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Übersetzung eines Artikels aus der Zeitschrift Sky & Telescope, November 96, Seite 44 ff., von Arthur R. Upgren. Originaltitel: Dissecting Light Pollution. Übersetzung: Stefan Meister.
Jeder Astronom kennt den künstlichen „Skyglow“, welcher als diffuser Schimmer über bewohnten Gebieten hängt und die Sicht zum Universum mehr oder weniger trübt. Während den letzten fünfzig Jahren hat sich die Lichtverschmutzung von den Grossstädten zu einem grossen Problem für Astronomen fast überall in der Welt ausgebreitet. Dennoch sind einige Aspekte der Lichtverschmutzung vielen Amateurastronomen nicht bekannt. Wissen ist Macht – deshalb im folgenden ein paar Facts wie das Problem verhindert oder zumindest effizient angegangen werden kann.
Abb. 1: Sterne konkurrieren mit den Lichter der Stadt. Diese Bildmontage von der Internationalen Dark-Sky Association ist eigentlich noch harmlos. Wenn das Licht von Lampen direkt blendet, können kaum mehr Sterne am Himmel gesehen werden.
Blendende Lampen oder Skyglow
Das ärgerlichste und unsinnigste Fremdlicht ist jenes, das von einer hellen Lampe direkt in die Augen strahlt. Solche blendenden Lampen kommen von schlecht gebauten oder falsch montierten Beleuchtungskörpern. Diese machen wahrscheinlich den grössten Teil aller derzeitigen Beleuchtungen aus. Wenn solch störendes Licht die Eigentumsgrenzen überschreitet und Verärgerung bei dem entsprechenden Bewohnern verursacht, nennen es die Amerikaner einen sogenannten „light trespass“, also unberechtigtes „Betreten“ des Grundstückes von Fremdlicht. Dabei ist die Blenderei oft am einfachsten zu beheben: Durch Aufstellen des Teleskopes an einem schattigen Ort, Aufspannen einer Plane, um das Teleskop abzuschirmen oder durch Gespräche mit den Nachbarn oder den Behörden mit der Absicht den Störefried durch ein neueres, besser konstruiertes Modell auszutauschen.
Abb. 2: Skyglow kann um drei Viertel reduziert werden: Durch die Umrüstung zu voll abgeschirmten Lampen. Links: Eine typische unabgeschirmte Lampe kann 35% ihres Lichts nach oben verschwenden. Vom nach unten gelenkten Licht wird etwa 15% (was etwa 10% der Gesamtenergie entspricht) vom Boden wieder zurückreflektiert. Das Ergebnis: 45% der abgegebenen Lichtmenge der Lampe verliert sich im Nachthimmel. Rechts: Eine voll abgeschirmte Lampe erreicht die selbe Beleuchtung mit einer Birne die nur 65% so hell leuchtet. Einzig das Licht welches den Boden erreicht kann so in den Himmel abstrahlen.
Skyglow ist eigentlich das, was wir landläufig unter der Bezeichnung „Lichtverschmutzung“ verstehen. Selbst in den abgelegensten Gegenden weist der Himmel eine gewisse minimale Grundhelligkeit auf. Diese natürliche Komponente des Skyglows hat vier Ursachen: feines Himmelsleuchten in der oberen Atmosphäre (eine permanente, schwache Aurora), Sonnenlicht reflektiert durch interplanetarischen Staub (Zodiakallicht), durch die Atmosphäre gestreutes Sternenlicht und Hintergrundlicht von weit entfernten unaufgelösten Sternen oder Nebelgebieten. Das Himmelsleuchten ist jeweils um das Maximum des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus am ausgeprägtesten; die anderen Quellen varieren mit der Nachtstunde und den Jahreszeiten, ihr Gesamteinfluss ist aber recht gut bekannt.
Ein typischer vorstädtischer Himmel ist heute etwa fünf- bis zehnmal heller im Zenit als der natürliche Himmel. In Stadtzentren kann der Zenit sogar 25 bis 50 mal heller als der natürliche Hintergrund werden.
Zauberwort: Abschirmen
Rundum voll abgeschirmte Beleuchtungskörper sind das entscheidende Mittel gegen blendende Birnen und Skyglow schlechthin. Eine Lampe sollte alles Licht dorthin werfen, wo es auch benötigt wird, nämlich nach unten. „Voll abgeschirmt“ heisst hier, dass keine Lichtstrahlen von der Beleuchtung über den Horizont abgestrahlt werden dürfen und mindestens 90% des Lichtes von einem seitlich begrenzten Bereich von je 0-20 Grad unterhalb der Horizontebene abgeblockt ist.
Abb. 3: Zwei Standorte, die um wenige Kilometer voneinander getrennt sind, können bereits einen sehr unterschiedlichen Himmel zeigen. Diese beiden identischen Aufnahmen vom Sternbild Leier wurden vom Van Vleck Observatorium auf dem Wesleyan Campus (links) und wenige Kilometer entfernt beim Autor zuhause (rechts) aufgenommen. Die Himmelshelligkeit variiert hier etwa um den Faktor 4.
Licht das horizontal wegleuchtet trägt nichts zum eigentlichen Zweck des Beleuchtungskörpers bei. Es ist bloss ein blendendes Ärgernis naher Passanten und wird so unnötig verschwendet. Natürlich ist auch direkt nach oben gerichtetes Licht völlig unnütz. Der zum Teil gewaltige Verlust senkrecht abstrahlender Lichtquellen wird jedoch geduldet weil das Licht, und damit die Verschwendung kaum erkannt wird. Leute welche Beleuchtungskörper installieren, prüfen schliesslich nicht, wie das Objekt in der Nacht aus der Luft aussieht. Die so vergeudeten Stromkosten werden alleine in den USA auf jährlich 1-2 Milliarden Dollar geschätzt.
Abb. 4: Schlechte und gute „Sicherheitsbeleuchtung“. Links: Können Sie den Einbrecher sehen? Die unabgeschirmten Lampen blenden die Augen genauso wie die Kamera, was schlussendlich dunkle Schatten, schlechte Sicht wie auch Lichtverschmutzung des Himmels bedeutet. Rechts: Könnten Sie den Einbrecher hier sehen? Gute Beleuchtung zeigt einen erhellten Boden anstatt grell blendende Leuchten. Eine Faustregel unter Beleuchtungstechnikern besagt, dass sobald Sie die eigentliche Birne leuchten sehen, die Ausleuchtung schlecht ist. übrigens: Die Lampe rechts benötigt 175 Watt, die beiden auf der rechten Seite total nur 28 Watt! Die Bilder wurden freundlicherweise von der IDA zur Verfügung gestellt.
Nur keine seitlichen Strahlen
Horizontnah abstrahlendes Licht ist besonders schädlich. Ein gerade nach oben abstrahlender Beam ist gewöhnlich weniger schlimm, da er schell in den Weltraum austritt und dabei nur eine Luftmasse oder Atmosphärenschicht passiert. Ein Strahl welcher 10 Grad über den Horizont zielt, durchquert hingegen bereits 5.6 mal soviel an Atmosphäre – also 5.6 Luftmassen – und „verschmutzt“ viel den grösseren Himmel. Ein Strahl welcher den Horizont nur knapp überfliegt verschmutzt bis zu zehn Luftmassen, obschon bei den letzten paar Schichten nicht mehr viel Licht übrig sein dürfte.
Die Situation ist vergleichbar mit atmosphärischer Extinktion (Abschwächung) von Sternenlicht welches aus der Gegenrichtung eintrifft. Wenn ein Lichtstrahl aus der Meereshöhe durch klare Luft gerade nach oben schiesst, wird nur 20% bis 30% von ihm absorbiert oder in der Atmosphäre verteilt. Der restliche Teil verschwindet im Weltraum. Tritt der selbe Lichtstrahl hingegen 5 Grad über Horizont aus, liegt der Absorptionsanteil bereits bei 90%. Auf diese Weise beträgt die Lichtverschmutzung drei bis viermal soviel wenn die betroffenen Luftmassen über ein Gebiet von mehreren Kilometern aufgerechnet werden (dies ist jedenfalls bei klarer Luft der Fall. Aerosolpartikel können das Bild zusätzlich komplizierter machen).
Dazu kommt die Tatsache, dass die meisten Lampen mit einer Abschirmung für höhere Winkel versehen sind und dann wird auch klar, dass der Kampf gegen die Lichtverschmutzung im schmalen „Schlachtfeld“ knapp über dem Horizont entschieden wird. Dies trifft zumindest für Orte weit entfernt von den grossen Flutlichtern zu – die halbländlichen Gegenden – welche hier die schlimmsten Veränderungen während den letzten 20 Jahren erleiden mussten. Direkt in einer Stadt ist die Abstrahlung in höheren Winkeln (und deren Reflexionen vom Boden) das Hauptproblem.
Skyglow oft ein lokales Problem?
Häufig kann man mehr Sterne 20 km von einer Stadt entfernt erkennen, als 500 m vor einem hell erleuchteten Shopping-Center auf dem Lande. An zwei Orten in Middletown im US-Bundesstaat Connecticut machte der Autor umfassende Messungen der Himmelshelligkeit im Zenit: Beim Van Vleck Observatorium auf dem Wesleyan Campus, einem Universitätsgelände, sowie drei Kilometer entfernt bei ihm zu Hause in einem bewaldeten Vorort. Der Campus hatte bis heute einen über 20 mal helleren Nachhimmel als der natürliche Himmelshintergrund. Der Himmel über seinem Haus ist aber nur vier bis fünf mal heller als dieses Grundniveau. Der Unterschied den diese drei Kilometer ausmachen ist bemerkenswert – von einer fast unsichtbaren Milchstrasse bis hin zur Sichtung der Sagittarius- und Scutum-Sternwolken in guten Nächten.
Im Jahre 1994 stimmte die Universität zu, dass die meisten Fussgänger-Beleuchtungen um die Sternwarte herum durch sauber abgeschirmte Lampen ersetzt wurden. Die Himmelshelligkeit im Zenit fiel dadurch fast um die Hälfte – eine dramatische Verbesserung von 0.6 oder 0.7 Magnituden. Solche Beobachtungen zeigen die Wichtigkeit des Umgangs mit der lokalen Beleuchtung. Man braucht also nicht erst eine ganze Stadt umzurüsten um erste Ergebnisse zu sehen. Hartford, Connecticut, eine Metropole mit einer Million Einwohnern ist nur 20 Kilometer nördlich des Wesleyan Campus gelegen. Die Lichter der Stadt drängen sich nur wenig auf, jene von New York City, etwa 120 Kilometer südwestlich stören überhaupt nicht mehr.
Ein anderes Beispiel wird aus der Lichtverschmutzungskarte der Umgebung Washington, D.C. deutlich (siehe auch Sky & Telescope, Juni 1996, S. 82). Klubmitglieder fanden erstaunliche Löcher mit relativ dunklem Himmel in Regionen, welche auf Nachtaufnahmen von Raumfähren vor lauter Licht völlig überstrahlt wurden.
Die Farbe des Taghimmels als Mass der Dinge
Speziell in der Nähe des Horizonts gilt: Je blauer der Himmel, desto dunkler wird die Nacht wahrscheinlich sein. Das Weiss des Taghimmels wird durch Streuung von Sonnenlicht an kleinen Partikeln verursacht. Genau gleichgut arbeiten diese Partikel natürlich auch in der Nacht wenn sie künstliches Licht streuen. Ein tief blauer Himmel am Nachmittag bedeutet daher ein transparenter Nachthimmel.
Trockene Luft ist ebenfalls ein gutes Zeichen. Selbst wenn die obere Atmosphäre ziemlich frei von Dunst ist, hohe Luftfeuchtigkeit kann dafür verantwortlich gemacht werden, wenn Dunst oder Nebel in tiefere Lagen absteigen. Daher aufgepasst auf Prognosen mit geringer Luftfeuchte.
Die Sache mit der Luftverschmutzung
Der weissliche Dunst an einem blauen Himmel enthält mikroskopisch kleine Wassertröpfchen welche an kleinen festen Partikeln kondensierten, dieser besteht vor allem Sulfat-Emissionen von entlegenen Fabriken und Kraftwerken. Solche Partikel sind die Verursacher des sauren Regens. Der Schwefelausstoss erreichte 1970 in den USA einen Höhepunkt und konnte seither um 30 Prozent reduziert werden. Ob diese Reduktion nun weitergeht oder umkehrt ist momentan noch offen. Aber der Luftreinhaltebeschluss von 1970 bedeutete jedenfalls dunklere Himmel in den 90er Jahren als wir andererseits gehabt hätten.
Eine starke Kaltfront welche über eine Stadt fegt kann die lokale Verschmutzung reinigen und den Nachthimmel wunderschön dunkel zeigen. Die windigsten Nächte in Städten sind oft die dunkelsten. Ein durchziehendes Gewitter oder ein Schneesturm können ebenfalls eine ungewöhnlich dunkle Nacht zur Folge haben.
Wenn in einem Gesuch Argumente gegen die Lichtverschmutzung angeführt werden sollen, so erreichen Schlagworte wie Kostenreduktion, Energie und Beleuchtungsästetik wesentlich mehr als astronomomische Standpunkte alleine. Zum Himmel hochgestrahltes Licht verschwendet Energie. Es trägt zu den schädlichen Emissionen von Kraftwerken und all anderen Problemen der Energieverschwendung bei. Es verursacht die uns bekannte lästige, grell erleuchtete nächtliche Umgebung. Dies sind Punkte welche die Bevölkerung und Behörden interessieren dürfte.
Voll abgeschirmte Leuchten welche den Grund effizienter und mit geringerer Leistung ausleuchten können derart viel Energie sparen, dass sich die Kosten der Umrüstung bereits in drei Jahren amortisiert haben. Danach wirkt sich der Gewinn direkt in barer Münze aus. Die Stadt San Diego spart beispielsweise auf diese Art ca. drei Millionen Dollar jährlich ein.
Solche gut abgeschirmte Leuchten sind nicht nur angenehmer anzusehen. Die Sicht in der Nacht wird verbessert, so dass beispielsweise Autofahrer Fussgänger und Gegenstände besser wahrnehmen können und nicht durch Lampen geblendet und abgelenkt werden. Viele solcher voll abgeschirmter Lampen sind bereits in diversen Ausführungen erhältlich. Die besten basieren auf einer Reflektionsfläche oberhalb der Birne und brechen das Licht nicht an einer tieferliegenden Plastikabdeckung. Dadurch blendet die Lampe nicht nur weniger, sie zeichnet sich auch durch gleichmässigere und gezielte Ausleuchtung aus. Wenn Leute erst einmal sehen wie gut konstruierte Beleuchtungskörper in der Nacht strahlen, möchten sie diese auch in ihrer Umgebung einsetzen.
Durch eine Reduktion der Lichtverschmutzung gewinnen tatsächlich alle. Dieser grundsätzliche Durchbruch wurde von David Crawford, Kitt Peak National Observatory, und seinem Amateur-Kollegen Tim Hunter eingeleitet, in dem sie 1988 die International Dark-Sky Association (IDA) ins Leben ruften. Die erfolgreichen Bemühungen Kitt Peak’s gegen die Lichtverschmutzung der Aglomeration Tuscons (US-Staat Arizona) überzeugten Crawford und Hunter, dass Astronomen die gemeinsamen Interessen mit der Bevölkerung aufgreifen sollten. Zuvor haben die meisten Astronomen geglaubt, dass „gute Beleuchtung“ genau das sei was sie nicht wollten und führten einen hoffnungslosen Kampf gegen den Rest der Welt. Ziel der Bestrebungen heute ist daher nicht mehr möglichst viele Lampen radikal abzuschalten sondern vielmehr die Beleuchtung effizient und möglichst ohne Verlust dorthin zu lenken wo sie tatsächlich gebraucht wird. Damit ist schlussendlich allen gedient.
Die IDA verfasste unzählige nützliche Fact Sheets und Lehrmaterial zu diesem Thema. Unter anderem stellt sie Quellen für gute Beleuchtungskörper bereit, berät die Beleuchtungsindustrie und arbeitete für nationale und regionale Lichtverschmutzungskontrollprogramme. Sie wird derzeit von etwa 1’850 beitragszahlenden Mitgliedern in den USA unterstützt und ist im Internet unter http://www.darksky.org/ida/ erreichbar.
Arthur R. Upgren ist Astronom an den Wesleyan und Yale Universitäten und Gründungsmitglied der IDA. Seit langer Zeit untersucht er die Helligkeit des Nachthimmels.
Stefan Meister ist Mitglied von Dark-Sky Switzerland (DSS). DSS ist eine Fachgruppe der Schweizerischen Astronomischen Gesellschaft welche sich der Thematik Lichtverschmutzung widmet.
Anmerkung der Redaktion:
Dark-Sky Switzerland ist seit 2000 ein eigenständiger Verein. Wir entschuldigen uns für die damalige Bildqualität. Leider waren im digitalen Archiv nicht alle Originalgrössen vorhanden.