt aus unseren Laboren. Ich bitte Sie, die Diskussion hier und für immer zu beenden. Da steckt nichts dahinter.“

Die Erklärung „In warmen Klimazonen wird im Allgemeinen eine kühlere Lichtfarbe bevorzugt, wohingegen in kaltem Klima eine wärmere Lichtfarbe bevorzugt wird“ ist in der Lichttechnik seit mindestens 60 Jahren in exakt der vorliegenden Form bekannt. Sie gehörte zum Lehrprogramm für Studenten der Lichttechnik. Das hielt aber einen sehr einflussreichen Lichttechniker nicht davon ab, Folgendes über das Tageslicht zu behaupten: „Bei seitlicher Befensterung können gehobene Ansprüche an die Beleuchtung, wie sie in der künstlichen Beleuchtung gestellt werden, nicht befriedigt werden“ (H.J. Hentschel, Karlsruhe, 1971). Er sollte später die Leuchtenentwicklung des Marktführers in Deutschland leiten und den zuständigen  Normenausschuss von 1971 bis 1995 führen. In einem Fernsehinterview von 1989 sagte er Folgendes:

Wörtlich: … in Innenräumen kann das Tageslicht nach Quantität und Qualität, d.h. auch in Richtung und Abschirmung, besser durch künstliches Licht nachgebildet werden. Von Farbe redete Hentschel wohl lieber deswegen nicht, weil schon damals längst bekannt war, dass etwas mit der bevorzugten Lichtfarbe nicht stimmen könnte.

Wäre diese Behauptung, man kann das Tageslicht in Innenräumen besser künstlich nachbilden, die Überzeugung einer Person, könnte man getrost zur Tagesordnung übergehen. Die Vorstellung gehört aber eher zur DNA der Welt der künstlichen Beleuchtung. Spätestens mit dem Werk von Luckiesh wurde diese Vorstellung zementiert. Wie das Video zeigt, sogar sehr nachhaltig.

Falsche Vorbilder – Die Sonne und der Himmel

Das Kapitel mit diesem Titel erklärt, warum diese Vorbilder zwar aus der Natur stammen, aber dennoch vermutlich falsch sind. Für den Menschen können natürliche Umgebungen zwar die ideale Umgebung bedeuten. Das können aber nur solche Umgebungen sein, die evolutionstheoretisch die ursprüngliche Umgebung des Menschen sein müssten. Welche diese am wahrscheinlichsten wäre, lässt sich an der Empfindlichkeitskurve des Auges bestimmen. Diese weist ihr Maximum genau dort auf, wo die Pflanzenblätter am meisten Licht reflektieren. Die V(λ)-Kurve ist die Umkehrung der „Chlorophyll-Kurve“, grünes Licht (um 550 nm) wird von Pflanzen kaum absorbiert, sondern reflektiert oder durchgelassen. Deshalb erscheinen uns Blätter grün. Die Evolution hat das menschliche Auge (und das vieler Tiere) so optimiert, dass es dort am empfindlichsten ist, wo die meiste Information in der natürlichen Umgebung verfügbar ist.

Es liegt daher nahe, anzunehmen, dass das „natürliche“ Spektrum des Lichts nicht das des direkten Sonnenlichts ist, und auch nicht das Blau des Himmels. Es wird vom Grün der Flora bestimmt. Hingegen ist das „Tageslicht“ der CIE mit D65 etwa das Licht an einem Juni-Nachmittag in Wien, wo die Zentrale der CIE  sitzt, das mittägliche Nordlicht.

Der Beginn des Spektrums der sichtbaren Strahlung, der Bereich unter 500 nm, enthält die energiereichste Strahlung, die das Auge zum Sehen am schlechtesten verwertet. Dafür sind die Zellen, die das Signal für die innere Uhr herstellen, ipRGCs = intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen, in diesem Bereich am empfindlichsten. Das kann mit der ursprünglichen Funktion des Melatonin in der Evolutionsgeschichte zusammenhängen, als die Sonnenstrahlung noch eine tödliche Gefahr für jegliches Leben bedeutete.

Bemerkenswerterweise legt man den biologischen Wirkungen des künstlichen Lichts, die neuerdings nicht-visuelle Wirkungen genannt werden, das Tageslichtspektrum D65 zugrunde. So wird dieses Phantom uns noch lange begleiten. Hierfür spricht auch, mit welchen Bildern ein Beratungsinstitut, das ein Marketingskonzept für ein „gesundes“ künstliches Licht generiert hat (HCL), sein Konzept präsentiert.

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Anm.: Da ich die Gleichsetzung von nicht-visuellen Wirkungen des Lichts mit den sog. melanopischen Wirkungen strikt ablehne, habe ich den internationalen Standard ISO/TR 9241-610:2022 Ergonomics of human-system interaction. Impact of light and lighting on users of interactive systems beantragt und geschrieben. Danach übt das Licht über das Auge, die Haut und die Psyche ein großes Spektrum an Wirkungen aus. Diese Wirkungen sind zu einem erheblichen Teil seit den 1940er Jahren durch die Arbeiten von Hollwich, einem deutschen Augenmediziner, bekannt. Sie wurden in den 1980er Jahren durch den schwedischen Psychologen Rikard Küller zusammenfassend betrachtet, der sie NIF (non-image forming) nannte.

Eine Betrachtung solcher Wirkungen ist nur sinnvoll und zulässig, wenn man das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Wellen im optischen Bereich betrachtet. Die Lichttechnik besteht darauf, die Betrachtung auf Licht zu beschränken, das ins Auge eintritt und einen Bezug zum Melatoninspiegel aufweist. Die betrachteten Wirkungen beziehen sich auf die Tagesrhythmik des Menschen ohne Einbeziehung längerer biologischer Rhythmen. Dieses Vorgehen halte ich bedenklich, weil niemand die Hintergründe dieser Rhythmen genau kennt. Sie werden von dem Molekül Melatonin gesteuert, das älter ist als alles heute bekannte Leben auf der Erde.

Diesbezügliche Information findet sich in den Beiträgen

Portrait: Melatonin – Archaisch und lebenswichtig
Lichtwirkungen – Vom Augenblick bis ewig