Lux, Lumen, Fußkerzen und Nits: Vier Einheiten, die unterschiedliche Aspekte von Licht messen

Drei unterschiedliche physikalische Größen, nicht eine

Die Frage „Wie hell ist es?" wird durch drei völlig unterschiedliche physikalische Größen beantwortet, jede besitzt ihre eigene Einheitenfamilie, und keine kann ohne zusätzliche Informationen über Geometrie oder Oberflächenbeschaffenheit in eine andere umgerechnet werden. Sie zu verwechseln – etwa danach zu fragen, wie viel Lux eine Glühbirne erzeugt – stellt einen Kategoriefehler dar, keinen Einheitenfehler, denn die Leistung einer Glühbirne wird korrekterweise durch eine völlig andere Einheit beschrieben.

Lichtstrom: das, was eine Lichtquelle ausstrahlt

Das Lumen (lm) misst die Gesamtlichtemission einer Lichtquelle über alle Richtungen hinweg, unabhängig davon, wie weit entfernt sich ein Objekt befindet oder worauf das Licht auftrifft. Der Produktkarton einer Glühbirne gibt Lumen an, denn dies ist die einzige Kennzahl, die die Glühbirne selbst charakterisiert, nicht aber den Raum, in welchem sie sich befindet.

Beleuchtungsstärke: das, was auf eine Oberfläche fällt

Das Lux (lx) entspricht einem Lumen pro Quadratmeter: die Menge des ausgestrahlten Lichts, die tatsächlich auf eine bestimmte Fläche fällt, hängt von der Gesamtemission der Lichtquelle, dem Abstand von dieser Quelle (mit quadratischer Abnahme) sowie dem Einfallswinkel ab. Das entsprechende imperiale Äquivalent, die Fußkerze (fc), ist ein Lumen pro Quadratfuß. Da ein Quadratfuß kleiner ausfällt als ein Quadratmeter, registriert die gleiche Lichtmenge, die über einen Quadratfuß verteilt wird, einen höheren Zahlenwert: genau 1 fc = 10,76391 lx, hergeleitet von der exakten Beziehung 1 ft² = 0,09290304 m² (weil 1 ft = 0,3048 m exakt ist), somit 1 fc = 1 lm/ft² = 1/0,09290304 lm/m² = 10,76391042… lx. Die Beleuchtungsstärke ist das, was ein Luxmeter misst, sowie das, was Bauvorschriften und Leitlinien zur Hortikulturbeleuchtung vorschreiben.

Leuchtdichte: das, was von einer Oberfläche zum Auge gelangt

Das Nit – formal eine Candela je Quadratmeter (cd/m²), wobei „Nit" der informelle, gleichwohl quasi universell gebräuchliche Name dafür darstellt – misst das Licht, das von einer Oberfläche ausgeht oder von dieser reflektiert wird und zum Betrachter gelangt, und dieses bestimmt letztlich, wie hell jene Oberfläche wahrgenommen wird. Zwei Oberflächen, die sich unter gleicher Beleuchtungsstärke befinden, können völlig unterschiedliche Leuchtdichten aufweisen: ein Blatt matter schwarzer Pappe sowie ein Blatt weißes Papier unter derselben Schreibtischlampe erhalten das gleiche Luxmaß, doch das weiße Papier reflektiert einen deutlich größeren Anteil davon zurück zu Ihrem Auge und wirkt daher viel heller. Nits bilden die Einheit für Bildschirmhelligkeit, denn ein Bildschirm reflektiert kein Umgebungslicht – sondern strahlt sein eigenes Licht aus – daher stellt Leuchtdichte, nicht Beleuchtungsstärke, die relevante physikalische Größe dar.

Warum zwischen diesen Einheiten keine freie Umrechnung möglich ist

Die Umrechnung von Lumen zu Lux benötigt die Fläche, über welche das Licht verteilt wird, dies stellt eine Geometriefrage dar, die die Einheit selbst nicht beantworten kann. Die Umrechnung von Lux (Licht, das auf einer Oberfläche ankommt) zu Nits (Licht, das von jener Oberfläche ausgeht) benötigt das Reflexionsvermögen der Oberfläche, denn eine Oberfläche kann nur einen Teil dessen zurückgeben, das sie empfängt. Für eine ideal matte („Lambertsche") reflektierende Oberfläche lautet die Beziehung:

L = E × ρ ÷ π

wobei L die Leuchtdichte je cd/m² darstellt, E die Beleuchtungsstärke je Lux beschreibt und ρ das Reflexionsvermögen der Oberfläche zeigt (0 bis 1). Weißes Druckerpapier reflektiert ungefähr 80 % des Lichts, das darauf fällt (ρ ≈ 0,8). Unter typischer Bürobeleuchtung von 500 lx errechnet sich die Leuchtdichte dieses Papiers zu 500 × 0,8 ÷ π ≈ 127 cd/m² – deutlich schwächer als ein Laptop-Bildschirm daneben, welcher selbst 250–400 Nits ausstrahlt, obwohl der Raum bloss mit 500 lx beleuchtet ist. Die Beleuchtungsstärke charakterisiert den Raum; die Leuchtdichte beschreibt jenes Licht, das Ihr Auge tatsächlich von einer bestimmten Oberfläche dort empfängt, und die beiden unterscheiden sich routinemäßig um mehrere Größenordnungen.

Häufige Beleuchtungsstärkewerte zur Orientierung

Ein konkreter Fall, durch den sich eine fehlerhafte Angabe verbreitet

Die Helligkeit des Mondlichts bildet ein wahrhaft nützliches Beispiel dafür, wie eine plausibel klingende Zahl die Messung dahinter überflügeln kann. Eine runde Ziffer von „1 Lux" für Vollmondlicht zirkuliert weit verbreitet durch Beleuchtungsdesign-Referenzen sowie Fotografie-Leitfäden; sorgfältige fotometrische Arbeiten veranschlagen die tatsächliche Ziffer eine Größenordnung niedriger. Der Ökologe Travis Longcore verfolgte in seinem Aufsatz aus 2017 einen spezifischen, dokumentierten Fall nach, durch welchen sich dieser Fehler durch die ökologische Beleuchtungsliteratur verbreitet: Ein Papier aus dem Jahre 1999 hatte eine gemessene Beleuchtungsstärkekurve für einen zu 75 % beleuchteten Mond kurz vor Vollmond – weder ein Vollmond noch ein Halbmond – fälschlicherweise als „Halbmond"-Beleuchtung gekennzeichnet, sowie mindestens zwei später folgende Arbeiten wiederholten jene fehlerhafte Ziffer, ohne zu den ursprünglichen fotometrischen Messdaten zurückzukehren. Longcores eigene Arbeitschätzung für die typische Beleuchtungsstärke des Vollmonds auf Bodenniveau, nach Berücksichtigung der Höhe des Mondes über dem Horizont sowie der atmosphärischen Abschwächung anstelle eines idealisierten Wertes von oben, liegt nahe bei 0,1 Lux – die Ziffer, welche diese Website oben verwendet – deutlich unter dem „1 Lux"-Kürzel, das weiterhin durch Sekundärquellen zirkuliert, die nie eine Primärmessung zitieren.

Der zugrunde liegende Mechanismus bleibt immer identisch, unabhängig davon, welche spezifische fehlerhafte Kennzeichnung ihn auslöste: Sobald eine Zahl durch eine Übersichtsarbeit oder eine Tabelle ohne die ursprünglichen Messdaten wiederholt wird, zitieren nachfolgende Autoren die Übersichtsarbeit, anstelle etwas neu zu messen, und eine Ziffer, die fehlerhaft war oder bloss unter engen, nicht erneut beschriebenen Bedingungen richtig war, überlebt auf unbestimmte Zeit. Dies stellt ein fotometriespezifisches Beispiel für jene Vorsicht dar, welche diese Website bei ihren eigenen Angaben anwendet: Eine plausible runde Zahl entspricht nicht dem gleichen wie eine verifizierte.

Die richtige Einheit wählen

Überlegen Sie sich, was Sie tatsächlich messen, bevor Sie nach einer Einheit greifen. Gesamtemission einer Lichtquelle: Lumen. Licht, das auf eine Oberfläche fällt: Lux oder Fußkerzen. Helligkeit einer Oberfläche oder eines selbstleuchtenden Bildschirms, wie sie einem Auge erscheint: Nits. Keine der drei ersetzt die anderen, denn jede beantwortet eine unterschiedliche physikalische Frage.