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Lexikon der Geographie: Licht

Licht, kleiner, sichtbarer Bereich aus dem Spektrum der elektromagnetischen Wellen. Die Sonnenstrahlung liefert Strahlung (Wellen) von 290nm (UV) über den sichtbaren Bereich bis einschließlich des nahen Infrarot (ca. 3000 nm). Kurzwelligere Sonnenstrahlung wird durch Ozon und Luftsauerstoff in der oberen Atmosphäre absorbiert. Der sichtbare Bereich der eingestrahlten Sonnenenergie, der auch von Pflanzen zur Photosynthese genutzt wird (auch photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) genannt), liegt im spektralen Bereich von 380-720nm, wird allerdings häufig im Bereich von 400-700 nm gemessen. Er macht etwa 45-50% der eingestrahlten Sonnenenergie aus. Zu kürzeren Wellen hin findet man die ultraviolette Strahlung: UV-A 315-380nm und UV-B 280-315nm. UV-C entspricht der Strahlung mit Wellenlänge < 280nm. Noch kürzere Wellen des elektromagnetischen Spektrums sind die Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. An das Rotlicht anschließend folgt mit längeren Wellen die infrarote Strahlung mit dem nahen Infrarot (NIR 750-3000nm) und dem fernen Infrarot (FIR 3000-100000nm). Die Sonnenstrahlung liefert auf der Erdoberfläche allerdings nur Strahlung bis ca. 3000nm.
Die Lichtwellen werden durch ihre Wellenlänge λ in nm (10-9m) charakterisiert oder durch ihre Frequenz ν in Hertz (Hz), der Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Der Zusammenhang ist durch die folgende Formel gegeben:

ν=c/λ.
Hierbei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Vakuum (c= 2,997·108 m/s). Das Licht ist polychromatisch, es besteht aus mehreren Lichtfarben. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher ist die Frequenz und der Energieinhalt der Lichtquanten (Photonen). Der Energieinhalt (E) der Lichtquanten wird durch die folgende Gleichung wieder gegeben:

E=hν=h·c/λ.
Hierbei ist h das Planck'sche Wirkungsquantum, es entspricht 6,63·10-34 Ws2. Die kurzwelligen Photonen im violetten Bereich haben eine wesentliche höhere Energie als die langwelligen dunkelroten. Die Energie wird heute in kJ (früher kcal) pro 1 Mol Lichtquanten (Photonen) angegeben. Auch findet man die Angaben Wattsekunden (Ws), wobei 1J mit 1Ws identisch ist. Für den sichtbaren Bereich des Spektrums (ca. 400-750nm) gibt es für die einzelnen Lichtfarben die in der Abbildung 1 dargestellten Werte.
Die einfallende Lichtmenge, die relativ unspezifisch auch als Lichtintensität bezeichnet wird, wird in der Regel in Anzahl Photonen (mol oder μmol) pro Flächeneinheit (m2) und pro Zeiteinheit (Sekunde) angegeben. Man bezeichnet sie auch als Photonenflussdichte (PFD, englisch "photon flux density"). Sie wird häufig mit Bezug zur Licht absorbierenden grünen Vegetation als photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) für den Bereich 400nm-700nm angegeben. Die Lichteinstrahlung an sehr klaren Sonnentagen, bestehend aus direktem Sonnenlicht und diffuser, vorwiegend blauer Himmelsstrahlung, hat eine PPFD von ca. 2000-2300μmol m-2s-1. Volles Sonnenlicht ist aber für das Wachstum der Pflanzen nicht erforderlich, da die meisten Pflanzen eine Lichtsättigung der Photosynthese schon bei einer PPFD von 300 bis 700 μmol m-2s-1 aufweisen. An sonnigen Tagen sind Pflanzen daher einem Überschuss an Licht ausgesetzt, das zu Photoinhibition der Photosynthese und zur teilweisen Ausbleichung der Blattpigmente (Chlorophylle, Carotinoide) führen kann. Will man statt Lichtmenge den Energiegehalt des Lichtes oder der Sonnenstrahlung angeben, so erfolgt dies in Form der Bestrahlungsstärke, die in W/m2 gemessen wird.
Die Licht- und Strahlungsverteilung in Pflanzenbeständen wird durch die Dichte der Pflanzen und die sich gegenseitig beschattenden Blattschichten bestimmt. Hierbei kommt es zu einer Strahlungsabschwächung (Strahlungsattenuation), die von der Belaubungsdichte (Blattflächenindex) abhängt. Blätter in inneren schattigen Kronenbereichen von Bäumen erhalten häufig nur 10-20% der Sonnenstrahlung und Pflanzen am Waldboden nur 3-8%, wobei durch Lichtabsorption, Reflexion und Lichtstreuung die Farbe des Restlichtes verändert wird. Die Lichtmenge an einem Pflanzenstandort wird auch durch den Begriff relativer Lichtgenuss beschrieben.
Licht wird von den Blattpigmenten grüner Pflanzen besonders im blauen und roten Spektralbereich absorbiert, ein kleiner Teil wird an der Oberfläche reflektiert bzw. gestreut und ein anderer kleiner Teil wird transmittiert ( Abb. 2). Reflektiertes und transmittiertes Licht haben eine ähnliche spektrale Verteilung mit einem Maximum im Grünbereich, wodurch die Pflanzen für unser Auge grün erscheinen.
Dunkelgrüne Blätter absorbieren das einfallende Licht in wesentlich stärkerem Maße als hellgrüne Blätter. Das von Blättern absorbierte Licht wird zum größten Teil für die Photosynthese (photosynthetische Lichtquantennutzung) verwendet. Ein kleiner Teil der Anregungsenergie wird jedoch als Wärme abgestrahlt und ein anderer geringer Teil als rote und dunkelrote Chlorophyllfluoreszenz ( Abb. 3). Bei Störung der Photosynthese, z.B. durch klimatische und von Menschen verursachte Stressfaktoren, geht die photosynthetische Quantennutzung zurück und der Anteil an Chlorophyllfluoreszenz und Wärmeabstrahlung steigt. Sinkt stressbedingt der Chlorophyllgehalt der Blätter, nehmen auch Reflexion und Transmission zu. Außer der Rot- und Dunkelrotfluoreszenz des Chlorophylls zeigen Pflanzen auch eine Blaugrünfluoreszenz. Letztere stammt von den in den Zellwänden vorhandenen und kovalent gebundenen Zimtsäuren (vor allem Ferulasäure), die UV-A- und UV-B-Strahlung absorbieren und diese in langwelligere Blaugrünfluoreszenz (vorwiegend aus Epidermiszellen stammend) umwandeln. Auf diese Weise können viele Pflanzen die an sich schädigende UV-Strahlung "entgiften" und in photosynthetisch wirksame Strahlung umwandeln.
Das Leben auf der Erde wird durch den Energiestrom, der von der Sonne ausgestrahlt wird, angetrieben. Das sichtbare Licht wird durch die Photosynthese grüner Pflanzen in chemische Energie (gebunden in Zuckern, Proteinen und Fetten) umgewandelt, die als Nahrung und Energielieferant für die übrigen heterotrophen Organismen dienen. Licht und einzelne Lichtfarben steuern z.B. die Keimung und die morphologische Entwicklung der Pflanzen, lösen die Biosynthese von Pigmenten und anderen Pflanzenstoffen aus und kontrollieren über den Tag/Nachtwechsel als Zeitgeber die circadiane (tageszeitliche) Rhythmik vieler biologischer Prozesse. Licht steuert über die jahreszeitliche Rhythmik (Langtag/Kurztag) z.B. die Blütenbildung, Entwicklungsprozesse und die Seneszenz (u.a. herbstlicher Blattfall). Zu starke Lichteinstrahlung kann aber auch eine Belastung darstellen, die beim Menschen zu Sonnenbrand und bei Pflanzen zur Photoinhibition der Photosynthese, zur Ausbleichung der Blattpigmente und zur Akkumulation löslicher Flavonole und Zimtsäuren besonders in den Epidermiszellen führt. Außer den photosynthetischen Blattpigmenten (Chlorophylle und Carotinoide) haben Pflanzen in wesentlich geringerer Konzentration weitere Pigmente, die spezielle Lichtfarben absorbieren und photobiologische Prozesse steuern. So induziert und kontrolliert das Hellrot-Dunkelrot-reversible Phytochromsystem in seiner durch Hellrot (660nm) ausgelösten aktiven Form viele Syntheseleistungen und Wachstumsreaktionen der Pflanzen, man spricht von Photomorphogenese. Die auf die Pflanzen einfallende Lichtmenge wird über den Blaulichtakzeptor, das Cryptochrom, gemessen. Dieser induziert nicht nur die Lichtadaptationen (Lichtpflanzen) von Blättern und Chloroplasten sondern auch das Wachstum der Pflanze hin zum Licht (phototrope Reaktion). Bei all diesen photobiologischen und photosynthetischen Prozessen kommt es, wie auch bei reinen photochemischen Reaktionen, nur auf die Anzahl der absorbierten Lichtquanten an, nicht aber auf deren Energieinhalt.

HLi


Licht 1: Licht 1: Werte der Wellenlänge, der Frequenz und der Energie für die einzelnen Lichtfarben.

Licht 2: Licht 2: Relativer Anteil und spektrale Verteilung von Absorption, Reflexion und Transmission eines grünen Blattes.

Licht 3: Licht 3: Energiefluss von UV-Strahlung, sichtbarer Bereich (VIS) und Infrarotbereich (IR) der Sonneneinstrahlung durch ein grünes Blatt. Neben photosynthetischer Lichtquantennutzung wird ein Teil der absorbierten Strahlung als Fluoreszenz und Wärme abgestrahlt.

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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
Ulrike Lohoff-Erlenbach
Stephan Meyer

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