Andreas Jechow und Franz Hölker
Zusammenfassung
Künstliches Licht in der Nacht ist eine Form der Umweltverschmutzung (Lichtverschmutzung), die mittlerweile zu einem naturschutzrelevanten Problem avanciert ist. Lichtverschmutzung nimmt weltweit rasant zu, mit weitreichenden ökologischen Auswirkungen auf Arten, Lebensräume und damit auch auf die biologische Vielfalt. Die ebenfalls zunehmende Forschung zur Lichtverschmutzung ist sehr interdisziplinär, da das Wissen über die Nacht über viele verschiedene Fachrichtungen fragmentiert ist. Dies hat zu einem beunruhigenden Mangel an Konsistenz und konzeptioneller Organisation bei der Messung nächtlichen Lichts geführt. Ein ganzheitliches Konzept für Lichtmessungen fehlt bisher, ist aber zur gezielten Erforschung der Zusammenhänge zwischen dem Verlust natürlicher nächtlicher Dunkelheit und der Störung ökologischer Systeme notwendig. Nur wenn Lichtimmission und Lichtemission präzise quantifiziert werden können, ist eine Bewertung des Ausmaßes der Lichtverschmutzung und des daraus resultierenden Handlungsbedarfs möglich. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über existierende Messmethoden und erörtert, wie man künstliche Beleuchtung zukünftig am besten charakterisieren und messen kann.
Nachtökologie – künstliches Licht in der Nacht – Messmethoden – Lichtimmissionen – sensorische Ökologie – NaturschutzAbstract
Artificial light at night is a form of environmental pollution – light pollution – which has become a relevant issue for nature conservation. Light pollution is rapidly increasing worldwide, with far-reaching ecological impacts on species, habitats, and thus biodiversity. Light pollution research, which is also increasing, is highly interdisciplinary, as knowledge about the night is fragmented across many different disciplines. This has led to a troubling lack of consistency and conceptual organisation in measuring night-time light. A holistic approach to light measurements has been lacking so far, but is necessary for targeted research on the links between the loss of natural night-time darkness and the disruption of ecological systems. Only when light exposures are precisely quantified, it is possible to assess the extent of light pollution and the resulting need for action. This paper provides an overview of existing measurement methods and discusses pathways to measure artificial lighting in the future.
Night-time ecology – Artificial light at night – Measurement methods – Light exposure – Sensory ecology – Nature conservationInhalt
1 Einleitung
Künstliches Licht in der Nacht ist, als Lichtverschmutzung, ein Umweltstressfaktor mit weitreichenden Auswirkungen auf Physiologie, Verhalten und Interaktionen von Organismen (Longcore, Rich 2004). Angesichts der zunehmenden nächtlichen Lichtbelastung und des globalen Verlusts natürlicher Dunkelheit sind zusätzliche Erkenntnisse über die Auswirkungen von Lichtbelastungen auf naturschutzrelevante Räume und Biodiversität nötig (Hölker et al. 2021). Forschung zu ökologischer Lichtverschmutzung ist interdisziplinär, da sich das Wissen zu den natürlichen nächtlichen Lichtverhältnissen und deren Veränderung durch künstliches Licht über Astronomie, Physik, Ökologie, Chronobiologie, Psychologie und Ingenieurwissenschaften erstreckt, was zu Lichtmessungen unter Verwendung vieler verschiedener, teilweise unkoordinierter Methoden, Einheiten und Messgrößen geführt hat.
Ideal wäre die ganzheitliche Charakterisierung nächtlichen Lichts in räumlicher Verteilung, spektraler Zusammensetzung, Strahlungsintensität und zeitlicher Variation, da nächtliches Licht auf Organismen je nach Qualität und Quantität unterschiedlich wirkt und in seinen Wirkungen artabhängig ist (Jechow et al. 2019). Leider ist die Auswahl geeigneter Verfahren für Lichtmessungen nicht einfach, weder konzeptionell noch methodisch. Angesichts weltweit zunehmender nächtlicher Lichtbelastung und der damit einhergehend zunehmenden Auswirkungen von Lichtverschmutzung auf ökologische Systeme und naturschutzrelevante Bereiche ist es dringend erforderlich, Lichtmessungen zu vereinheitlichen bzw. ineinander umrechenbar zu machen. Ziel dieses Aufsatzes ist, die wichtigsten Aspekte von Lichtmessungen im Kontext von nächtlicher Lichtverschmutzung und Naturschutz sowie die geeignetsten Messsysteme und -methoden aufzuzeigen. Dabei sollen auch deren Defizite und notwendige Entwicklungen für die Zukunft diskutiert werden.
2 Grundlagen der Radiometrie
Licht besitzt sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Für die Fragestellungen dieses Aufsatzes ist das reine Teilchenbild mit dem Photon meist hinreichend, abgesehen von der Polarisation, die primär als Wellenphänomen beschreibbar ist. Die Anzahl der Photonen (Nphot) und die Photonenenergie (Ephot) ergeben die Strahlungsenergie (in Joule – J):
Der Strahlungsfluss (in Watt – W)
ist die Strahlungsenergie pro Zeiteinheit (t), z. B. alle von einer Lichtquelle in einem bestimmten Zeitraum ausgestrahlten Photonen mit einer bestimmten Photonenenergie (Abb. 1a).
Abb. 1: Skizze der wichtigsten radiometrischen und photometrischen Größen mit den unterschiedlichen Geometrien und als räumlich aufgelöstes Bild (zu den Einheiten siehe Tab. 1). Fig. 1: Sketch of the main radiometric and photometric quantities with the different geometries and as a spatially resolved image (for units see
Table 1).
Zentral für die Auswahl der Messmethode ist die Unterscheidung von Strahldichte und Bestrahlungsstärke. Betrachtet man eine Lichtquelle bei Nacht oder erstellt ein Bild mit einer Kamera, dann detektiert das Auge (bzw. die Kamera) den Strahlungsfluss aus einem bestimmten Winkelbereich (Abb. 1a). Der Strahlungsfluss pro Flächeneinheit (A in m2) und Raumwinkel (Ω in Steradiant – sr) ist die Strahldichte (in W/m²∙sr):
Die Bestrahlungsstärke (in W/m²)
ist das gesamte auf eine Oberfläche einfallende Licht. Es existieren zwei Hauptkonzepte (Abb. 1b):
1. die planare Bestrahlungsstärke für eine flache Oberfläche gewichtet mit dem Kosinus des Einfallswinkels und
2. die sphärische Bestrahlungsstärke für eine Kugeloberfläche gleich gewichtet unabhängig vom Einfallswinkel.
Die planare Bestrahlungsstärke wird meist horizontal oder vertikal gemessen. Nächtliches Licht beinhaltet z. B. direktes und gestreutes Mondlicht, Sternenlicht und künstliche Lichtquellen. Die Bestrahlungsstärke gibt nur Auskunft darüber, wie viel Licht von allen diesen Quellen eine bestimmte Oberfläche erreicht, nicht aber darüber, wo diese Quellen sich befinden und wie viel Licht von jeder Quelle kommt. Eine Kamera oder ein Auge liefert dagegen eine räumlich aufgelöste Strahldichteverteilung (Abb. 1c), die von der Winkelauflösung und dem Sichtfeld abhängt.
Der Mensch und viele Tiere nehmen bestimmte Wellenlängen λ des Lichts in artspezifisch verschiedener Weise als Farbe wahr. Die Energie eines Photons ist mit der Wellenlänge λ (in Nanometern – nm) durch die Formel
verknüpft, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und h die Planck-Konstante ist. Ein rotes Photon bei λ = 700 nm besitzt nur halb so viel Energie wie ein ultraviolettes Photon bei λ = 350 nm. Ein bestimmter Bereich von Wellenlängen wird messtechnisch als Spektralbereich oder „Kanal“ bezeichnet. Der photopische Spektralbereich ist auf die Hellempfindlichkeitskurve für menschliches Tagsehen abgestimmt und reicht von 380 nm (blau) bis 780 nm (rot) mit dem Maximum bei 555 nm (grün).
Lichtdetektoren und Photorezeptoren besitzen fast immer eine spektrale Empfindlichkeitskurve und Lichtquellen emittieren Licht mit unterschiedlichen Spektren. Eine weitere grundlegende Entscheidung bei der Messung von Licht ist daher die Auswahl eines Detektors in Hinblick auf seine Fähigkeit zur Auflösung von Wellenlängen (Spektren). Diesbezüglich sind Kategorisierungen aus der Fernerkundung hilfreich (Abb. 2). Ein Sensor, der keine Wellenlängen unterscheiden kann, sondern Licht aller Wellenlängen spektral integriert, wird als panchromatischer Sensor bezeichnet. Spektral integrierte Maßeinheiten liefern einen einzigen radiometrischen Wert und sind auf eine bestimmte Art oder einen Wirkmechanismus abgestimmt. Bekannte integrierte Maßeinheiten sind
Abb. 2: Verschiedene Lichtmesssysteme mit unterschiedlicher spektraler Auflösung und Zusammenhang der spektralen Auflösung mit der Farbwahrnehmung.
Fig. 2: Different light measurement systems in terms of spectral resolution and how this relates to colour perception.
1. photometrische Einheiten, z. B. Lux (lx), die für das menschliche Sehsystem spezifisch sind, und
2. Einheiten photosynthetisch aktiver Strahlung (photosynthetically active radiation – PAR), die an die Besonderheiten pflanzlicher Photosynthese angepasst sind (Spektralbereich 400 – 700 nm).
Ein Detektor mit mehreren (≥ 3), aber wenigen (< 16) Spektralkanälen ist multispektral, z. B. eine Digitalkamera mit roten, grünen und blauen (RGB) Kanälen oder ein Auge, das mehrere Farben auflösen kann. Ein Sensorsystem mit vielen Spektralkanälen (≥ 16) ist hyperspektral.
Photometrische Einheiten sind radiometrische Einheiten, bei denen die spektrale Wichtung an die Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges angepasst ist. Der Strahlungsfluss (in W) wird zum Lichtstrom (in Lumen – lm), die Strahldichte (in W/m² ∙ sr) zur Leuchtdichte (in cd/m² mit cd für Candela bzw. lm/m² ∙ sr) und die Bestrahlungsstärke (W/m²) zur Beleuchtungsstärke (in Lux – lx bzw. lm/m²; siehe auch Tab. 1).
Tab. 1: Liste der wichtigsten radiometrischen und photometrischen Einheiten.
Table 1: List of the main radiometric and photometric units.
|
Radiometrisch
|
Photometrisch
|
Größe | Einheit | Größe | Einheit |
Strahlungsfluss | W | Lichtstrom | lm |
Bestrahlungsstärke | W/m² | Beleuchtungsstärke | lm/m² (auch lx) |
Strahldichte | W/m² ∙ sr | Leuchtdichte | lm/m² ∙ sr (auch cd/m²) |
Abkürzungen der Einheiten: cd = Candela, lm = Lumen, lx = Lux, sr = Steradiant, W = Watt |
3 Stand der Technik und momentane Herausforderungen der Lichtmessung
Generell lässt sich Lichtverschmutzung in zwei Kategorien einteilen:
● direkte Lichtverschmutzung, z. B. direkt in ein Habitat eingestrahltes Licht, und
● indirekte Lichtverschmutzung, z. B. in der Atmosphäre gestreutes künstliches Licht, das auch Himmelsleuchten (englisch skyglow) genannt wird.
Man unterscheidet ökologische und astronomische Lichtverschmutzung, wobei letztere sich meist auf Skyglow beschränkt, während erstere direkte und indirekte Lichtverschmutzung beinhaltet. Der interdisziplinäre Charakter der Forschung hat zu unterschiedlichen Messansätzen und Verfahren sowie zur Verwendung verschiedener Lichteinheiten geführt (Hänel et al. 2018), was den Vergleich von Ergebnissen erschwert. Weiterhin existieren neben den unterschiedlichen Messstrategien große disziplinäre Unterschiede im Stand der Technik bei der Lichtmessung.
In der Lichttechnik stützt man sich auf Modellierung und misst – hauptsächlich in humanzentrierten photometrischen SI-Einheiten – meist die horizontale Beleuchtungsstärke mittels hochwertiger Luxmeter oder zunehmend die Leuchtdichteverteilung mittels Kameras. Die dafür üblicherweise verwendeten Geräte sind aber häufig nicht für geringe nächtliche Lichtwerte ausgelegt und daher für die Lichtverschmutzungsmessung unbrauchbar (Aulsebrook et al. 2022).
In der Astronomie wird hauptsächlich die Strahldichte des Nachthimmels im Zenit, auch Himmelshelligkeit genannt, im visuellen astronomischen Spektralband in der Einheit Magnituden/Bogensekunde² gemessen. Diese Einheit basiert historisch auf der visuellen Beobachtung der Sterne. Sie ist negativ und logarithmisch, was eine Nutzung außerhalb der Astronomie erschwert. Die Himmelshelligkeit wird meist mit einfachen Radiometern bestimmt, etwa mit dem Sky Quality Meter (SQM, Unihedron, Grimsby, Ontario, Kanada). Leider ist das SQM schlecht spektral angepasst, seine weite Verbreitung und häufige Verwendung in internationalen Messnetzwerken und im Rahmen von Projekten der Bürgerwissenschaften sind aber klare Vorteile. Skyglow wird in der Astronomie meist nur bei klarem Himmel untersucht, in Langzeitdaten sind aber auch Informationen über Wolken enthalten. Mehr und mehr werden für seine Messung Digitalkameras mit Fischaugenobjektiven verwendet, die Informationen über den gesamten Himmel liefern und damit auch Untersuchungen jenseits des Zenits erlauben (Jechow et al. 2018). Solche Messungen wurden bisher jedoch zeitlich und räumlich nur punktuell durchgeführt.
In der Biologie wird entweder die Bestrahlungsstärke oder die Strahldichte in verschiedenen Spektralbereichen (z. B. PAR) gemessen und der Strahlungsfluss statt in Watt als Photonenfluss in Mikromol Photonen pro Sekunde (µmol/s) angegeben. Einige Forscherinnen und Forscher nutzen Luxmeter und photopische Einheiten (meist lx), da Lichtverschmutzung anthropogenen Ursprungs ist, allerdings werden hier oft minderwertige Geräte eingesetzt (Aulsebrook et al. 2022). Andere nutzen astronomische Methoden und Messinstrumente wie das SQM, wobei fraglich ist, ob Informationen über die Strahldichte im Zenit für biologische Studien überhaupt sinnvoll sind, und von SQM-Messungen jenseits des Zenits bspw. am Horizont abgeraten werden muss (Longcore et al. 2020). In der visuellen Ökologie werden wellenlängenaufgelöste hyperspektrale Messungen angestrebt, für die nachts aber Spektrometer mit hoher Empfindlichkeit erforderlich sind. Kommerziellen, handelsüblichen Messgeräten mangelt es dafür an Empfindlichkeit und ausreichender räumlicher wie spektraler Auflösung. Ein Problem ist dies insbesondere bei aquatischen Lebensräumen (Jechow, Hölker 2019b). Leider ist es schon innerhalb der Biologie eine Herausforderung, zu einem Konsens zu kommen, was insbesondere dadurch erschwert wird, dass das komplexe Thema Licht in der Ausbildung der Umweltwissenschaften häufig nur peripher behandelt und meist nur wenig Wissen über Radiometrie vermittelt wird.
Es ist daher notwendig, disziplinäre Grenzen zu überwinden, indem z. B. photometrische Messungen aus der Lichttechnik und radio-metrische Messungen des Nachthimmels aus der Astronomie mit den Anforderungen der Biologie und Ökologie sowie mit artspezifischen Reaktionen auf Licht verbunden werden. Dabei sollten Lichtmessungen so übersetzt werden, dass sie auch für politische Entscheidungsträger nachvollziehbar sind.
Eine Herausforderung für die Messung und Bewertung der Lichtverschmutzung ist Skyglow, der weit entfernt vom Ursprung wirken und daher die biologische Vielfalt über große räumliche Distanzen beeinträchtigen kann. Skyglow ist dynamisch und hängt von atmosphärischen Bestandteilen, jahreszeitlichen Effekten (Blattbedeckung) und der Bodenalbedo (diffuse Reflexion des Lichts am Boden) ab, kann durch Wolken erheblich verstärkt werden und in extremen Situationen heller als Mondlicht sein (Jechow, Hölker 2019a). Es existieren noch gravierende Wissenslücken hinsichtlich der ökologischen Wirkungen von Lichtverschmutzung durch Skyglow. Während astronomische Lichtverschmutzung, d. h. Skyglow bei klarem Himmel, gut verstanden ist, sind Lichtverschmutzung bei Bewölkung und der natürliche Beleuchtungszustand bei Bewölkung in Gebieten komplett ohne Lichtverschmutzung bisher wenig untersucht.
Ein weiteres Problem ist, dass ökologische Studien Lichtverschmutzung in den meisten Fällen aus bodengestützten Einzelpunktmessungen mit begrenzter räumlicher, zeitlicher und spektraler Auflösung ableiten. Deren Extrapolation auf größere Landstriche ist wünschenswert, insbesondere in der Forschung zu wandernden Arten. Nächtliche Satellitendaten haben jedoch nur eine begrenzte räumliche, spektrale und zeitliche Auflösung und es besteht dringender Bedarf an eigenständigen Satellitenmissionen, die maßgeschneidert für ökologische Fragestellungen sind (Barentine et al. 2021). Aber auch Farbaufnahmen von der internationalen Raumstation ISS, luftgestützte Messungen und insbesondere Drohnen haben das Potenzial, die bestehenden Lücken zu schließen (Levin et al. 2020; Grenzdörffer 2022). Eine Verknüpfung zwischen Skyglow und mittels Satelliten gemessenem nächtlichem Licht ist durch Modelle möglich. Zwar gibt es ein statisches, weltweites Skyglow-Modell, das in ökologischen Studien weit verbreitet ist (Falchi et al. 2016), aber es fehlt ein dynamisches Modell, das Faktoren wie Wolkendecke, Schnee und Vegetation berücksichtigt.
4 Momentane Empfehlungen und notwendige zukünftige Entwicklungen
Um verstehen zu können, wie verschiedene Organismen in einem bestimmten Gebiet in ihrer artspezifischen Sinneswahrnehmung und Physiologie eine nächtliche Lichtszene jeweils wahrnehmen und auf diese reagieren, müssten die vollständigen räumlichen und (hyper)spektralen Informationen des Lichtfelds erfasst werden. Ideal wäre eine vollsphärische Hyperspektralkamera, die nächtliches Licht komplett erfassen kann. Ein solches Messsystem ist jedoch noch nicht verfügbar, aber einige Vorarbeiten für solche Messungen am Tage und in der Nacht existieren (Alamús et al. 2017). Jüngste Vorschläge favorisieren räumlich aufgelöste multispektrale nächtliche Strahldichtemessungen des gesamten Lichtfelds (nicht nur der oberen Hemisphäre oder im Zenit) mit Digitalkameras mit Fischaugenobjektiven in den RGB-Spektralbereichen (Jechow et al. 2019). Diese Methode bietet Informationen zur Strahldichte und Bestrahlungsstärke in drei Spektralbereichen in einem einzigen Bild, woraus z. B. auch die Farbtemperatur abgeschätzt werden kann (correlated colour temperature – CCT). Der Messbereich ist sehr groß und erlaubt, einen bewölkten Himmel frei von Lichtverschmutzung zu studieren. Leuchtdichte und Beleuchtungsstärke können aus den Messergebnissen mit einer für ökologische Studien hinreichenden Genauigkeit berechnet werden (Abb. 3), aber nicht in allen Belangen mit den Messergebnissen einer hochwertigen Leuchtdichtekamera gleichgesetzt werden.
Abb. 3: Nächtliche Szene im Winter in Finnland mit Sternenlicht, Aurora, direktem künstlichem Licht, Skyglow und Licht vom Boden. Linke Spalte: Blick zum Zenit, mittlere und rechte Spalte: Blick zum Horizont nach Norden bzw. Süden. Obere Reihe: RGB, mittlere Reihe: berechnete Leuchtdichte, untere Reihe: berechnete Farbtemperatur (CCT).
Fig. 3: Night-time scene in winter in Finland with starlight, aurora, direct artificial light, skyglow and light from the ground. Left column: view towards zenith, middle and right columns: view towards horizon north and south, respectively. Top row: RGB, middle row: calculated luminance, bottom row: calculated correlated colour temperature (CCT).
Eine Harmonisierung der disziplinär und innerhalb der Ökologie je nach Arten(gruppe) verschiedenen Anforderungen an nächtliche Lichtmessung, um zu konsistenten und disziplinübergreifenden Standards und Protokollen für die Messung zu gelangen, ist notwendig, um Schwellenwerte für Eindämmung und Management von Lichtverschmutzung zu formulieren. Aus Sicht des Naturschutzes sollten die Protokolle auf ökologische und biologische Reaktionen naturschutzrelevanter Organismen in Bezug auf Spektralbereich und -auflösung, Richtung (Entscheidung Strahldichte vs. Bestrahlungsstärke) und zeitliche Auflösung abgestimmt sein. Die Hürden für einen solchen ganzheitlichen Ansatz sind die Komplexität der Daten und der Handhabung sowie die potenziell hohen Kosten für anspruchsvolle Geräte. Eine Kombination aus mehreren Messgeräten (Multispektralkamera zur Erfassung des gesamten räumlichen Lichtfelds, hyperspektrale Einzelpunktmessung, photometrische Einzelpunktmessung) könnte einen zweckmäßigen Kompromiss darstellen (vgl. auch Kasten 1).
Kasten 1: Das BELLVUE-Projekt: Verfahren und Methoden für eine umweltfreundliche Beleuchtungsgestaltung.
Box 1: BELLVUE project: Procedures and methods for environmentally friendly lighting design.
Die Emission künstlichen Lichts in der Nacht verursacht eine neue Form von Umweltverschmutzung – „Lichtverschmutzung“. Lichtverschmutzung betrifft nahezu alle Ökosysteme – in Siedlungen bis in entlegene Gegenden wie Wüsten und Polargebiete – und hat über die letzten Jahre weltweit sehr stark zugenommen. Zahlreiche Studien belegen Auswirkungen von Lichtverschmutzung auf Flora und Fauna, z. B. verändertes Austriebverhalten von Bäumen, gestörtes Sing- oder Zugverhalten von Vögeln, gestörte Reproduktion bei Säugetieren und sogar verändertes Tagverhalten bei Fischen. Ebenso ist die Wirkung künstlichen Lichts auf Insekten unbestritten, was Lebensgemeinschaften verändert und bspw. die Bestäubung durch Insekten beeinflusst (siehe Knop 2023 in dieser Ausgabe). Lichtverschmutzung wirkt sich somit direkt auf Nahrungsnetze und letztlich auf alle Ebenen der biologischen Vielfalt aus (Hölker et al. 2021).
Somit sind Lichtemissionen mittlerweile zu einem naturschutzrelevanten Problem geworden und es bedarf einer genauen Quantifizierung der vorhandenen Lichtimmissionen in Naturräume. Bisher fehlt für die Messung und Bewertung der Lichtverschmutzung jedoch ein vereinheitlichtes Messkonzept, das das Potenzial fernerkundungs- und bodenbasierter Messungen vollständig ausschöpft und Lichtimmissionen habitat- bzw. artspezifisch bewertet (siehe hierzu den Haupttext von Jechow, Hölker 2023). Für die konkrete Lichtplanung fehlen Handlungsanweisungen, um sowohl bei der Planung als auch beim Erfassen des Status quo von Beleuchtungsanlagen die Lichtimmissionen und -emissionen so zu quantifizieren, dass es möglich ist, das Ausmaß der Lichtverschmutzung (aus Naturschutzsicht) empfindlicher Gebiete mit und ohne Schutzgebietsstatus und den daraus resultierenden Handlungsbedarf zu bewerten. Sind die Quellen von Lichtimmissionen bekannt und können diese in ihrer habitat- bzw. artspezifischen Auswirkung bewertet werden, ist es möglich, entsprechende Gegenmaßnahmen zu treffen.
Im Vorhaben BELLVUE werden hauptsächlich Lichtmessmethoden auf ihre praktische Anwendbarkeit für die Quantifizierung nächtlicher Lichtemissionen und -immissionen evaluiert und weiterentwickelt, um eine naturschutzrelevante gruppen- bzw. artspezifische Bewertung zu ermöglichen. Die momentan erfolgversprechendsten Methoden basieren auf multispektralen Digitalkameras (z. B. RGB – mit rotem, grünem und blauem Farbkanal). Hier können mit Weitwinkeloptiken, z. B. mit zirkularen Fischaugenobjektiven, sehr großflächige Messbereiche abgedeckt werden. Dazu werden bundesweit systematische nächtliche Lichtmessungen in und um Naturschutzgebiete durchgeführt, wobei verstärkt der Einfluss von Beleuchtungsanlagen in der Nähe von Schutzgebieten quantifiziert wird. Abb. K1-1 zeigt jeweils zwei mit einer Digitalkamera in entgegengesetzte Richtung aufgenommene 180° × 360°-Aufnahmen, die das komplette Lichtfeld an einem Ort repräsentieren und die in Leuchtdichte umgerechnet wurden (siehe hierzu auch den Haupttext von Jechow, Hölker 2023). Bei den beiden in der oberen Reihe (Abb. K1-1a, b )gezeigten Bildern strahlt eine Beleuchtungsanlage für einen Überlandradweg direkt in ein Naturschutzgebiet ein. Die darunter befindlichen Aufnahmen (Abb. K1-1c, d) zeigen eine entferntere Straßenbeleuchtung, die ebenfalls in ein Naturschutzgebiet einstrahlt. Mit kamerabasierten Systemen können so die Verursacher von Lichtimmissionen in Schutzgebiete identifiziert werden. Zum Vergleich zeigt die untere Reihe (Abb. K1-1e, f) eine Szene ohne direkte Lichtimmissionen und mit geringer künstlicher Himmelshelligkeit (Skyglow).
Abb. K1-1: Leuchtdichtebilder aufgenommen in jeweils entgegengesetzte Richtungen mit einer Digitalkamera und zirkularem Fischaugenobjektiv, um das gesamte hemisphärische Lichtfeld abzudecken: a), b) Überlandradweg mit einer Beleuchtungsanlage, die unmittelbar in ein Naturschutzgebiet einstrahlt, c), d) Szene mit einer weiter entfernten Straßenbeleuchtung, die ebenfalls in ein Naturschutzgebiet einstrahlt, e), f) nächtliche Szene ohne direkte Lichtimmissionen und mit geringem Skyglow am Horizont.
Fig. K1-1: Luminance images obtained with a digital camera and a fisheye lens in opposite directions in each case to cover the full hemisphere light field: a), b) overland bicycle path with lighting directly radiating into a conservation area, c), d) scene with street lighting at a distance also radiating into a conservation area, e), f) night-time scene with no direct ambient light exposure and little skyglow at the horizon.
Des Weiteren werden nächtliche Fernerkundungsdaten für eine großflächige Bewertung der Lichtverschmutzung (aus Naturschutzsicht) empfindlicher Gebiete mit und ohne Schutzgebietsstatus herangezogen. Erste Ergebnisse der Auswertung eines globalen Skyglow-Modells (Falchi et al. 2016) zeigen, dass weniger als 2 % der Naturschutzgebiete (NSG) Deutschlands in die Kategorie „unberührt“ fallen (Abb. K1-2). Dabei wird von einer 20 % erhöhten Himmelshelligkeit basierend auf dem Referenzwert von 0,17 mcd/m² (mcd = Milli-Candela) ausgegangen. Immerhin ca. 50 % der NSG liegen in den Kategorien „gering“ und „sehr gering“ (Faktor 1,5 bzw. 2,0 zum Grenzwert), ein ebenso großer Anteil ist aber „mittel“ bis „hoch“ belastet.
Abb. K1-2: Einteilung der Naturschutzgebiete (NSG) in Deutschland anhand der künstlichen Himmelshelligkeit (Skyglow).
Fig. K1-2: Classification of nature reserves (NSG) in Germany based on artificial sky brightness (skyglow).
Im Projekt werden Handlungsempfehlungen erarbeitet für die Bewertung von Beleuchtungsanlagen, die in aus Naturschutzsicht empfindlichen Gebieten mit und ohne Schutzgebietsstatus oder in deren Umgebung liegen – basierend auf der Auswertung von bundesweiten Satellitendaten, der Evaluierung von Messmethoden und der Weiterentwicklung von Datenprodukten.
Literatur
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Hölker F., Bolliger J. et al. (2021): 11 pressing research questions on how light pollution affects biodiversity. Frontiers in Ecology and Evolution 9: e767177. DOI: 10.3389/fevo.2021.767177
Jechow A., Hölker F. (2023): Messung und Bewertung der ökologischen Lichtverschmutzung – Anforderungen an die interdisziplinäre Lichtmessung. Natur und Landschaft 98(9/10): 453 – 460. DOI: 10.19217/NuL2023-09-06
Knop E. (2023): Einfluss künstlicher Beleuchtung in der Nacht auf Bestäuber und deren Bestäubungsleistung. Natur und Landschaft 98(9/10): 443 – 446. DOI: 10.19217/NuL2023-09-04
Autoren und Autorin
Andreas Jechow, Marie-Line Schleuter,
Manuel Dietenberger, Franz Hölker
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)
Müggelseedamm 310
12587 Berlin
E-Mail: andreas.jechow@igb-berlin.de
Idealerweise sollte die Messstrategie auch kurzzeitige und saisonale Schwankungen der Lichtverhältnisse abdecken. Darüber hinaus ist es wichtig, natürliche Lichtreferenzmessungen ohne Lichtverschmutzung für verschiedene Lebensräume, Jahreszeiten und Wetterbedingungen durchzuführen und die Messergebnisse allgemein zugänglich zu machen.
Photometrische (lx, cd/m²) und radiometrische (W) SI-Einheiten sollten möglichst gemeinsam angegeben werden, erstere für den Bezug zu politischen Entscheidern und der Lichttechnik, letztere für eine eher ökologische und physikalische Betrachtung. Bei Nutzung disziplinärer Einheiten wie Magnituden und µmol ist auf eine Übersetzbarkeit in die SI-Einheiten zu achten. Andere Ansätze bestehen darin, spektral integrierte Maßeinheiten zu entwickeln, die an die spektralen Empfindlichkeiten der untersuchten Arten angepasst sind („animal lux“). Allerdings würde eine Messung in solchen auf bestimmte Organismen bezogenen Einheiten die bestehenden Probleme mit photometrischen Einheiten nicht lösen, sondern evtl. sogar verstärken (Abelson et al. 2023). Relative Einheiten für die anschauliche Darstellung der Himmelshelligkeit („natural sky unit“ – NSU bzw. „dark sky unit“ – DSU mit Kompatibilität zu radiometrischen SI-Einheiten) wurden vorgeschlagen (Kolláth et al. 2020), haben sich aber nicht durchgesetzt.
5 Zukünftige Herausforderungen
Polarisation von Licht, für Menschen allgemein nicht sichtbar, kann von vielen Tieren wahrgenommen werden (Horváth 2014). Bei der Ausbreitung von Licht oszilliert das elektrische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wobei unpolarisiertes Licht zufällig in alle Richtungen gleichermaßen und linear polarisiertes Licht nur in einer Ebene schwingt. Die meisten Lichtquellen emittieren unpolarisiertes Licht, das jedoch durch Streuung an Molekülen (z. B. in der Atmosphäre) oder durch Reflexion an bestimmten Oberflächen (z. B. an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser) polarisiert werden kann. Anthropogene Bebauung und Lichtverschmutzung können Tiere verwirren, die Polarisation wahrnehmen, weil z. B. asphaltierte Straßen als wasserähnlich erscheinen. Die Messung von Polarisation wird mit Hilfe von Polarisationsfiltern realisiert, für Details sei auf eine Übersichtsarbeit verwiesen (Foster et al. 2018). Das Flimmern von Lichtquellen durch schnelle Modulation ist für Menschen meist nicht wahrnehmbar, da es über der Flimmerfusionsfrequenz liegt (Mensch ca. 50 – 70 Hz, Tiere 10 – 400 Hz), oberhalb der das Flimmern vom visuellen System zeitlich nicht aufgelöst werden kann (Inger et al. 2014). Messungen von Flimmern im ökologischen bzw. landschaftlichen Kontext sind bisher schwierig und müssen mit zeitlich hochauflösenden Geräten an Lampen direkt durchgeführt werden.
6 Abschlussbemerkung
Nach Abwägung der momentanen Anforderungen und der technischen Verfügbarkeit ist die Messung von Lichtverschmutzung im Kontext des Naturschutzes am besten mit RGB-Kamerasystemen durchzuführen, die das komplette sphärische Lichtfeld erfassen können, z. B. mit zirkularen Fischaugenobjektiven. Hier muss an robusten Systemen für Langzeitmessungen im Außenbereich gearbeitet werden. Da keine komplette spektrale Information verfügbar ist, sind weitere technologische Entwicklungen in Richtung einer hyperspektralen Lösung erforderlich. Momentan sollte möglichst eine hyperspektrale Einzelmessung an den dominierenden Lichtquellen durchgeführt werden. Boden- und Satellitendaten sollten mit Modellen besser verknüpft werden, am besten unter Integration von Klima- und Wetterdaten.
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Fußnoten
