Von Ultraviolett bis Infrarot

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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      Das kontinuierliche Lichtspektrum                                                          3

1.1      Farbwahrnehmung durch Zapfenzellen                                                     3

1.2      Additive Farbmischung                                                                               4

1.3      Komplementärfarbe                                                                                   4

1.4      Menschliche Haut                                                                                       4

 

2.0      Ultraviolettstrahlung                                                                                  5

2.1      Entdeckung der Ultraviolettstrahlung                                                       5

2.2      Schutz vor Ultraviolettstrahlung                                                                5

 

3.0      Infrarotstrahlung                                                                                         6

3.1      Entdeckung der Infrarotstrahlung                                                              6

3.2      Die Wärmebildkamera                                                                               6

 

4.0      Reichweite der Strahlungsarten, bezüglich der Atmosphäre                  7

4.1      Reichweite der Strahlungsarten, bezüglich der Haut                               7

 

5.0      Textverzeichnis                                                                                           8

5.1      Abbildungsverzeichnis                                                                               8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 UV-Bereich 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-,M-

und 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)

 

 

 

1.2 Additive Farbmischung

 

Tab.1 : Einteilung der Mischfarben aus den Spektralfarben Rot, Grün und Blau (Röpke 2007)

 

Spektral-farbe 1

Spektral-farbe 2

Angesprochenen Zapfentypen

Misch-farbe

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)

 

 

Komplementär

 

 

 

   

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
Blaugrün
Grün
Purpur
Blau
Gelb

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

-          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).

UV-B

280-320 nm

-          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).

UV-C

200-280 nm

-          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).

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 IR-Strahlung (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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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).

 

 

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=GAS-Growshops&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