Immer wieder werden wir Paten der Nacht gefragt, wie man Lichtverschmutzung messen kann und welche Mess-Geräte man benötigt, um Lichtverschmutzung oder überhaupt Licht (als Laie) messen zu können. Meist geht es in diesem Zusammenhang darum, dass nächtliches Licht (beispielsweise einer Straßenlaterne oder Werbebeleuchtung) störend ins Schlafzimmer scheint und dadurch die Nachtruhe durch eine deartige Lichtbelästigung gestört wird oder eine grelle Werbebeleuchtung den sommerlichen Abend auf der Terrasse oder dem Balkon vermiest. Manch einer will sogar wissen, wie hell die Lichtglocke über seinem Wohnort ist, die durch die Aufsummierung von allem fehlgelenkten und zu hellem Licht Nacht für Nacht aufs Neue entsteht und die Sterne verblassen lässt …
Die gute Nachricht: man muss nicht gleich einen professionellen Lichttechniker oder Gutachter bemühen, um Licht ins Dunkel zu bringen oder sich selbst tief in die Materie hineinarbeiten. Denn zur Ermittlung der wesentlichen Parameter von Licht kann man auch selbst relativ einfach erste Messungen durchführen, um damit zumindest einen ungefähren Anhaltspunkt zu erhalten, wie hell z.B. ein störend ins Schlafzimmer oder in Richtung Gartensitzecke leuchtendes Licht ist. Gerade wenn es darum geht, sich gegen störendes oder blendendes Licht zu wehren, ist die Kenntnis eines ungefähren Wertes für Helligkeit oder auch die Lichtfarbe/Weißton sehr hilfreich und in darauffolgenden Gesprächen mit dem Verursacher (Nachbar, Firma, Gemeinde) gewinnbringend. Besser man kann einen gemessenen Wert angeben, als zu sagen „es ist zu hell“.
Lichtfarbe (Kelvin)
Je nach spektraler Zusammensetzung des von einer Lichtquelle abgestrahlten Lichtes erscheint uns dieses in einem unterschiedlichen Weißton, der als „warm“, „neutral“ oder „kühl“ empfunden wird. Für einen solchen Farbeindruck ist die Farbtemperatur (Einheit: Kelvin) maßgebend. Warmes (also goldfarbenes bis gelbliches) Licht entspricht einer Farbtemperatur von bis zu etwa 3000 Kelvin. Neutralweißes Licht liegt bei etwa 4000 Kelvin. Und kaltweißes Licht (oft auch als „tageslichtweiß“ bezeichnet) liegt oberhalb von 5000 Kelvin. Aufgrund der Eigenschaften der Rezeptoren im menschlichen Auge erscheint uns bläuliches Licht mit rund 4000 Kelvin um etwa 30 Prozent heller als Licht mit einer Farbtemperatur von etwa 2200 bis 3000 Kelvin. Bei gleicher Helligkeit blendet weißes Licht also umso mehr, je bläulicher es ist (d.h. je mehr Blauanteile in seinem Spektrum enthalten sind).
Dieser Effekt wird durch in der Luft enthaltenen Staub oder Nebel noch verstärkt (Stichwort: Tyndall-Effekt). Deswegen blenden moderne bläuliche LED-Autoscheinwerfer bei Nebel noch stärker (siehe Foto).
Allgemeine Anmerkung: helles kaltweißes (also bläuliches) Licht sorgt nicht automatisch und/oder generell für mehr Sicherheit auf den Straßen. Siehe dazu dieses Foto, das den Effekt eindrucksvoll sichtbar macht.
Darüber hinaus ist für Tiere (allen voran Insekten) gelbliches Licht erheblich besser (d.h. weniger negativ beeinträchtigend) als ein neutralweißes (4000 Kelvin) oder gar kaltweißes Licht (größer 5000 Kelvin). Somit ist die Kenntnis der Farbtemperatur einer nächtlichen Lichtquelle durchaus wichtig, um dann beim Verursacher eine Umrüstung auf ein gelblicheres (und damit schonenderes) Licht erreichen zu können.
Helligkeit bzw. Beleuchtungsstärke (Lux)
Neben der Lichtfarbe ist die Helligkeit des Lichtes der zweite, sogar noch wesentlichere Faktor, der auf Umwelt, Mensch und Tier in der Nacht negativ wirkt. Da es allerdings noch immer keine Gesetze bzw. keine Grenzwerte beim nächtlichen Licht gibt, werden bei Gerichtsverfahren (gegen zu viel oder störendes Licht) derzeit immer die Veröffentlichung der LAI von 2012 (siehe hier) bzw. die in ihr enthaltenen Grenzwerte herangezogen. Für Licht, das von einer Lichtquelle (Straßenlaterne, Werbebeleuchtung, Flutlichtanlage, usw.) in den Wohnraum leuchtet (egal ob ins Schlafzimmer, ins Wohnzimmer, auf die Terrasse, den Balkon oder Garten), gilt von 22 Uhr bis 6 Uhr früh ein Maximalwert der Beleuchtungsstärke von 1 Lux. Und so kommt es immer öfter vor, dass Betroffene natürlich wissen wollen, ob die Beleuchtungsstärke des störenden oder belästigenden Lichtes nach 22 Uhr über oder unter 1 Lux liegt, bevor sie dann (falls es mehr als 1 Lux ist) den Weg zu einem Fachanwalt für Verwaltungsrecht gehen.
A. Wie kann man am besten die Lichtfarbe (in Kelvin) messen?
Um die Lichtfarbe zu ermitteln, werden als erstes diverse Smartphone-App genannt (beispielsweise „LightSpectrumPro EVO“). Aus unserer Erfahrung (durch Vergleichsmessungen) eignen sich diese App-basierten Messungen mit dem Smartphone nicht sehr gut bis überhaupt nicht. Zu ungenau und nicht reproduzierbar sind die Messergebnisse. Die Qualität der Kamera des Smartphones hat hier wesentlichen Einfluss (neben der Qualität der jeweiligen App an sich).
Überraschend gute (d.h. stimmende) Messungen der Farbtemperatur (in Kelvin) sind mit dem „Opple Lightmaster III“ möglich (siehe Foto).
Dieses nur wenige Zentimeter große und damit sehr handliche Gerät (das kabellos via Bluetooth mit einem Smartphone appbasiert betrieben wird) kostet unter 50 Euro und leistet erfahrungsgemäß sehr gute Dienste.
Neben der Farbtemperatur einer Lichtquelle (in der Einheit Kelvin) ist auch deren Farbwiedergabewert (CRI) gut ermittelbar. Beleuchtungsstärken (in Lux) kann man damit zwar auch messen, doch ist dies sinnvoll nur für Beleuchtungsstärken ab mehreren Lux möglich (tendenziell > 10 Lux). Zum Vergleich: der Vollmond erreicht in unseren Breiten maximal rund 0,2 Lux an Beleuchtungsstärke. Zudem sollte man die Messung vertikal zur Lichtquelle durchführen. Zur Messung kleiner Beleuchtungsstärken (insbesondere von 0 bis 1 Lux) ist dieses Gerät definitiv nicht geeignet (siehe dazu der Punkt B).
Das Gerät ist kompatibel mit iOS- und Android-Geräten. Es enthält eine USB-C-Buchse, über die das Gerät wieder aufgeladen werden kann.
B. Wie kann man die „Helligkeit“ eines Störlichts (in Lux) ermitteln?
Jede Lichtquelle strahlt eine bestimmte Gesamt-Lichtleistung ab. Dies ist definitionsgemäß der Lichtstrom (mit der Einheit: Lumen). Die Beleuchtungsstärke (mit der Einheit Lux) gibt hingegen an, wie viel Lichtstrom einer Lichtquelle auf einer Fläche ankommt. Also beispielsweise auf einer Straße, einem Gehweg oder einer Hausfassade. Trifft ein Lichtstrom von einem Lumen auf eine Fläche von einem Quadratmeter Größe, dann entspricht das der Beleuchtungsstärke 1 Lux. Der Vollmond schafft unter bestmöglichen Bedingungen maximal rund 0,3 Lux. In mittleren Breiten sind es hingegen nur maximal bis zu rund 0,2 Lux. Bei Straßenlaternen in Wohngebieten sind Werte von bis zu 50 Lux keine Seltenheit. Das entspricht umgerechnet dem 250-Fachen des Vollmondlichtes. Bei Hauptstraßen liegt der Helligkeitswert oft bei mehren zig Lux. Und Flutlichtanlagen großer Bundesligastadien erreichen mühelos mehr als 2000 Lux (d.h. mehr als 10.000 Vollmondhelligkeiten). Gemessen wird die Beleuchtungsstärke mit sogenannten Luxmetern. Mit solchen Geräten lässt sich dann ermitteln, wie „hell“ eine Straßenlaterne den unter ihr liegenden Bodenbereich macht.
Wie oben schon erwähnt, muss man nicht hinnehmen, dass eine Lichtquelle nach 22 Uhr mit mehr als 1 Lux Beleuchtungsstärke den Wohnraum erhellt (= Lichtbelästigung). Doch hier bewegt man sich bereits in einem Bereich, der an Luxmeter schon größere Anforderungen bezüglich der Messgenauigkeit stellt bzw. zumindest an seine Auflösung. Um derart kleine Beleuchtungsstärken von 0 bis zu ein paar wenigen Lux relativ genau und zugleich reproduzierbar messen zu können, braucht es Luxmeter, die in der Lage sind, bezogen auf einen kleinen Messbereich mit zwei Nachkommastellen Auflösung zu messen. So wird sichergestellt, dass man nicht nur beispielsweise 0,8 Lux ermittelt, sondern eben zum Beispiel 0,75 Lux oder 0,84 Lux (das gerundet jeweils 0,8 Lux ergibt). Für derartige Messungen (zum Beispiel in der Fensterrahmen-Ebene des Schlafzimmers) sollte der Mess-Sensor nicht direkt im Gerät verbaut, sondern mit einer Kabelverbindung vom Gerät abgekoppelt sein.
Der Markt bietet hier eine Unmenge an Geräten verschiedenster Hersteller an (z.B. Gossen, Sekonic, Testo, Kenko) von extrem günstig bis extrem teuer und teils auch mit Unmengen an Spezifikationen.
Bezogen auf das Preis-/Leistungsverhältnis und aufgrund unserer Erfahrung mit Beleuchtungsstärke-Messungen ist einer unserer Favoriten im Bereich Luxmeter das PeakTech P 5086 Lux-Meter, das am Markt für unter 200 Euro angeboten wird.
Mit diesem Gerät sind Messungen nach den LAI-Anforderungen möglich (d.h. 0,01 Lux Auflösungsvermögen). Es wird sogar ein Kalibrierzertifikat angeboten.
Will man zusätzlich auch Informationen über das Farbspektrum und/oder umfangreiche Messreihen speichern, die Blendung messen und soll das Gerät obendrein auch noch ein DaKS-beglaubigtes Zertifikat haben, so muss auf noch hochwertigere, professionellere Geräte ausgewichen werden. Zum Beispiel auf Geräte der Firma Gossen oder der Firma Konica Minolta.
So ermittelt man mit einem Luxmeter die Beleuchtungsstärke, die eine Laterne auf einer Straße oder einem Gehweg erzeugt:
So überprüft man (Stichwort: LAI), ob die Beleuchtungsstärke eines in einen Wohnraum leuchtenden Lichts über 1 Lux beträgt:
Was ist wichtig beim Messen der Beleuchtungsstärke?:
- Den Sensor bzw. die Sensorfläche bei der Helligkeits-Messung so ausrichten, dass diese stets parallel zu der Fläche ausgerichtet ist, deren Beleuchtungsstärke man ermitteln möchte.
- Will man die Belechtungsstärke im Bereich zwischen zwei Straßenlaternen ermitteln, so wird auch hier die Sensorfläche parallel zur beleuchteten Fläche (Straße/Weg) ausgerichtet. Die Lichtstrahlen fallen dann genau so schräg auf den Sensor wie auf die beleuchtete Fläche.
- Die messende Person sollte genug Abstand zum Sensor haben (als wäre sie gar nicht da). Hier hilft ein Selfie-(Teleskop-)Stick, auf dem der Messkopf mitsamt dem Sensor befestigt ist.
- Die messende Person sollte möglichst dunkel gekleidet sein, damit es von der Kleidung keine Zusatzreflektionen in Richtung Sensor gibt.
- Die messende Person sollte darauf acht geben, dass in den Sensor nur das Licht der betreffenden Lichtquelle fällt (kein fremdes Streu- oder reflektiertes Licht aus der Umgebung).
- Bei der Messung in der Ebene des Fensterrahmens das Fenster geöffnet haben (nicht durchs Fensterglas hindurch messen). Den Sensor am besten in die Mitte der Fensterrahmen-Ebene halten.
- Gerade bei dieser Kontroll-Messung (mit der Frage: sind es mehr als 1 Lux nach 22 Uhr?) ist allenfalls ein ungefährer Wert in Lux ermittelbar (ein grober Anhaltspunkt also), weil die Messung im kleinsten Messbereich des Messgerätes geschieht.
C. Wie kann man am besten die Aufhellung/Helligkeit des Nachthimmels messen und damit den „Grad“ der Lichtverschmutzung?
Die Qualität des Nachthimmels hängt von der Menge an künstlichem Licht ab, das vom Erdboden her in Richtung Atmosphäre abstrahlt und diese (durch Streu- und Reflektions-Effekte) aufhellt (Lichtglockenbildung). Je mehr (bläuliches und helles) Licht (direkt oder indirekt) nach oben abstrahlt und je mehr Partikel gleichzeitig in der Erdatmosphäre sind (Staub, Wasserdampf, Aerosole), desto intensiver ist der Nachthimmel gegenüber der natürlichen Nachthimmel-Helligkeit aufgehellt (die natürliche Helligkeit des Nachthimmels rührt vom Licht der Sterne, der Planeten und des sog. Airglow her).
Aus unserer langjährigen Erfahrung ist eine solche Messung am einfachsten und dabei bezüglich der Messergebnisse am zuverlässigsten mit dem Sky-Quality-Meter der Firma Unihedron möglich. Und zwar speziell mit denjenigen Geräten, die den Zusatz „L“ tragen. Das L steht für „Linse“. Mit einem solchen SQM-L Gerät hat nämlich die fast allerorts vorhandene Horizontaufhellung (Lichtglocken ferner Städte) weniger Einfluss auf das Messergebnis. Ebenso nahe Lichtquellen oder den Himmel verdeckende Bäume, die in der Nähe stehen. Die eingebaute Linse über dem Sensor hat einen deutliche schmäleren Messkegel gegenüber dem Standard-SQM-Gerät (das keine solche Linse eingebaut hat). Das SQM-L kostet rund 170 Euro.
Das Gerät (batteriebetrieben) sollte bei der Messung auf Außentemperatur-Niveau liegen (also vorher an der Außen-Umgebungsluft unbedingt ausreichend lange auskühlen lassen). Erfahrungsgemäß sind dann die Messergebnisse und vor allem die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse viel genauer. Nach dem Einschalten sollte man erst einmal 3-4 Leermessungen machen und diese verwerfen. Für die erste richtige Messung hält man das Gerät senkrecht nach oben in den Zenit und startet wiederum per Knopfdruck die Messung (akustisches Signal ertönt während der Messung). Am besten ermittelt man einen Mittelwert aus z.B. fünf Messungen. Die erste in Richtung Zenit, die anderen vier jeweils in jede Himmelsrichtung etwa ja 20 Grad vom Zenit entfernt.
Das Gerät gibt den Messwert in der Einheit „Magnituden pro Quadratbogensekunden“ an (mag/(arcsec)²). Das ist quasi ein Maß für die Helligkeitsdichte pro Raumwinkeleinheit (hier eben Quadratbogensekunde) bzw. die Flächenhelligkeit des Himmels ausgedrückt in Magnituden pro Quadratbogensekunden. Der Maximalwert, den man messen kann, liegt bei 22. Das liefert ein maximal natürlich dunkler Himmel. Je niedriger der Messwert, desto lichtverschmutzter ist der Himmel lokal über dem betreffenden Ort. Jede Magnitude weniger, entspricht umgerechnet einem 2,5-fach aufgehellten Himmel. Misst man statt 22 z.B. nur 17, dann ist dieser Himmel 100-fach (also 2,55) heller als der natürlich dunkle Nachthimmel.
Diese Geräte verfügen über kein Kalibrier-Zertifikat und die Serienstreuung liegt erfahrungsgemäß bei ca. +/- 0,1 Magnituden pro Quadratbogensekunden. Die nördliche Milchstraße, wenn sie in Zenitnähe steht, reduziert den Messwert um ca. 0,1 bis 0,15 Magnituden. Man sollte also in mondlosen Nächten bei Messungen bedenken, dass die Milchstraße den Nachthimmel merklich aufhellt.
Grob kann man sagen: alle Werte über 20 (maximal 22) stehen für einen guten bis sehr guten Nachthimmel mit wenig bis sehr wenig Lichtverschmutzung (bis zu 6000 Sterne sind mit bloßem Auge zu sehen; man sieht die Dunkel-Strukturen im Milchstraßenband). Unter 20 mag/(arcsec)² liegt ein (Klein-)Stadthimmel mit merklicher Lichtverschmutzung und unter 18 mag/(arcsec)² hat man es mit starker und unter 17 mag/(arcsec)² sogar mit extremer Lichtverschmutzung zu tun. In diesem Fall sind dann nur noch eine Handvoll der hellsten Sterne am Himmel zu erkennen (unter 17). Über großen Metropolen ist der Himmel mehr als 4000 Prozent heller (also 40-fach so hell) als der natürlich dunkle Nachthimmel.
Dieses Gerät gibt es noch in einer USB-Variante. Somit ist es nutzbar in Kombination mit dem Smartphone. Mit diesem Gerät können dann ganze Messreihen erstellt werden. Eine Batterrie ist bei der USB-Variante des SQM-L Gerätes nicht nötig, allerdings ein OTG Adapter/Kabel für die Verwendung am Smartphone oder Tablet. Via USB ist die Nutzung mit PC, Laptop, Raspberry Pi o.ä. möglich.
Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Rudi Seibt und Dipl.-Ing. (FH) Manuel Philipp
Stand: Januar 2022