Begriffsdefinition: Lumen, Lux, Candela, etc.

Lichtstärke, Lumen, Lux, Candela

Jeder kennt es aber kaum einer weiß auch nur ansatzweise, was es ist. Es geht um Licht, das große Geheimnis. Albert Einstein lüftete es zum Teil, wurde darum Professor und erhielt später wegen der Entdeckung des photoelektrischen Effekts den Nobelpreis.

Gut, das sind recht komplexe physikalische Betrachtungen, die sich mit der Natur des Lichtes beschäftigen. Hier werden in Folge nur die Teile der Theorie beleuchtet, die dazu beitragen, die unterschiedlichen Maßeinheiten des Lichts zu verstehen. Außerdem werden einige für die Physik wichtige Einheiten ausgelassen, weil diese für den Züchter nicht von Interesse sind.

Grundlagen

Das für uns Menschen wahrnehmbare Licht stammt aus einem kleinen Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Nur die Wellenlängen, die zwischen 380 und 780 Nanometer lang sind, sind für uns sichtbar. Über diesem Band liegt infrarotes Licht, darunter Ultraviolettes. Die Kombination aller Wellenlängen erscheint uns als weißes Licht. Die »Menge« dieses Lichts wird meist in Lumen (Lichtstrom) oder in Lux (Beleuchtungsstärke) angegeben. Im nächsten Kapitel wird näher darauf eingegangen werden.

Gegenstände, die von weißem Licht beleuchtet sind, erscheinen uns in der Farbe, die von diesen reflektiert wird. Darum sehen wir Pflanzenblätter in der Regel in einem Grünton, weil alle anderen Bestandteile des Lichts von dem Blatt absorbiert werden.

Diese Tatsache ist bemerkenswert und für den Züchter von enormer Tragweite. Sobald er nämlich seine Pflanzen mit Kunstlicht beleuchtet, wird es sich Gedanken darüber machen müssen, mit welchem Licht er diese bestrahlt. Nimmt er eine Leuchte, die sonnenähnliches Licht emittiert, werden die Pflanzen dieses Licht nur zu einem kleinen Teil verarbeiten können. Eine ideale Pflanzlampe hat also ein Licht, das zu einem möglichst großen Anteil aus den Spektren besteht, die auch zur Photosynthese verwendet werden können.

Diese Überlegung führt zu der photosynthetisch aktiven Strahlung, die mit PAR abgekürzt wird. Das ist keine Einheit, sondern die Bezeichnung für ein Spektrum, das von Pflanzen verwertet werden kann. Dabei ist eine weitere Eigenschaft des Lichts von Interesse. Licht hat neben Wellencharakter auch Teilchencharakter und darum wird diese Strahlung meist in µmol/s für den Photonenfluss bzw. µmol/(s·m²) für die Photonenstromdichte angegeben.

Schon kompliziert genug, nicht wahr? Leider wird es noch ein wenig schwieriger. Weil jede Pflanze ein anderes Spektrum bevorzugt, mussten sich die Wissenschaftler etwas einfallen lassen. Sie haben darum Spektren entwickelt, die die Bedürfnisse der meisten Pflanzen abbilden. Eines davon wurde in dem Normblatt 5031-10 der deutschen Industrienorm festgehalten und wird als Grundlage für Messungen herangezogen. Ein anderes PAR-Spektrum, speziell für Nutzpflanzen, wurde bereits 1972 von Keith J. McCree entwickelt. Auch der Japaner Katsumi Inada trug ein solches Spektrum bei, dieses wurde später von Shinji Tazawa mit dem von McCree zusammengeführt.

Lange Rede, kurzer Sinn: Es macht keinen Sinn, bei der Auswahl der Beleuchtung auf allgemeine Datenblätter oder Normen zurückgreifen zu wollen. Selbst in DIN 5031-10 wird zugegeben, dass das Spektrum nicht für alle Pflanzen allgemeingültig verwendet werden kann. Darum muss der Züchter, wenn vorwiegend eine bestimmte Pflanzenfamilie kultiviert werden soll, die Beleuchtung dem PAR-Spektrum dieser Familie anpassen.

Oft verwendete Einheiten

Beginnen wir mit der ersten für das Licht verwendeten Einheit, die Candela. Das Wort stammt aus dem lateinischen und bedeutet schlicht und ergreifend »Kerze«. Und tatsächlich hat eine gewöhnliche Haushaltskerze die Lichtstärke einer Candela. Früher wurde sogar die Helligkeit von Glühlampen in Candela angegeben. Eine »hundertkerzige« Leuchte war eben hundert Mal so stark wie eine Kerze und entsprach einer Glühlampe mit rund 20 Watt Leistungsaufnahme.

Heute wird das Licht nur selten in dieser Einheit angegeben, aber weiterhin ist die Candela eine Basiseinheit. Besser zu handhaben sind die Einheiten des Lichtstroms in Lumen und der Beleuchtungsstärke in Lux. Für beide Einheiten wird dabei das für das menschliche Auge sichtbare Licht zu Grunde gelegt, nicht die tatsächliche Strahlungsenergie. So hat eine Lampe, die im gelben Bereich strahlt, trotz der gleichen Energieaufnahme höhere Werte als eine, die im roten oder blauen Bereich strahlt. Das liegt daran, dass wir Menschen gelb-grüne Spektren besser wahrnehmen, als die benachbarten roten bzw. blauen Spektren.

Der aufmerksame Leser merkt spätestens hier, dass eine Angabe in Lumen bzw. Lux für die Bewertung einer Pflanzleuchte irrelevant und irreführend ist. Pflanzen benötigen ja zur Hauptsache Licht im roten und blauen Bereich, das nicht verwendete grün-gelbe Licht wird reflektiert. Zwar gibt es einen Zusammenhang zwischen den Werten, der bei manchen Bauarten gut angenähert werden kann. Doch für die von Pflanzen verwertbare Strahlung ist diese Angabe bei Speziallampen meist sinnlos.

Wer also wissen möchte, welches Licht von seinen Pflanzen gut verwertet werden kann, ist gut beraten, sich nicht auf die Angaben in Lumen oder Lux zu verlassen. Die Angaben in µmol/s bzw. µmol/(s·m²) sind relevanter und ebenso gut zu vergleichen. Einen Weg zur Umrechnung ist weiter unten aufgeführt.

Übrigens gilt sowohl bei Lumen und Lux als auch bei µmol/s und µmol/(s·m²) der gleiche Zusammenhang. Ein Lumen, auf einem Quadratmeter Fläche, entspricht einem Lux. Ein Lux ist also ein Lumen pro Quadratmeter. So ist es möglich, die Einheiten so zu umzurechnen, dass sie miteinander verglichen werden können.

Beispiel

Ein Hersteller gibt an, dass seine Leuchte einen Photonenfluss von 200 µmol/s emittiert. Er empfiehlt, mit dieser Leuchte eine Fläche von einem halben Quadratmeter zu bestrahlen. Damit wäre eine Photonenstromdichte von 400 µmol/(s·m²) gegeben.

Umrechnungen

In Folge einige Umrechnungen von oft verwendeten Einheiten. Bis auf die Werte von Lumen und Lux sind stets die Werte der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) gemeint.

Lumen zu µmol/s (Näherungswerte)

  • LED-Pflanzlampe – Lumen / 30
  • Sonnenlicht – Lumen / 55
  • Kaltweiße Leuchtstoffröhren – Lumen / 75
  • Natriumdampf-Hochdrucklampen – Lumen / 80
  • Halogen-Metalldampflampen – Lumen / 70
  • Keramik- und andere Metalldampflampen – Lumen / 65

µmol/s zu Lumen (Näherungswerte)

  • LED-Pflanzlampe – µmol/s * 30
  • Sonnenlicht – µmol/s * 55
  • Kaltweiße Leuchtstoffröhren – µmol/s * 75
  • Natriumdampf-Hochdrucklampen – µmol/s * 80
  • Halogen-Metalldampflampen – µmol/s * 70
  • Keramik- und andere Metalldampflampen – µmol/s * 65

Beispiel

Ein Hersteller von Pflanzleuchten gibt die Leistung einer seiner LED-Speziallampen mit 200 µmol/s an. Ein Konkurrent hat eine Metalldampflampe im Angebot, die 12.500 Lumen emittiert. Welche Lampe ist für die Pflanze die Bessere? (Die Werte wurden den aktuellen Leistungsbeschreibungen div. Anbieter entnommen.)

12.500 Lumen / 65 = 192,31 µmol/s

Natürlich ist das nur ein Schätzwert, der gut und gerne um 10% von dem tatsächlichen Wert abweichen kann. Aber werden zusätzlich die Leistungsaufnahmen der Leuchten betrachtet, wird die Entscheidung einfacher.

Leistungsaufnahme LED-Speziallampe – 120 Watt

Leistungsaufnahme Metalldampflampe – 250 Watt

Kurzum wird die Metalldampflampe bei leicht geringerer Leistung mehr als doppelt so viel Energie verbrauchen und zudem eine deutlich kürzere Betriebsdauer haben.

W/m² zu µmol/(s·m²)

  • 1 W/m² = 4,6 µmol/(s·m²)

µmol/(s·m²) zu W/m²

  • 1 µmol/(s·m²) = 0,22 W/m²

Andere Einheiten, die durchaus gängig sind, werden hier nicht erwähnt. Sie sind für den Physiker von Interesse, nicht aber für den Grower, der seine Pflanzen optimal aufziehen möchte.