Technik

Wenn wir uns mit der Beleuchtung unserer Aquarien und Terrarien befassen, begegnet uns stets der Begriff der Farbtemperatur.

Diesen Begriff wollen wir einmal näher unter die Lupe nehmen. Dazu müssen wir weit in der Vergangenheit ansetzen.

Die Begriffe heiß und kalt müssen so alt wie die Menschheit selbst sein. Ob ein Gegenstand heiß oder kalt ist, können wir leicht selbst feststellen: Wir brauchen nur die Hand in seine Nähe zu halten (eine Berührung ist nicht immer notwendig).

 

Ebenso können wir feststellen, ob ein Gegenstand viel wärmer als ein anderer ist.

 

Allerdings helfen uns solche subjektiven Empfindungen bei kleinen Temperaturunterschieden nicht weiter. Sie sind nicht verlässlich. Was man zur Messung der Temperatur also braucht, ist ein physikalisches Phänomen, das sich regelmäßig und messbar mit der Temperatur ändert.

Der erste Mensch, der nach einem solchen Phänomen suchte, war Galileo Galilei (1564-1642): Er erwärmte 1592 eine leere Glaskugel, in die ein langes Rohr mündete. Dann führte er das offene Ende des Rohres in einen Behälter mit Wasser ein. Als die warme Luft in der Kugel abkühlte, zog sie sich zusammen, und das Wasser wurde ein Stück weit in das Rohr hinaufgesogen. Mit jedem Temperaturwechsel dehnte sich die Luft in der Kugel aus oder zog sich zusammen, und entsprechend fiel oder stieg das Wasser im Rohr. Der Wasserstand lieferte also einen Hinweis auf die Lufttemperatur. Diese Vorrichtung war freilich sehr ungenau. Trotzdem war es das erste Thermometer (das Wort stammt von einem griechischen Ausdruck für »Hitze messen«).

Der französische Physiker Guilleaume Amontons (1663-1705) ersann ein neues Luftthermometer. Im Gegensatz zu Galilei benutzte er zur Messung der Temperatur nicht mehr das Volumen, sondern den Luftdruck als Anzeiger. Mit Hilfe seines Thermometers wies Amontons nach, dass eine bestimmte Flüssigkeit wie etwa Wasser stets bei derselben Temperatur siedete. Dadurch war es möglich, den Siedepunkt des Wassers als Standardbezugspunkt zu wählen.

Die Thermometer Galileis und Amontons waren offen und deshalb auf die eine oder andere Weise vom Luftdruck beeinflusst, was ihre Genauigkeit beeinträchtigte. Das erste oben und unten geschlossene Thermometer wurde von Ferdinand de Medici, dem Großherzog der Toscana (1610-1670), im Jahre 1654 erfunden. Der deutsche Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) arbeitete zuerst mit Alkoholthermometern, aber im Jahre 1714 gelang ihm mit Quecksilber der entscheidende Durchbruch. Fahrenheit gelang noch ein Fortschritt: Er notierte die Höhe der Quecksilbersäule in einer Kältemischung aus Eis, Wasser und Salmiak und nannte sie 0 Grad (die niedrigste Temperatur, die er erzeugen konnte). Die Temperatur des Eispunktes legte er auf 32 Grad fest, folglich lag der Dampfpunkt bei 212 Grad. Fertig war die Fahrenheit-Skala, die heute noch in den USA zum Messen der Temperatur verwendet wird. Fahrenheits Thermometer war das erste, das für wissenschaftliche Zwecke präzise genug war.

Fast 30 Jahre lang war die Fahrenheit-Skala allgemein zur Messung von Temperaturen benutzt worden. Sie wies allerdings einige Nachteile auf. Der Gefrierpunkt des Wassers z.B. lag bei 32 Grad, einer seltsam unrunden Zahl.

Sowohl in der Wissenschaft als auch im Alltag der Menschen spielt es eine große Rolle, ob Wasser flüssig oder fest ist, ob ein Teich zugefroren ist oder nicht, ob es regnet oder schneit. Deshalb schlug der schwedische Astronom Anders Celsius vor, den Gefrierpunkt des Wassers mit 0 Grad zu bezeichnen. Positive Werte auf der Skala bedeuteten dann Wasser und negative Werte Eis. Den Siedepunkt des Wassers bezeichnete Celsius mit 100 Grad statt mit 212 Grad. Seit 1948 heißt diese Skala aufgrund einer internationalen Vereinbarung Celsius-Skala. Sie gilt auf der ganzen Welt mit einer wichtigen Ausnahme: den USA.

Amontons hatte sich mit der stetigen Abnahme des Gasvolumens bei sinkender Temperatur befasst. Seine Ergebnisse führten zu der Vermutung, dass es möglicherweise einen absoluten Nullpunkt der Temperatur gab, bei dem das Gasvolumen gleich null war. Der britische Physiker William Thomson, der spätere Lord Kelvin of Largs (1824-1907), fand heraus, dass nicht die Abnahme des Volumens entscheidend war, sondern der Energieverlust. Die Höhe des Energieverlustes deutete darauf hin, dass der absolute Nullpunkt bei –273 °C lag. Heute weiß man, dass er genau bei -273,15 °C liegt. Kelvin schlug vor, eine neue absolute Temperaturskala einzuführen, die am absoluten Nullpunkt beginnt und keine Minustemperaturen enthält. Jedes Grad auf dieser Skala entspräche einem Grad Celsius. Der Gefrierpunkt von Wasser läge somit bei 273,15 °A (das A stand für "absolut"). Später machte man daraus K, also Kelvin. Übrigens verwendet man bei der Kelvin-Skala nicht den Begriff Grad, sondern spricht nur von Kelvin (K und nicht °K).

Die Physik bemächtigte sich dann dieser absoluten Temperaturskala und verwendet sie auch für die Farbtemperatur. Ein so genannter »schwarzer Körper« wird erhitzt, bis er Licht einer bestimmten Farbqualität abstrahlt. Die Temperatur, die er in diesem Augenblick hat, wird gemessen und das ist dann die Farbtemperatur. Je höher die Temperaturen dieses Körpers liegen, desto kälter (weißer) wird die abgestrahlte Lichtfarbe. Tageslicht ist z.B. leicht bläulich. Damit der schwarze Körper ein entsprechend gefärbtes Licht abstrahlt, muss man ihn auf ca. 5600 K erhitzen. Also ist die Farbtemperatur von Tageslicht 5600 K. Glühlampenlicht ist deutlich "wärmer", denn es enthält viel mehr Rot als Tageslicht. Der schwarze Körper aber strahlt ein vergleichbares Licht schon bei wesentlich geringerer Temperatur ab. Daher kommt es, dass die Farbtemperatur von Glühlampen bei ca. 2800 K liegt. Kurioserweise entspricht "warmes" Licht einer niedrigen Farbtemperatur und umgekehrt.

Farbtemperaturen der Lichtarten

Morgenlicht 4400 K

Tageslicht, zwei Stunden vor oder nach
dem Höchststand der Sonne 5500-5600 K

Mittagssonnenlicht, blauer Himmel, weiße Wolken 6000 K

Sonnenlicht, klarer, blauer Himmel 6000-6500 K

Licht bei völlig bedecktem Himmel 6700-7000 K

Blauer Himmel, dünne weiße Wolken 12.000-14.000 K

Klarer, blauer nördlicher Himmel 15.000-27.000 K

Schnee, Wasser, blauer Himmel 18.000 K

Internationale Norm für mittleres Sonnenlicht 5500 K


Dieter Friedrich