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Von Ultraviolett bis Infrarot
-
Das Lichtspektrum
Was nimmt der Mensch wahr?
Sieht der Mensch rot?
Der Mensch kann vieles sehen und wahrnehmen. Egal ob Blau oder Grün, der
Mensch kann es unterscheiden und selbst räumliches Sehen ermöglicht es ihm
zu unterscheiden, ob der Gegenstand nah oder weit entfernt von ihm ist.
All diese Aufgaben und Fähigkeiten besitzt das Auge. Das Auge ist ein
Sinnesorgan des Menschen, welches ihm ermöglicht zu sehen und
Lichtspiegelung oder Lichtstreuung wahr zu nehmen. Doch auch nichtsichtbare
Bereiche wurden definiert, wie z.B. Ultraviolettstrahlung oder Infrarotstrahlung.
Was der Mensch aber wirklich registriert und welche Strahlungsarten es noch
gibt, wird in dieser Ausarbeitung verdeutlicht und erklärt.
Inhaltsverzeichnis
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
Das kontinuierliche Lichtspektrum
Farbwahrnehmung durch Zapfenzellen
Additive Farbmischung
Komplementärfarbe
Menschliche Haut
3
3
4
4
4
2.0
2.1
2.2
Ultraviolettstrahlung
Entdeckung der Ultraviolettstrahlung
Schutz vor Ultraviolettstrahlung
5
5
5
3.0
3.1
3.2
Infrarotstrahlung
Entdeckung der Infrarotstrahlung
Die Wärmebildkamera
6
6
6
4.0
4.1
Reichweite der Strahlungsarten, bezüglich der Atmosphäre
Reichweite der Strahlungsarten, bezüglich der Haut
7
7
5.0
5.1
Textverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
8
8
2
1.0 Das kontinuierliche Lichtspektrum
Das kontinuierliche Spektrum reicht von der Ultraviolettstrahlung, über den VIS-Bereich, den für den
Menschen sichtlichen Bereich, bis zur Infrarotstrahlung.
Angrenzend an den für den Menschen sichtbaren Teil des Lichtspektrums, befindet sich der UVBereich bei niedrigeren und der IR-Bereich bei höheren Wellenlängen, welche teilweise von anderen
Lebewesen wahrgenommen werden können (Wikipedia 2007c).
Das sichtbare Licht wird in die Spektralfarben, reine Farben, unterteilt, die ineinander verlaufen und
so ein regelmäßiges Spektrum bilden.
Dieses Spektrum ist kontinuierlich, doch wird aufgrund der menschlichen Sinnesleistung in sichtbares
und nichtsichtbares Licht eingeteilt (Röpke 2007).
Abb.1 : Das Lichtspektrum im Überblick (Sonne und Haut 2007)
Doch nun bleibt die Frage ob im Spektrum nicht jede Farbe eine Spektralfarbe, reine Farbe, ist, und
nur ihre additive Mischung für uns Mischfarben aufweist?
Wenn wir eine Farbe sehen, wird die farbspezifische Zapfenzelle angeregt, was bedeuten würde, bei
Rot springen die rotspezifischen Zapfenzellen an. Doch sieht man nun Gelb, gibt es aber keine
gelbspezifische Zapfenzelle, sondern nur die rot- und grün spezifische Zelle, die durch die bei uns
geltende Regelung der additiven Farbmischung Gelb aufweist.
Also man kann folglich sagen, jede im Spektrum liegende Farbe ist eine Spektralfarbe, doch ihre
Wahrnehmung mit Hilfe der Zapfenzellen, wird anhand der additiven Farbmischung erklärt
(siehe Tab.1 | Röpke 2007).
1.1 Farbwahrnehmung durch Zapfenzellen
Nach Physiker Young (* 1801, † 1877), der die Hypothese aufstellte, das Farbempfindung aus drei
Grundfarben zusammengesetzt wird, bestätigte Helmholtz (* 1852, † 1934) diese Theorie, begründet
auf die Existenz dreier Zapfenzellen in der Netzhaut. Schließlich ließen sich solche Zapfenzellen, drei
an der Zahl, nachweisen und ebenfalls fiel auf, dass diese mit je einem unterschiedlichen Farbstoff
gefüllt waren.
Mit einer Wellenlänge von 450nm wurde zum Beispiel der „Blaurezeptor“ unter den Zapfen erregt.
Dabei werden die Zapfenzellen in L-,Mund S-Typ eingeteilt, dies bezogen auf die
Wellenlänge.
Blauspezifische Zapfenzellen sind S-Typen,
rotspezifische Zapfenzellen sind L- und
grünspezifische Zapfenzellen hingegen
M-Typen.
Zurückgegriffen wird auf die englischen
Begriffe „Long/L, Middle/M und Short/S“
(Gerhard 2007).
Abb.2 : Zeigt die Reaktion der Zapfenzellen in einem Diagramm (Molecular Expressions 2007)
3
1.2 Additive Farbmischung
Tab.1 : Einteilung der Mischfarben aus den Spektralfarben Rot, Grün und Blau (Röpke 2007)
Spektralfarbe 1
Spektralfarbe 2
Angesprochenen
Zapfentypen
Mischfarbe
Rot
Grün
L+M
Gelb
Rot
Blau
L+S
Purpur
Blau
Grün
M+S
Blaugrün
Aus den Farben Rot und Grün wird Gelb
Aus den Farben Rot und Blau wird
Violett/Purpur
Aus den Farben Blau und Grün wird
Türkis/Blaugrün
1.3 Komplementärfarben
Komplementärfarbe (lat. complementum: Ergänzung) ist ein Begriff aus der Farbenlehre.
Komplementär ist eine Farbe immer in Bezug zu einer anderen Farbe (siehe Tab.2):
Komplementärfarben mischen sich bei der Additiven Farbmischung (beispielsweise dem
gleichzeitigen Leuchten zweier farbiger Strahler) zu Weiß.
Im Farbkreis stehen sich Komplementärfarben stets genau gegenüber (siehe Abb.2). Deshalb werden
sie auch gelegentlich als "Gegenfarben" bezeichnet (Biologie.de 2007)
Die Tabelle kann in beide Richtungen gelesen werden (Biologie.de 2007)
Abb.3 : Das Schema um die Komplementärfarben ab zu lesen (Wikipedia 2007)
Tab. 2 : Zeigt die Spektralfarben und ihre
Komplementärfarben (Röpke 2007)
Farbe
Komplementärfarbe
Rot
Grün
Blau
Blaugrün
Purpur
Gelb
Komplementär
1.4 Menschliche Haut
Abb.4 : Die Menschliche Haut mit Beschriftung dient zum Verständnis der weiteren Erklärungen
(Wikipedia 2007)
Die menschliche Haut besteht aus
der Hornschicht, der Lederhaut und
der Unterhaut und ist somit
schichtweise aufgebaut (siehe
Abb.4).
Die Strahlung trifft auf die Haut und
dringt ein oder wird reflektiert
(siehe 4.1)
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2.0 Ultraviolettstrahlung
Obwohl der Mensch die Ultraviolettstrahlung nicht sehen kann, kann man ihre Wellenlänge messen
und definieren.
Die UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 400 nm kommt im Sonnenlicht nur mit sehr geringer
Intensität vor.
Umstritten ist die biologische Wirkung von UV-Licht. Für manche ist es ein lebenswichtige Essenz für
andere die Quelle vieler Übel.
Langzeitschäden wie Hautalterung, Hautkrebs oder Katarakt können auch auftreten, wenn die
Erythemschwelle zwar nicht überschritten wird, die Bestrahlung aber häufig erfolgt.
Haut und Augen registrieren jede UV-Strahlung und nicht nur diejenige, die über der Erythemschwelle
liegt (siehe Tab.3).
UV-Strahlung ist in der Lage, neben dem Hautkrebs eine Reihe anderer Hauterkrankungen
hervorzurufen, wie z. B. die Sonnenallergie (Wikipedia 2006b).
Tab.3 : Biologische Wirkung und Wellenlänge der drei verschiedenen UV-Strahlen (Wikipedia 2006b)
Bereich Wellenlänge Biologische Wirkung
UV-A
320-400 nm
-
-
UV-B
280-320 nm
-
UV-C
200-280 nm
-
langfristige Bräune
Lange Wellen, auch direkte Pigmentierung genannt.
Gelangen bis zur Lederhaut.
Lässt die Haut durch die Schädigung der Kollagene altern, die
Haut verliert dadurch an Spannkraft.
Verantwortlich für Tiefenbräune, da sie die Pigmente in den
unteren Hautschichten direkt bräunt, dadurch wird die Haut
dunkler und behält den Zustand einige Zeit.
Hautalterung und Faltenbildung, theoretisch keine erytheme
(Sonnenbrand erzeugende) Wirkung, praktisch schon
(Wikipedia 2006b).
kurzfristige Bräunung
Sie dringt nur in die oberen Hautschichten ein.
Man spricht dabei auch von indirekter Pigmentierung oder
Sofort-Bräune.
Bildung einer Schutzschicht auf der Haut; dringt in tiefere
Hautschichten vor, hohes Hautkrebsrisiko, hat einen stark
erythemen Effekt -> Sonnenbrand
(Wikipedia 2006b).
sehr kurzwellig
gelangt nicht bis zur Erdoberfläche
Absorption durch die obersten Luftschichten der
Erdatmosphäre
Verwendung: Entkeimungstechnik
(Wikipedia 2006b).
2.1 Entdeckung der Ultraviolettstrahlung
Kurz nach der Entdeckung der Infrarotstrahlung im Jahre 1800, vermutete der deutsche Physiker
Johann Ritter, das jenseits des violetten Lichts fortgesetzt werden könne.
1801 fand er heraus, dass es unsichtbare Strahlen gibt, die Photoplatten stärker schwärzen als
sichtbares Licht. Damit war die UV-Strahlung entdeckt.
2.2 Schutz vor Ultraviolettstrahlung
Einfache Mittel zum Abschwächen der UV-Strahlung sind Sonnenbrillen, Sonnenschutzcreme und
Bekleidung (Hut, Kappe, T-Shirt etc.), weil damit die Haut bzw. der Körper bedeckt wird und nicht
der direkten Strahlung untersetzt wird.
Doch auch bei der Wahl der Bekleidung kann man Fehler machen. Es sollten möglichst dunkle, nicht
weiße Stoffe sein. Im trockenen Zustand können sie einen Lichtschutzfaktor, dies ist die Maßzahl, mit
der die Wirksamkeit eines Sonnenschutzes gemessen wird, von 10 haben (Wikipedia 2007d).
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3.0 Infrarotstrahlung
Als Infrarotstrahlung, kurz IR-Strahlung, oder Wärmestrahlung bezeichnet man elektromagnetische
Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der langwelligeren Mikrowellenstrahlung.
Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm (Wikipedia 2006a).
Bei kurzwelliger IR-Strahlung (ab 780 nm – 5000 nm ) spricht man oft von nahem Infrarot (NIR), bei
Wellenlängen von ca. 5-25 Mikrometer von mittlerem Infrarot (MIR). Extrem langwellige IRStrahlung (25000 nm - 1000000 nm) bezeichnet man als fernes Infrarot (FIR) (Wikipedia 2006a).
Wärmestrahlung von Heizstrahlern (z. B. keramische Infrarotstrahler mit langwelliger IR-Strahlung
bzw. Rotlichtlampen, die vorrangig NIR emittieren) wird zur örtlichen Behandlung von Entzündungen
(z. B. Nasennebenhöhlen) eingesetzt.
Infrarotstrahlung wird in der Medizin auch häufig in Form von Lasern genutzt. Die Einsatzgebiete
umfassen dabei insbesondere die Haut-, Augen- und Zahnheilkunde (Wikipedia 2006a).
Der Mensch muss also Wärme-Sinnes-Zellen besitzen, die anhand der IR-Strahlung reagieren und zur
schnellen Heilung von Entzündungen anregt.
Die Haut ist auch mit Abstand das vielseitigste unserer Sinnesorgane, denn hier sitzt mehr als eine
Sorte von Sinneszellen - die verschiedensten Empfindungen können registriert und verarbeitet werden.
So gibt es Rezeptoren für Kälte, Wärme, Druck und Berührung, Vibrationen und Schmerz (WDR
1997).
3.1 Entdeckung der Infrarotstrahlung
Der Astronom Friedrich Wilhelm (Sir William) Herschel entdeckte im Jahr 1800 die infrarote
Strahlung. Da er seine Teleskope selbst baute, war er mit optischen Komponenten wie Linsen und
Spiegeln bestens vertraut. Herschel wusste, dass das Sonnenlicht alle Farben des Spektrums enthält
und zudem eine Wärmequelle ist, und wollte nun herausfinden, welche Farben für die Erwärmung von
Objekten verantwortlich sind (Flir Systems 2006).
Dazu benutzte er ein Experiment, in dem er ein Prisma, Sonnenlicht und Thermometer mit
geschwärzten Kolben verwendete, um die den verschiedenen Farben entsprechenden Temperaturen zu
messen. Herschel beobachtete in seinem Experiment einen Anstieg der Temperatur, wenn er das
Thermometer vom violetten in den roten Bereich des Farbspektrums bewegte, das er durch die
Aufspaltung des Sonnenlichts mit einem Prisma erzeugt hatte. Weiterhin stellte er fest, dass die
höchste Temperatur jenseits des roten Farbbereichs gemessen wurde - die Strahlung, die diese
Erwärmung verursachte, war nicht sichtbar. Herschel bezeichnete diese unsichtbare Strahlung damals
als „calorific rays“ (Wärmestrahlen). Heute kennen wir sie als Infrarotstrahlung (Flir Systems 2006).
3.2 Die Wärmebildkamera
Abb. 5 : Zeigt eine Aufnahme einer Wärmebildkamera (Schmalfuß 2007)
Mit Wärmebildkameras werden
z.B. Häuser fotografiert und
anhand der Farben kann man
erkennen wo Wärme entweicht
bzw. Kälte eintritt. Mit diesen
Infrarotfotografien wird anhand
einer Skala (siehe Abb.5) die
Temperatur farblich dargestellt.
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4.0 Reichweite der Strahlungsarten, bezüglich der Atmosphäre
Abb.6 : Dieses Bild zeigt die Strahlungsarten, ihre Reichweite und signalisiert die Stärkenunterschiede
Die Reichweite der einzelnen von der Sonne kommenden Strahlungsarten ist aufgrund der
Atmosphäre unterschiedlich (siehe Abb.6). Infrarotstrahlung gelangt ohne Abschwächung in die
Troposphäre, wo hingegen UV-C-Strahlung, nicht einmal in die Stratosphäre gelangt. UV-B wird
durch die Ozonschicht abgeschwächt, unterscheidet sich somit von UV-A-Strahlung, die
ungeschwächt auf die Haut des Menschen trifft (SOV 2007)
4.1 Reichweite der Strahlungsarten, bezüglich der Haut
Abb. 7 : Dieses Bild zeigt die Strahlungsarten und ihre Reichweite in der Haut (PCE Group 2007)
Die ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung dringt teils bis zur Haut vor und gelangt durch
verschiedene Schichten. Die UV-A- und UV-B-Strahlen gelangen bis zur Unterhaut bzw. bis zur
Lederhaut, wo hingegen die Infrarotstrahlung und das sichtbare Licht die Hornschicht nicht
durchdringen. Durch Faktoren wie Luftverschmutzung und Ozon werden die Strahlen abgeschwächt
(siehe Abb.7 | PCE Group 2007).
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5.0 Textverzeichnis
A - Wikipedia (2006) Infrarotstrahlung.- Wikimedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien
Wissens e.V., Online: http://de.wikipedia.org/wiki/Infrarotstrahlung,
zuletzt abgerufen 18.12.2006.
B - Wikipedia (2006) Ultraviolettstrahlung.- Wikimedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung
Freien Wissens e.V., Online:http://de.wikipedia.org/wiki/UV-Strahlung, zuletzt abgerufen 18.12.2006.
Biologie.de (2007) Komplementärfarbe.- Biofacts DE, Online:
http://www.biologie.de/biowiki/Komplement%C3%A4rfarbe, zuletzt abgerufen 22.02.07.
C - Wikipedia (2007) Lichtspektrum.- Wikimedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien
Wissens e.V., Online: http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtspektrum, zuletzt abgerufen 17.01.2007.
D - Wikipedia (2007) Sonnenschutzmittel.- Wikimedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung
Freien Wissens e.V., Online: http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenschutzmittel, zuletzt abgerufen
26.02.2007.
FLIR Systems (2006) Die Geschichte der Infrarotstrahlung.- FLIR Systems GmbH, Online:
http://www.flirthermography.de/about/ir_history.asp, zuletzt abgerufen 18.12.2006.
Gerhard (2007) Zapfentypen.- Das Auge
Knodel, Hans; Bayrhuber, Horst (1983): Linder Biologie.- 19.Auflage, 468 Seiten, J.B. Metzlersche
Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.
Röpke, René (2007): Farben.- Das Auge
Sport Vision (2007) Schutz vor UV-Strahlung.- Sport Vision Institut, Online:
http://www.sportsvision.de/index.html, zuletzt abgerufen 26.02.2007.
WDR (1997) Unsere Haut.- Westdeutscher Rundfunk Köln, Online:
http://www.quarks.de/haut/0109.htm, zuletzt abgerufen 17.01.2007.
5.1 Abbildungsverzeichnis
Abb.1 GrowAndStyle: „Pflanzen brauchen Licht“;
Online:
http://www.growandstyle.de/shop/shop.php?wg=grow_licht&case=2&uID=2071908&pID=GASGrowshops&cssnr=&catid=1175
Abb.2 Molecular Expressions: „Absorption Filters“
Online: http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/filters/absorption/index.html
Abb.3 Wikipedia: “Komplementärfarbe”;
Online: http://de.wikipedia.org/wiki/Komplement%C3%A4rfarbe
Abb.4 Wikipedia: “Haar”;
Online: http://de.wikipedia.org/wiki/Haar
Abb.5 Bausachverständiger Dipl. Bauing. Schmalfuß: „Thermographie- Elektrothermografie“;
Online: http://www.bauthermografie-infrarot.de/
Abb.6 Röpke, René
geändert von SOV: „Ultraviolett“ [Suchresultat];
Online: http://www.sov.ch/scripts/german/abc/resultsABC.cfm?Titel=U
Abb.7 PCE Group: „UV-Messgerät PCE-UV34“;
Online: http://www.warensortiment.de/technische-daten/uv-messgeraet-pce-uv34.htm
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