Dunkeladaption und das Sehen bei Nacht

Während wir auf die Himmelsqualität nur einen sehr beschränkten Einfluss durch unsere Standortwahl haben, können wir insbesondere bei der Dunkeladaption für unsere Hauptbeobachtungsinstrumente – unsere Augen – einiges tun um zumindest auf dieser Seite möglichst beste Vorraussetzungen für eine freudvolle Beobachtung der zumeist schwachen Deepskyobjekte zu erreichen.

Unser Auge, das ist den meisten Menschen klar, ist das wichtigste Sinnensorgan, das wir besitzen. Bei der visuellen Deepskyastronomie ist es somit nach dem Teleskop das wichtigste „Ausrüstungsteil“, das wir mit uns führen.

Das Auge wurde während der Evolution in den vergangenen Milliarde Jahren
gleich Dutzende Male „erfunden“, immer wieder auf eine andere Art aber immer mit dem Ergebnis, dass dem zentralen Nervensystem des Lebewesens (über)lebenswichtige Informationen über seine Umwelt mitgeteilt werden. So verwundert es auch nicht, dass so vielfältig wie die Organismen, auch die Leistungsfähigkeiten und Schwerpunkte der Augen in der Natur sind. Nun stand der Mensch nie unter dem Zwang besonders „nachtsichtige“ Augen zu entwickeln um zu überleben, dies wäre auf Kosten unserer Vorteile bei der Tagsichtigkeit gegangen und genau dort lag eben unser Vorsprung vor unseren Fressfeinden. Trotzdem kann das menschliche Auge auch in der tiefen Dunkelheit der Nacht bestimmte Dinge sehen und wahrnehmen, nur eben anders als im Licht des Tages, für das Erkennen von potentiellen Gefahren reichte dieses Nachtsehen aus und ich komme später noch darauf zurück wie wir uns eine oder zwei Besonderheiten dieser Entwicklung auch beim Beobachten am Teleskop noch zu Nutze machen können.

Dazu schauen wir uns einmal ganz grob den Aufbau des Auges auf, vereinfacht besteht er aus dem optischen Teil, also Linse, Pupille, Iris, Hornhaut und Glaskörper die allesamt dafür da sind, den Lichteinfall zu regulieren sowie die Schärfeeinstellung für unterschiedlich weit entfernte Objekte, und dem sensorischen Teil, der das einfallende Licht in elektrische Impulse umwandelt und an unser Gehirn schickt – die Netzhaut mit ihren Sehzellen.

Die Grösse der Pupille bzw. die Iris regelt den Lichteinfall auf die Netzhaut, jeder hat sicher schon oft beobachtet, dass die Pupille in Sekundenbruchteilen kleiner wird wenn helles Licht einfällt und sich dann nach einiger Zeit wieder maximal aufweitet wenn es die Helligkeit, besser gesagt Dunkelheit zulässt.

Dies ist ein kleiner Teil des Adaptionsprozesses, der uns optimal auf das Sehen in Dunkelheit vorbereitet, im Vergleich zum chemischen Adaptionsprozess geht das Öffnen der Pupille recht zügig von statten. Bei Dunkelheit kann sich die Pupille zwischen 6 und 8mm weit öffnen, das ist von Person zu Person unterschiedlich und lässt meist mit dem Alter nach (4-5mm sind in höherem Alter nicht unnormal aber nicht unweigerlich der Fall). Dieser Wert ist nicht unwichtig, denn das „Gegenstück“ zur (Eintritts)pupille (EP) ist die so genannte Austrittspupille (kurz AP) des Okulars, also wie dick der austretende Lichtbündel ist. Vergrössert man die AP des Okulars über die maximal mögliche Öffnung der eigenen Pupille wird Licht verschenkt, weil das Strahlenbündel nicht ganz ins Auge eindringen kann. Unabhängig von der persönlichen EP setzt man deshalb häufig 7mm als maximal sinnvolle AP des Okulars ein.

(Exkurs: Auch wenn ich es in anderen Artikeln schon intensiver behandelt habe, hier nochmal die Formel zur Berechnung der AP eines Okulars: Okularbrennweite in Millimeter geteilt durch Öffnungszahl (f/x) des Teleskops – f/x = Teleskopbrennweite : Teleskopöffnung – Bsp.: 30mm Okular an einem f/5 Teleskop: 30:5=6 -> 6mm AP)

An dieser Stelle ein Wort zu allen Brillenträgern und Menschen mit Sehfehlern: Das ist in aller Regel keinerlei Hinderungsgrund für erfolgreiche Deepskybeobachtungen! Fehlende Sehschärfe (fast egal wieviel Dioptrin) wird beim Fokussieren des Okulars vollständig ausgeglichen und somit ist es auch nicht notwendig beim Beobachten eine Brille zu tragen (das geht mir z.B. so). Leidet man an einer Hornhautverkrümmung, in der Fachsprache "Astigmatismus" ist der Verzicht auf die Brille nicht so einfach, denn die Sternabbildung wird unabhängig von den optischen Komponenten des Teleskops nicht punktförmig sondern verzerrt sein. Je nach Stärke des Astis kann das durchaus stören, so dass die meisten Beobachter mit diesem Problem die Brille die diesen Fehler ausgleicht einfach bei der Beobachtung anbehalten. Am Rande sei erwähnt, dass es auch Zusatzlinsen für bestimmte Okulare gibt, die den Astigmatismus ausgleichen können. Darüber hinaus können diese Sehfehler mit dem Unterschreiten einer bestimmten AP ihre Relevanz verlieren, sprich: Beim Einsatz von kurzbrennweitigen Okularen (= hohen Vergrösserungen) fallen diese Fehler auch ohne Brille nicht mehr ins Gewicht. Wie weit die AP runter muss ist von Person zu Person unterschiedlich, man spricht von 2-3mm.

Die Netzhaut kann man als das Äquivalent zum Chip einer Kamera sehen. Die einzelnen Nervenzellen repräsentieren demnach die Pixel die im Gehirn zu einem Abbild der Umwelt zusammengesetzt werden. Das auch noch sehr gewitzt, denn fast in der Mitte der Netzhaut sind wir eigentlich blind – der so genannte blinde Fleck ist nicht mit Nervenzellen besetzt, weil dort der zentrale Sehnerv die Anbindung an unser Gehirn ermöglicht, dieses gleicht aber diesen „toten Bereich“ durch intensive Rechenleistung aus, so dass wir nie ein „Loch“ in unserem Gesichtsfeld haben. Eine weitere besondere Stelle der Netzhaut ist der „gelbe Fleck“ oder auch Fovea, hier sehen wir mit besonders guten Auflösung und Schärfe, weil sich hier besonders viele Nervenzellen befinden, tagsüber sprechen wir deshalb auch vom fovealen Sehen weil die Sehachse genau dort endet.

Die Nervenzellen der Netzhaut teilen sich in zwei verschiedene Arten. Die Zapfen und die Stäbchen, während die Zapfen für das Farbsehen zuständig sind, erlauben uns die Stäbchen das Dämmerungs- oder Nachtsehen, sie sind um ein vielfaches empfindlicher als die Zapfen. Dies ist auch der Grund, warum wir in der Nacht kaum oder keine Farben erkennen können ("Nachts sind alle Katzen grau")...

Zapfen (farbig) & Stäbchen (grau)

Während die Zapfen eine bestimmte Lichtmenge brauchen um aktiviert zu werden, sprechen die Stäbchen schon auf ein einzelnes (!) Photon an, jedoch wird unser Gehirn nie ein einzelnes Photon melden, das geschieht nur wenn einige benachbarte Zellen mit aktiviert werden (ein Grund warum bei höherer Vergrösserung auch vermeintlich schwache Objekte noch mehr Details zeigen können). Ich bitte zu entschuldigen wenn ich jetzt noch weiter in scheinbar unnötige Details gehe, aber wie wir später noch sehen werden ist das nicht gänzlich unwichtig.

Ein entscheidender Nachteil des Sehens bei Dunkelheit ist, dass in der vorher genannten Fovea (Punkt des schärfsten Sehens mit höchster Auflösung der Netzhaut), nur Zapfen (dafür sehr dicht gepackt) und keine Stäbchen zu finden sind. Nachts sind wir also an dieser schärfsten Stelle des Auges leider auch am unempfindlichsten. Stattdessen müssen wir lichtschwache Details von Deepskyobjekten mit den Aussenbereichen der Netzhaut beobachten, hier sind wir durch die Überzahl an Stäbchen bei Dunkelheit im Vorteil. Allerdings dürfen wir dazu das Objekt das wir beobachten nicht direkt anschauen. Man spricht beim „Danebenblicken“ auch vom indirekten Sehen. Dieses Mehr an Lichtempfindlichkeit erkauft man sich leider mit dem Verlust an Auflösungsvermögen, deshalb ist das gezielte „Festnageln“ von Details eine Frage der Übung. Hierbei muss man für sich selbst durch Übung herausfinden wie weit vom Zentrum entfernt man die besten Resultate erreicht, je weiter man wegblickt, desto stärker wird die Lichtempfindlichkeit aber ebenfalls nimmt die Schärfe weiter ab. Sehr wichtig ist beim Nichtfovealen Sehen ist auch, dass man in die richtige Richtung vom Objekt wegblickt, da der blinde Fleck nicht ganz mittig sondern in Richtung Nase versetzt liegt, schaut man mit dem rechten Auge rechts vorbei und mit dem linken Auge links vorbei.

Eine weitere evolutionär bedingte Besonderheit unserer Augen können wir uns ebenfalls am Teleskop zu Nutze machen: Wir nehmen bei schlechten Lichtverhältnissen bewegte Objekte sehr viel besser wahr als statische, deshalb kann es vor allem bei sehr schwachen Objekten oder Details über Sehen oder Nichtsehen entscheiden wenn wir das Teleskop leicht hin und herschwenken während wir das Gesichtsfeld des Okulars betrachten. Wofür dieses verstärkte Erkennen von Bewegungen aus den Augenwinkeln von essentiellem Vorteil für unsere Urahnen war liegt auf der Hand.

In den Sehzellen (sowohl Zapfen als auch Stäbchen) ist der Sehfarbstoff Rhodopsin eingelagert, trifft nun ein Photon auf die Nervenzelle ändert sich die räumliche Ausrichtung der Atome dieses Moleküls, der Lichtreiz wird weitergegeben. Die dumme Eigenschaft des Rhodopsins ist es nun aber, dass es bei einem ausreichend starken Lichtreiz in Millisekunden zerfällt. Bis sich ein maximales Niveau aufgebaut hat dauert (je nach Quelle) 15 bis 30min. Also braucht unser Körper nach jeder Blendung während des Nachtsehens mehr als eine viertel Stunde bis wir unser optimales Nachtsichtniveau wieder erreicht haben – Das ist der Hauptgrund warum helles Licht der Feind eines jeden visuellen Deepskybeobachters ist!

Nun zerfällt das Rhodopsin glücklicherweise nicht bei jeder Wellenlänge des Lichts genauso schnell. Während das Auge im Bereich zwischen blau und grün (500 nm) besonders empfindlich ist, baut sich das Rhodopsin bei tiefrotem Licht sehr viel langsamer ab, die Blendung nimmt somit ab. Schnell wird so klar warum wir nur rote Lampen mit auf unsere Beobachtungsabende mitnehmen... Das Problem bleibt, dass ein zu helles Licht egal welcher Farbe unsere Nachtsichtempfindlichkeit stark herabsetzt und ein erneutes Adaptieren notwendig macht. Dazu kommt, rot ist nicht gleich rot, natürlich haben die meisten von uns keine Möglichkeit eine Spektralanalyse unserer Lampen zu machen (interessantes hierzu in einem Artikel im Interstellarum Sonderheft Teleskope) aber man sollte schon darauf achten, dass die Lampe ein sauberes rot produziert und keine Violett- oder Orangetöne, somit bekommt man reines Rot viel eher mit roten LEDs hin als mit gefärbten Weisslichtlampen.

Zum Vergleich der verschiedenen Helligkeiten habe ich mal eine Auswahl an Taschenlampen und Rotlichtlampen fotografiert, jeweil 8 Sekunden bei f/5,6 und ISO 400

Lampe 1: Schwache 1x LED Taschenlampe (weiss)

Lampe 2: selbstgebaute 3xLED (rot)

Vergleich Astroklemmlampe (Originalzustand) und Fahrradrücklicht (rot) - Danke an Jan für dieses Foto

(selbe Aufnahmedaten, andere Kamera)

Lampe 3: Schwache (Batterie) 3xLED Taschenlampe mit Nagellack (rot)

Lampe 4: Schwache Astroklemmlampe 1xLED mit Nagellack + Folie (rot)

Realer Anblick der beiden schwächeren Rotlichtlampen bei Nacht (ISO 400 ca. 1s)

Zu den Lampen ist abschliessend zu sagen: Auch die dunkelste blendet dich etwas! Die letzte Lampe in dieser Reihe klemmte nur wenige Tage bevor ich diesen Artikel schrieb auf meinem Zeichenblock, zeigte auf ein Blatt Papier und half mir eine Zeichnung vom Cirrusnebel zu bewerkstelligen - Trotz der wirklich schwachen Funzel, brauchte ich nach dem Einzeichnen von Details oder Sternen immer etwas Zeit bis ich wieder genausoviel sah wie vor dem Blick aufs Papier! Und obwohl sie in einem Winkel neben dem Teleskop stand, der keine direkte Strahlung in Richtung Auge oder Okular schickte, war der Unterschied zwischen ein- und ausgeschalteter Lampe auffällig, sie blieb also immer aus wenn ich mich wieder auf ein Detail im Okular konzentrieren wollte.

Ausser den Leuchten auf die wir zum Blick auf Sternkarten oder Zeichenbretter auch beim Beobachten nicht völlig verzichten können, gibt es aber noch weitere, vermeidbare Störlichtquellen die unsere Adaption zu Nichte machen können. Als erstes sind das natürlich direkte Blendungen durch Häuser, Laternen und vorbeifahrende Autos. Schon bei der Wahl des Beobachtungsplatzes bzw. der Stelle am Platz kann man das vermeiden. Ist man durch Garten, Terrasse oder gar Balkon dazu gezwungen Kompromisse einzugehen, sollte man trotzdem mit allen Mitteln versuchen direkte Blendungen auszuschalten, das ist an erster Stelle natürlich das Licht in der eigenen Wohnung, andere Blendquellen lassen sich eventuell mit Tüchern oder aufstellbaren Wänden abblocken oder zumindest mindern.

Eine weitere vermeidbare Quelle zur Zerstörung unserer wichtigen Adaption ist die inzwischen verbreitete (Un)Sitte alles und überall „paperless“ zu managen. Anstelle von Atlanten und ausgedruckten Sternkarten wird gerne das Smartphone oder gar eine Note- oder Netbook gezückt. Es steht selbstverständlich ausser Frage welche Vorteile das Mitführen komplexer Sternkartensoftware bringt. Die Frage die man sich beantworten muss ist, ob man gewillt ist diesen durchaus nachvollziehbaren Wunsch nach Annehmlichkeit mit dem unweigerlichen Verlust an Beobachtungsqualität zu bezahlen. Auch „Nachtmodi“ in diesen Programmen führen immer zu einer weitaus höheren Blendung und Herabsetzung des Nachtsichtfähigkeit als das Benutzen einer schwachen Lampe mit Kartenmaterial (selbst ein schwarzes Display leuchtet noch wesentlich heller als eine Rotlichtlampe). Ein Weg, den vor allem Astrofotografen wählen, ist das Display mit tiefroter dicker Folie abzudecken (im Astrohandel erhältlich). Als visueller Beobachter würde ich aber von dieser vermeidbaren Quelle abraten, Computer und Smartphone für die Astronomie nutze ich selber ständig und auch sehr gerne, aber eben nicht auf dem Feld wo ich versuche möglichst viel im Okular zu erkennen. Einige Hoffnungen diese scheinbar unvereinbaren Welten zusammenzuführen setze ich in die so genannten eInk Displays wie man sie heute schon in Ebookreadern findet, sie haben keine aktive Beleuchtung und verhalten sich im Prinzip wie Papier. Leider sind sie bisher a.) noch relativ teuer in ausreichender Grösse und b.) noch nicht in Geräten eingebaut die Astronomiesoftware unterstützen.

Smartphone 1: Helligkeitsstufe 2/5 normales (dunkles) Hintergrundbild

Smartphone 2: Niedrigste Helligkeitsstufe (1/5) mit rot/schwarz Bild ("Nachtmodus")

Zu guter Letzt komme ich auf die Möglichkeit des „Sehdopings“ zu sprechen, keine Angst hier müssen keine illegale, potentiell gefährliche Substanzen eingenommen werden, das Gegenteil ist der Fall! Was gemeinhin als gesund gilt ist auch gut für das Auge – Vitamin A ist besonders wichtig für unser Auge, ein eklatanter Mangel führt zu Nachtblindheit. Möhren können also schonmal nicht schaden ;) Ausser diesem ohnehin wichtigen Stoff für unser Sehen gibt es etwas, das ganz gezielt die für das Nachtsehen so wichtige Rhodopsinproduktion ankurbelt: Anthocyane. Was zunächst gefährlich klingt sind schlicht natürliche Pflanzenfarbstoffe, besonders reichlich vorhanden in Heidelbeeren. Eine persönliche Einschätzung der Wirksamkeit kann ich nicht abgeben, es gab aber einen (wissenschaftlich gewissenhaft durchgeführten) Versuch vom Amateurastronomen Uwe Pilz, der damit eine Verbesserung der Dunkelsichtigkeit bei allen Probanten nachweisen konnte. Wie stark diese ausfällt ist allerdings von Person zu Person unterschiedlich. Den Wirkstoff bekommt man tatsächlich in der Apotheke in Tablettenform zu kaufen, ich selbst konsumiere aber lieber direkt das Naturprodukt ;) Zwar ist es nicht Jedermanns Sache ein ¾ bis 1 Glas Heidelbeeren zu essen, aber schaden tut es in keinem Fall und lecker ist es noch dazu (3-5 Stunden vor der Beobachtung).

Fast noch wichtiger als solche „Hilfsmittelchen“ ist es aber auf bestimmte andere Stoffe zu verzichten wenn eine ernsthafte Beobachtung ansteht. So setzt bewiesener Massen der Konsum von Alkohol und Nikotin das Sehvermögen herab. Ich bin selbst Raucher und es fällt mir auch nicht leicht auf den Glimmstengel zu verzichten, aber der Effekt ist messbar vorhanden! Dazu noch ganz wichtig: Ausgeschlafene Augen sehen mehr als übermüdete, das weiss jeder Autofahrer der in den späten Abendstunden noch unterwegs
ist (und davon können die meisten Amateurastronomen ein Lied singen...).

© 2011 Benny Hartmann