Sehschärfe der Astronauten im Weltraum

Physiologische Optik
Priv.-Doz. Dr. W. Wesemann,
Köln
Die Grenzen der Sehschärfe,
Teil 1:
Das Märchen von der
fantastischen Sehschärfe der Astronauten im Weltraum
Im Folgenden wird die Behauptung, Astronauten hätten
im Weltraum eine besonders hohe Optotypensehschärfe,
entkräftet. Der Unterschied zwischen dem Minimum
visibile und dem Minimum separabile wird anhand von
Beispielen diskutiert. Die Grenzen, bis zu denen helle
bzw. dunkle Punkte und Linien zu sehen sind, werden
erläutert.
Einleitung
Wenn von „Sehschärfe“ gesprochen wird, denkt der Augenoptiker ganz automatisch an die Optotypensehschärfe. Dies ist
verständlich, denn die mit Landoltringen, Buchstaben oder Zahlen gemessene Optotypensehschärfe ist eine Sehfunktion, die
tagtäglich im Rahmen der Augenglasbestimmung ermittelt wird.
So ist es auch verständlich, wenn augenoptische Fachleute aus
populärwissenschaftlichen Veröffentlichungen zur Sehschärfe
falsche Schlüsse ziehen. Genau dies passierte in dem Artikel von
Herrn Riedl in der DOZ 3 und 4/2001.
Hintergrund: Seit 1991 schreibt Riedl in loser Folge Artikel, in
denen er behauptet, dass einzig die Hornhautreflexbildchen für
die Brillenglaszentrierung maßgeblich sein sollen. In diesen
Artikeln werden die traditionelle Optik und deren Vertreter heftig
angegriffen. Riedl fordert Beweise dafür, dass die Augenpupille
als Aperturblende des visuellen Systems wirkt. Fachleute wie Dr.
Goersch und Dr. Enders haben sich kritisch mit diesen Artikeln
auseinandergesetzt und versucht, Riedls Ansichten zu widerlegen. Auch ich habe in einem Artikel (Wesemann, 1996) erläutert,
warum ich mit den Vorstellungen von Herrn Riedl nicht einverstanden bin. Trotzdem präsentiert er seine alten Thesen immer
wieder in neuem Gewand. So berichtet er in den Ausgaben der
DOZ (3 und 4/2001):
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1. von der außerordentlich hohen Sehschärfe, die Astronauten
im Weltraum erreichen und folgert daraus,
2. dass das visuelle System nur einen kleinen Ausschnitt aus
dem realen Pupillenquerschnitt selektiert, der einen Durchmesser
von weniger als 1 mm hat, denn anders wären nach seiner
Meinung die hohen Visuswerte der Astronauten nicht erklärbar.
Beide Behauptungen sind falsch. In diesem kurzen Artikel
möchte ich zum ersten Punkt Stellung nehmen.
Die Sehschärfe der Astronauten
Die NASA hat zur Sehschärfe im Weltraum wissenschaftliche
Untersuchungen durchgeführt. In einer Arbeit von Task und
Genco mit dem Titel „Effects of short-term space flight on several
visual functions“ wird von Messungen berichtet, die an NASAAstronauten vor, während und nach dem Raumflug vorgenommen wurden. Unter anderem wurden die visuellen Parameter:
Kontrastempfindlichkeit, Flimmerfusionsfrequenz, Stereopsis und
Sehschärfe untersucht. Auch die Augendominanz und das
Muskelgleichgewicht wurden bei 15 Astronauten erfasst. Das
Ergebnis der Visusprüfungen ist in Abbildung 1 wiedergegeben. Aufgetragen ist die mittlere Sehschärfe und die
Schwankungsbreite über alle untersuchten Astronauten.
Deutlich sieht man, dass die Sehschärfe während des
Weltraumfluges keineswegs besser wird. Die Verbindungslinie
verläuft praktisch horizontal.
Die amerikanischen Forscher schreiben dazu: „Einige der
ersten Astronauten wiesen darauf hin, dass sie das Gefühl
hatten, im Weltraum bei Erdbeobachtungen besser sehen zu
können.“ Dies hätte eine Verbesserung des Fernvisus bedeutet.
Aus Abbildung 1 geht aber hervor, dass die Sehschärfe während
des Raumflug etwas schlechter ist (nicht statistisch signifikant) als
vor oder nach dem Raumflug.
Abb. 1: Ergebnisse der Fernvisusprüfung mit einem Sehtestgerät
bei 15 Astronauten. Aufgetragen ist der mittlere Visuswert und
die Schwankungsbreite. Gemessen wurde vor, während und
nach dem Raumflug. Bei diesen Messungen ergab sich ein
mittlerer Fernvisus von etwa 1,5. Der Fernvisus veränderte sich im
Weltraum nur unwesentlich. (neu gezeichnet nach Task und
Genco, 1987)
meint, dass das Ergebnis der Sehschärfeprüfung besser gewesen
wäre, wenn die Astronauten nicht in ein standardisiertes Sehtestgerät hineingeschaut, sondern aus dem Fenster auf die Erde
geblickt hätten. In einem Brief, den Herr Riedl an mich schrieb,
verweist er zur Untermauerung seiner Ansicht auf Schriften von
Hoimar von Ditfurth und ein Buch, das der deutsche Astronaut
Dr. Walter im Jahre 1997 veröffentlichte. In diesem Buch schreibt
Walter: „Das theoretische Auflösungsvermögen des Menschen,
begrenzt durch den Abstand der Sehstäbchen auf der Augennetzhaut, beträgt eine halbe Bogenminute.“ Dieser Satz
beschreibt den Abstand der Photorezeptoren in der Fovea vollkommen richtig (siehe Østerberg, 1935). Aus diesem theoretischen Auflösungsvermögen und seiner praktischen Erfahrung
folgert Walter: „In einer Entfernung von 300 km (. . . ) kann man
damit tatsächlich alles erkennen, was größer ist als 30 Meter!“
Diese Folgerung von Walter ist etwas großzügig, denn, wenn
man genau nachrechnet, kann man mit einem Auflösungsvermögen von einer halben Bogenminute aus 300 km höchstens Landoltringe erkennen, deren Lücken mindestens 44 m breit sind.
Doch die Größenordnung stimmt. Über die Differenz lohnt auch
kein langer Streit, denn das entscheidende Problem ist ein ganz
anderes. Walter denkt nämlich bei der Art der Sehleistung, die er
beschreibt, nicht an die Optotypensehschärfe, sondern an eine
andere Art der Sehschärfe – das sogenannte Minimum visibile.
Minimum visibile/Minimum perzeptibile
In einer anderen Untersuchung berichten Ginsburg (der
Erfinder der VisTech-Tafel) und Vanderploeg über Nahsehschärfeund Kontrastempfindlichkeitsmessungen während der Raumflüge von 1981-1986. In ihrer Zusammenfassung schreiben
die Autoren: „Während der Raumflüge mit dem Space-Shuttle
konnten keine signifikanten Veränderungen der Nahschärfe
nachgewiesen werden “ und weiter „Eine signifikante Verschlechterung der Kontrastempfindlichkeit (während des Raumflugs) ist möglich“.
O´Neal et al. berichtete auf dem Kongress der Internationalen
Astronautischen Föderation in Dresden (1990) über detaillierte
Fernvisusmessungen an 23 amerikanischen Astronauten. In dieser Untersuchungsreihe wurden auch Wiederholungsmessungen
durchgeführt, um herauszufinden, ob sich der Visus im Laufe des
Raumfluges veränderte. Diese Ergebnisse sind in Abbildung 2
dargestellt. Deutlich sieht man, dass der Fernvisus während des
Raumfluges bei den meisten Astronauten gleich bleibt. Bei einem
Astronauten sank der Visus nach 48 Stunden auf etwa 0,6 und
erholte sich dann in den folgenden Tagen langsam wieder.
Als Ursache für die Verschlechterung werden u.a. Ödeme der
Netzhaut genannt, die in der Schwerelosigkeit auftreten können.
Im Mittel betrug die Fernvisusverschlechterung 7,9 Prozent.
O´Neal et al. berichteten außerdem über weitere Untersuchungen, die von den russischen Astronauten im Wostock und Sojus
Programm durchgeführt worden waren. Auch dort war im Mittel
eine geringfügige Visusverschlechterung (5-10 Prozent) während
des Raumfluges gefunden worden.
Diese Informationen, die ich u.a. über die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt in Köln erhalten habe,
sind auch Herrn Riedl bekannt, denn auch er hat mir Einblick in
die ihm vorliegenden Unterlagen gewährt, wofür ich ihm an
dieser Stelle ausdrücklich danke. Trotzdem glaubt er nach wie vor
an die Geschichte von der hohen Sehschärfe der Astronauten. Er
Die beide Begriffe Minimum visibile bzw. Minimum perzeptibile
kennzeichnen die Erkennbarkeit eines Objektes aufgrund seiner
Abb. 2: Fernvisus von 23 Astronauten vor, während und nach
dem Weltraumflug. Im Unterschied zu Abbildung 1 wurden im
Rahmen dieser Untersuchung mehrere Messung an aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt. Der Zeitpunkt der Messungen (in
Stunden nach dem Start) ist auf der x-Achse angegeben. Vor und
nach dem Weltraumaufenthalt hatten die Astronauten mit der
besten Sehschärfe einen Visus von 2,5. Die Astronauten mit der
schlechtesten Sehschärfe erreichten nur 0,9. (ungerechnet nach
O´Neal et al., 1990)
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Helligkeit oder seines Leuchtdichtekontrasts zur Umgebung. Die
absolute Empfindungsschwelle für Lichtpunkte gehört in diese
Kategorie genauso wie die Erkennbarkeit der Prüfpunkte bei der
Perimetrie. Typische Testfiguren für diese Art der Sehschärfe sind
dunkle Testobjekte auf hellem Grund bzw. helle Testobjekte auf
dunklem Grund. Diese Art der Sehschärfe wird von Paliaga (1993)
auch als „Punktsehschärfe“ bezeichnet (siehe Abb. 3).
die nur in einer Ausdehnungsrichtung größer sind als 30 Meter
und in der anderen sogar kleiner. Straßen in monotonem Gelände
eben.“ Denkt man zum Beispiel an die Wahrnehmung eines asphaltierten amerikanischen Highway in der Wüste Nevada, so ist
die Sehaufgabe, die Walter hier beschreibt, genau die oben beschriebene Wahrnehmung einer dunklen Linie auf hellem Grund.
Diese Sehaufgabe kann gemäß der oben beschriebenen
Leistungsfähigkeit des Auges durchaus bewältigt werden.
Das, was die Astronauten beschreiben, ist aber keine Sehschärfeaufgabe, die mit der Optotypensehschärfe vergleichbar ist,
sondern eine ganz andere Sehfunktion.
Aus physiologisch-optischer Sicht kann die Wahrnehmung
dunkler Testobjekte auf die Fähigkeit zur Wahrnehmung kleinster
Leuchtdichteunterschiede zurückgeführt werden. Infolge der
nicht idealen Abbildungsverhältnisse im Auge fließt Licht aus dem
hellen Umfeld in das dunkle Gebiet hinein und verringert den
Kontrast. Dieses Phänomen wird auch als „Irradation“ bezeichnet. Die Wahrnehmungsgrenze ist erreicht, wenn der Leuchtdichteunterschied zwischen der dunklen Linie und der helleren
Umgebung nicht mehr groß genug ist. Zur Wahrnehmung einer
dunklen Linie reicht dem Menschen aber bereits ein Helligkeitsunterschied von etwa 1 Prozent.
Wahrnehmung heller Objekte auf
dunklem Grund
Abb. 3: Beispiele für unterschiedliche Testfiguren mit denen man
die Sehleistung des Menschen prüfen kann. a) Minimum visibile/Minimum perzeptibile: a1) heller Punkt auf dunklem Grund a2)
dunkler Punkt auf hellem Grund a3) dunkle Linie auf hellem
Grund b) Nonius-Sehschärfe c) Minimum separabile/angulare
Sehschärfe: c1) zwei Punkte c2) zwei Linien c3) Gittermuster c4)
Landoltring d) Minimum legibile/Leseempfindlichkeit: Lesetext
aus der Nieden Tafel.
Wahrnehmung dunkler Objekten auf
hellem Grund
Dunkle Punkte, dunkle Linien oder andere dunkle Objekte auf
hellerem Umfeld können bei gutem Kontrast bis hinunter zu einer
Kleinheit von circa. 14 Bogensekunden wahrgenommen werden
(Hecht et al., 1947). Aus 300 km Entfernung entspricht dieser
Zahlenwert einer Objektgröße von 20,4 m. Unter günstigen
Bedingungen sollen dunkle Linien sogar bis herab zu einer Linienbreite von einer halben Winkelsekunde sichtbar sein (Hecht und
Mintz, 1939). Aus 300 km entspräche dies einer dunklen Linie
von 73 cm Breite! Dies ist aus dem Weltraum wegen der Luftunruhe und dem Dunst allerdings nicht erzielbar, sondern nur im
Labor auf der Erde.
Walter schreibt in diesem Zusammenhang: „Mit einem derart
geschärften Sehvermögen lassen sich sogar Strukturen erkennen,
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Noch besser kann das Auge helle Objekte auf dunklem Grund
wahrnehmen. Diese Sehaufgabe ist typisch für die Perimetrie
aber auch für andere, ganz normale Sehaufgaben wie die Wahrnehmung von Lichtquellen im Dunkeln. Jeder, der schon einmal
mit einem Flugzug nachts in einer Großstadt gelandet ist, kennt
dieses Phänomen. Die Sichtweite wird scheinbar endlos. Geringe
Mengen von Dunst und Nebel behindern die Sicht weniger als am
Tage. Jede Lampe im Lichtermeer einer Stadt ist deutlich sichtbar,
solange sie hell genug ist.
Die absolute Empfindungsschwelle für punktförmige Lichtreize
im dunkel adaptierten Auge liegt bei einer Hornhautbeleuchtungsstärke von ungefähr 10 –9 lx. Umgerechnet auf die Zahl der
auf die Photorezeptoren einwirkenden Lichtquanten ergibt sich,
dass – unter optimalen Bedingungen – bereits wenige Lichtquanten zur Wahrnehmung eines Reizes ausreichen. Diese
Leuchtdichte wird offensichtlich von allen genügend hellen Lichtpunkten – und seien sie noch so klein – erreicht.
Sternenname
(Spektraltyp)
Scheinbarer
Durchmesser
des Sterns von
der Erde aus
betrachtet
(Winkelsekunden)
Wieviel mal
ist dieser
Stern größer
als die
Sonne?
(R/RSonne)
Antares (M1)
0,04“
740
1 500
Arktur (K2)
0,022“
26
2 730
Sirius (A1)
0,0068“
2,05
8 830
Wega (A0)
0,0037“
3,9
16 200
Tabelle 1: Vier der hellsten Sterne im Vergleich
Äquivalenter
Visus
(= Kehrwert
der Größe in
Winkelminuten)
Ein gutes Beispiel dafür, dass wir mit unseren Augen extrem
kleine Objekte problemlos sehen können, sind die Sterne am
Himmel. Lassen Sie mich dies an einem Beispiel verdeutlichen.
Nach Voigt (1969) haben vier der hellsten Sterne für einen
Beobachter auf der Erde folgende scheinbare Durchmesser
(Sehwinkel) und Größen (im Verhältnis zur Größe der Sonne), die
in der Tabelle 1 dargestellt sind.
Aus dem Durchmesser in Winkelsekunden habe ich zusätzlich
einen Wert berechnet, den ich den äquivalenten Visus nenne,
und in die letzte Spalte eingetragen. Dieser Wert gibt an, welcher
Visus nötig wäre, um einen Landoltring zu erkennen, dessen
Lücke genauso breit ist wie der Durchmesser des Sterns.
Aus Spalte 2 der Tabelle kann man ablesen, dass die Sterne am
Himmel nur eine winzige räumliche Ausdehnung haben, die
wesentlich geringer als eine Bogensekunde ist. Die Umrechnung
in den äquivalenten Visuswert (Spalte 4) ergibt deshalb astronomisch hohe Werte. So wäre ein Visus von 16200 nötig, um
einen Landoltring zu erkennen, dessen Lückenbreite so groß
ist wie der Stern Wega. Dabei bedenke man, dass die vier aufgeführten Sterne zu den hellsten am Himmel zählen. Die dunkleren Sterne sind natürlich viel weiter entfernt und deshalb
entsprechend kleiner.
Man bedenke aber auch, dass alle Sterne, aber auch alle anderen sehr kleinen Lichtpunkte, unabhängig von ihrer tatsächlichen
Größe, immer gleich groß auf der Netzhaut abgebildet werden.
Durch die Lichtbeugung im Auge ergibt sich bei Sehobjekten
kleiner als 10 Winkelsekunden stets eine gleichgroße, beugungsbegrenzte Bildgröße. Bei einer 3 mm großen Pupille beträgt die
minimale Halbwertsbreite des Beugungsscheibchens auf der
Netzhaut etwa 1,3 Winkelminuten. Daraus folgt, dass selbst die
allerkleinsten Sehobjekte nach der Abbildung auf der Netzhaut
eine Breite haben, die größer als drei foveolare Zapfen ist. Insofern hat der Astronaut Walter unrecht, wenn er schreibt (sinngemäß): „Winzige Objektdetails, die genau zwischen zwei
Stäbchen fallen, bleiben unerkannt.“ Diese Art der Abbildung
kommt beim Menschen prinzipiell nicht vor, da durch die Lichtbeugung und die Abbildungsfehler grundsätzlich ein Netzhautbild entsteht, das mehrere Zapfendurchmesser groß ist und deshalb niemals zwischen zwei Photorezeptoren fallen kann.
Zusammenfassung
Das menschliche Auge kann beliebig kleine helle Objekte
wahrnehmen, solange sie hell und kontrastreich genug sind.
Die tatsächliche Winkelgröße ist nicht von Bedeutung. Die entsprechende Grenzgröße ist das „Minimum visibile“ (die „Punktsehschärfe“).
Das „Minimum visibile“ hat nichts mit der in der Augenoptik
üblichen Optotypensehschärfe zu tun. Die Optotypensehschärfe
ist eine spezielle Unterart des „Minimum separabile“ also ein
Maß für das Auflösungsvermögen, für die Trennschärfe, für die
Fähigkeit des Auges, Einzelheiten und Strukturmerkmale eines
Objektes wahrzunehmen.
Aus wissenschaftlichen Experimenten der NASA folgt, dass die
Optotypensehschärfe der Astronauten auf der Erde und im Weltraum gleich oder geringfügig schlechter ist.
Deshalb ist und bleibt die Geschichte von den außergewöhnlich hohen Visuswerten der Astronauten ein Märchen, das auch
durch die Erwähnung in populärwissenschaftlichen Büchern nicht
wahrer wird.
(Teil II folgt in DOZ 9/01)
Autor: Priv.-Doz. Dr. W. Wesemann,
Höhere Fachschule für Augenoptik Köln,
Bayenthalgürtel 6-8,
50968 Köln
Literatur:
[1]
Riedl, H.W., Wissenschaft ist Irrtum auf den letzten Stand gebracht. Teil1+2,
DOZ 3+4/2001.
[2] Wesemann, W., Wo liegt die lichtenergetische Mitte der Augenpupille?
NOJ, 3/1996.
[3] Task, H.L., Genco, L.V., Effects of short-term space flight on several visual
functions. In: Results of the life sciences DSOs conducted aboard the space
shuttle 1981 – 1986. (Hrsg.: Bungo, M.W.). NASA, 5/1987.
[4] Ginsburg, A.P., Vanderploeg, J., Vision in space: Near vision acuity and contrast
sensitivity. In: Results of the life sciences DSOs conducted aboard the space
shuttle 1981 – 1986. (Hrsg.: Bungo, M.W.). NASA, 5/1987.
[5] O´Neal M.R., Task H.L., Genco L.V., Effect of microgravity on several visual
functions during STS shuttle missions. In: Berichte vom 41st Congress of the
International Astronautical Federation, Dresden, 1990.
[6] Lazarev A.I., Vision in space. Opticheskiye Issledovaniya v Kosmose, 66-87,
1979.
[7] Østerberg, G. , in: Topography of the layer of rods and cones in the human
retina. Acta Ophthalmol. Suppl. 13:1-103, 1935.
[8] Paliaga, G.P. Die Bestimmung der Sehschärfe, Quintessenz Verlag, München,
1993.
[9] Hecht, S., Mintz, E.U., The visibility of single lines at various illuminations
and the retinal basis of visual resolution. Journal of General Physiology, 1939,
593-612.
[10] Hecht, S., Shlaer, S., and Pierenne, M.H. (1942). Energy, quanta and vision.
J. Gen. Physiol. 25, 819-840.
[11] Voigt, H.H., Abriss der Astronomie. Bibliographisches Institut, Mannheim,
Seite 161, 1969.
DOZ 8/2001
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